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数控车床数控系统的设计.doc数控车床数控系统的设计.doc -- 6 元

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2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第1页共25页第1章引言1.1我国数控技术的发展背景我国数控技术经过了研制开发、引进技术、消化吸收、科技攻关和产业攻关几个过程,并得到了飞速发展。从1958年起,由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发,由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约,未能取得较大的进展。在改革开放以后,经过六五19811985年的引进国外技术,七五19861990年的消化吸收和八五19911995年国家组织的科技攻关和九五19962000年国家组织的产业化攻关,才使得我国数控技术逐步取得实质性的进展,一些较高档次的数控系统五轴联动,分辨率为0.002um的高精度数控系统、数字仿形数控系统、为柔性单元配套的数控系统都开发出来,并造出样机,开始了专业化生产和使用。1992年我国年产数控机床仅4200多台,到2003年这一数字已为2.48万多台,比上年增长了41.6。10年来,我国数控金切机床产量翻了两番多,数控机床产品开发加快,一批反映当前世界数控机床发展潮流的高档次数控机床问世,如直线电机驱动加工中心、五轴车铣复合中心、五轴加工中心等。建立了以中、低档次数控机床为主的产业体系和高档次数控机床的研发和生产体系,可以说,我国机床业整体素质有了明显提高。但与发达国家相比,我国机床数控化率还不高,目前生产产值数控化率还不到30,消费值数控化率还不到50,而发达国家大多在70左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。我国企业的数控机床占有率逐年上升,在大中企业已有较多的使用,在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。这些数控机床,除少量机床以FMS模式集成使用外,大都处于单机运行状态,并且相当部分处于使用效率不高,管理方式落后的状态。1.2数控机床发展趋势1.2.1高速、高效、高精度、高可靠性1高速、高效加工进入21世纪,机床向高速化方向发展,大幅度提高加工效率、降低加工成本、提高零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。2高精度、超精密化加工当前,机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍,达到5微米精密加工精度提高了两个数量级,超精密加T精度进入纳米级0.001微米,主轴回转精度要求达到0.010.05微米,加工圆度为0.1微米,加工表面粗糙度Ra0.003微米等。从精密加工发展到超精密加工特高精度加工,是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级10nm,其应用范围日趋广泛。3高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,沈功旭数控车床数控系统的设计第2页共25页无故障率Pt99上的话,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。当前国外数控装置的MTBF值已达60000小时以上,驱动装置达30000小时以上。1.2.2模块化、智能化、柔性化和集成化1模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点,机床结构模块化,数控功能专门化,机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。2智能化在数控系统中智能化的内容包括①为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生成②为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算等③简化编程、简化操作方面的智能化④智能诊断、智能监控方面的内容等。3柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点数控单机、加工中心和数控复合加工机床、线FMC,FMS,FTL,FML向面工段车间独立制造岛、工厂自动化FA、体CIMS、分布式网络集成制造系统的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。1.2.3开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求,最重要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统,例如美国OMAC,欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开放式数控的计划等。1.3本课题研究的意义及主要内容数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用,它集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多项技术于一体,是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。