C137毕业设计（论文）-双回转数控工作台的设计（全套CAD图纸）

双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 1 摘摘 要要 在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个旋转自 由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成 为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双回转数控工作台。再 通过对数控系统的升级（不属于此题范畴） ，使该机床成为五坐标联动的 数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿 X、Y、Z 方向作平行移 动，在 A、B 两轴能同时运动，且能随时停止，在 A 