随着IC技术和计算机技术的发展,市场上出现了多种功能强大的微控制器,为开发新型的、面向不同应用对象和层次的高性价比数控系统提供了坚实的平台。在激烈的竞争中,中低端市场需求占数控系统需求的80左右,国产数控系统要巩固已有中低端市场份额,就必须开发出性价比更高的数控系统,在此基础上力争加大中高端市场的占有率。因此研制具有自主知识产权的嵌入式机床控制系统,对于提高我国中高档数控系统的技术水平有着十分重要的意义。随着市场和科学技术需求的不断发展,现代制造技术对加工设备提出了更高的要求。传统的加工手段逐渐被数字化、集成化、智能化及网络化的数控加工方式所代替。但目前数控机床的价格还比较昂贵,对传统机床进行数控化改造不失为既经济又快捷的一条途径。模块化的开放式数控系统是当今数控技术发展的方向,其实现的最主要途径是数控系统的PC化。数控模块PC化有3种类型,其中应用最广泛的是PC数控模块的结构。PMACProgramablemultiaxescontroller多轴运动控制器就是这样的一个模块。本文介绍在对车床改造中开发的以工业控制机IPC为系统支撑平台,以PMAC运动控制器为数控模块的双CPU开放式数控系统。该系统用IPC处理非实时部分,而插入IPC的PMAC多轴运动控制器承担运动的实时控制。本系统的特点是各微处理器并行工作,软件工作被分散到各级处理器,实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理,提高了系统的执行速度。2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第3页共25页第2章数控机床及控制方式2.1数控机床的组成及工作原理数控机床是采用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处InternationalFederationofInformationProcessing,IFIP第五技术委员会,对数控机床作了如下定义数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号指令规定的程序。2.1.1数控机床的组成图21数控机床组成与工作过程框图数控机床通常由程序载体控制介质、输入装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统和机床本体组成,如图21所示。其中实线部分为开环控制数控机床框图,上述系统再加上虚线部分,就构成具有测量反馈功能的闭环控制数控机床框图。1控制介质信息载体数控机床加工时,为了得到图样上所规定的零件形状和加工精度,在加工过程中,机床所需要的全部操作动作和刀具相对于工件的运动轨迹,都是由我们按着一定的要求和顺序编成控制指令即加工程序,并把它存放在一种存储物上。此存储物就是在人和机床之间建立联系的媒介物,也就是控制介质或称信息载体。控制介质可以是穿孔纸带,磁带、磁盘或其他可存储物质。2数控装置数控装置是数控机床的中心环节,它接受控制介质输入的信息,经过处理与运算去控制机床动作。数控装置由输入装置、存储器、控制器及一套处理数控加工的相关软件、运算器和输出装置组成。3伺服系统(英文servo的音译是数控装置与机床的联系环节,它把来自数控装置的指令转变为机床部件的运动,使工作台和主轴按规定的动作运动,加工出合格产品。2.1.2数控机床的工作原理(1)在使用数控机床进行数控加工时,把零件的加工信息如零件尺寸、形状和技术条件编出工件加工程序,将加工工件时刀具相对于工件的位置和机床全部动作顺序,按规定格式和代码记录在信息载体上程序载体机床伺服系统数控装置(CNC)输入装置位置反馈信号辅助动作信号沈功旭数控车床数控系统的设计第4页共25页(2)把信息载体控制介质即工件加工程序输入计算机数控装置(3)数控装置接收由穿孔带、阅读机、磁盘、键盘等送入的代码信息,经过识别与译码之后送到指定存储区,作为控制与运算的原始数据(4)伺服驱动系统把来自数控装置的运动指令转变成机床移动部件的运动,使工作台按规定轨迹移动或定位,加工出符合图样要求的工件(5)辅助装置把计算机送来的辅助控制指令,经机床接口电路转换成强电信号,用来控制机床主轴电机的启动停车,主轴转速调整,冷却泵启停以及转位换刀(6)反馈系统将机床移动的实际位置,速度参数检测出来,转换成电信号,并反馈到计算机中,使计算机随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致,并发出相应指令,纠正所产生的误差。零件在机床上加工过程如图21所示,当改变加工工件时,在数控机床上只需改变加工程序即可进行新零件加工。2.2数控机床控制方式2.2.1数控机床控制方式选择伺服系统是位置控制系统,是数控装置与机床的联系环节,位置控制按其结构分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。1开环控制形式图22是典型的开环数控系统,其中没有位置检测反馈装置,指令是单方向传送的,并且指令发出后,不再反馈回来,故称开环控制。开环控制的伺服系统主要使用步进电机。插补器进行插补,发出指令脉冲,经驱动放大电路放大后,驱动步进电机转动,一个进给脉冲使步进电机转动一个角度,通过齿轮减速,丝杠传动使工作台移动一定距离,因此,工作台的位移量与步进电机的转角成正比,即与进给脉冲数目成正比。改变进给脉冲数目和频率,可以控制工作台的移动量和速度。图22开环控制系统框图开环控制结构简单,控制容易稳定性好但精度较低,低速有振动,高速转矩小。一般用于轻数控装置步进电动机功率放大器工作台指令脉冲步进电动机齿轮箱2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第5页共25页载或者负载变化不大的场合,比如经济型数控机床上。2闭环控制形式安装在工作台上的检测元件将工作台的实际位移量反馈到计算机中,与所要求的位移量相比较,用比较的差值进行控制,直到差值消除为止,从而使精度大大提高,如图23所示。闭环控制加工精度高,移动速度快,但电机控制电路比较复杂,检测原件价格昂贵,调试维修费用高。图23闭环控制系统框图3半闭环控制形式半闭环控制没有直接检测工作台的位移量,原因是检测元件安装在电机的端头或丝杠的端头,闭环环路内不包括丝杠螺母副工作,所以可获得较稳定的控制特性。控制精度比闭环控制的要差,但控制系统调试维修方便。如图24所示。图24半闭环控制系统框图数控装置伺服放大器工作台伺服电机齿轮副位置检测装置反馈脉冲数控装置伺服放大器工作台伺服电机齿轮副位置检测装置反馈脉冲沈功旭数控车床数控系统的设计第6页共25页第3章机床数控设计改造及数控系统分析选用数控系统一般分为硬件数控系统NumericalControl简称NC和计算机数控系统又称软件数控系统ComputerNumericalCentral简称CNC两种。计算机数控系统CNC是在硬件数控系统NC基础上发展起来的,是一种包含计算机在内的数字控制系统,是由专用计算机控制软件实现部分或全部功能的数控系统,它很容易通过软件来更改或扩充功能,CNC系统的逻辑控制,几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一执行。3.1数控CNC系统的组成如图31所示,数控系统CNC由微机部分、外部设备部分和机床控制等三部分组成。3.1.1微机微机是数控系统的核心,整个系统在微机的指挥下协调工作。如图32所示,微机主要由微处理器CPU.存储器RAM,ROM、和I/O控制电路组成,相互之间由数据总线、地址总线、控制总线联结。CPU由运算器、控制器两个逻辑部件组成,功能就是运算和控制,是数控系统的核心部件控制软件系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件,它存放在计算机的EPROM内存中,可完成输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序等工作。其中最重要的是控制零件程序的执行,这是CNC的核心,其他任务只是为了更好的完成这项任务。随机存储器RAM主要用来存放工件加工程序、现场加工参数和提供系统的工作缓冲区。图31数控系统组成框图3.l.2I/O接口电路I/O接口是指外围设备与CPU之间的接口电路,微机与数控外设之间传递信息的通道,其作用为将外设送往微机的信息转换为微机能接受的格式,反之也然。它完成电平转换,数据缓冲,锁存及隔离功能。一般情况下,外设与存储器不能直接通信,必须靠CPU传递信息。通过CPU对I/O接口的读/写控制,完成外设与存储器之间的信息传递。CNC位置控制位置检测逻辑状态控制逻辑状态检测存储器CPU光电阅读机操作面板I/O接口电路穿孔纸带显示器键盘外部存储设备机床控制微机外部设备2010届机械设计制造及其自动化专业毕业设计第7页共25页图32微机组成框图3.1.3机床I/O控制机床I/O控制是微机与机床联结的关键部件。其功能特点有1能够可靠的传送控制机床的动作信息并能输入机床当前的状态信息2能进行相应的信息转换,即A/D与D/A之间,数字量与开关量之间的转换,满足CNC系统的输入与输出要求3具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力,以提高系统的可靠性。最常用的方法是在I/O接口处增加光电隔离电路。3.2数控CNC系统的分析选用3.2.1数控系统选用方案确定机床数控系统设计,数控系统的选择对设计结果起到关键作用。容易被接受的数控系统应具备良好的性价比、高的可靠性、强大的操作功能,以及良好的售后服务和市场供应性。现在数控系统升级和功能拓展的可能性也是消费者着重考虑的问题之一。经验证明,一套数控系统的使用寿命68年,而近年随着电子技术的飞速发展,世界上名牌数控系统制造公司基本上35年内更换一代产品,68年的时间差不多有两代数控系统诞生,原数控系统若能随时升级或实现功能拓展,对消费者而言将是求之不得的。数控系统的选择有多种方案,如全部自行设计、制作采用单片机或STD模块改制选用现成的数控系统作少量的适应性改动或配接。模块化开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。多CPU开放式数控系统实现的最主要途径是数控系统的PC化,PC化有三种途径1)在PC机上增加数控模块2在数控系统上增加PC模块3以软盘文件的形式来管理数控程序,把CNC模块插入PC机中是PC化的一种主要方式,PMACProgrammableMultipleAxesController运动控制器就是这样的一个数控模块。本设计提出了以PMAC运动控制器作为CNC模块,工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统,并将该控制系统应用于车床数控数字化测量加工系统的开发,取得了良好的效果。本设计介绍了基于PMAC的并行双CPU开放式数控数字化测量加工系统,并给出了硬软件的设计框图。本系统的特点是各微处理器并行工作,软件工作被分散到各级处理器,实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理,提高了系统的执行速度。微机存储器I/O接口电路CPU
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liyun上传于2013-11-21

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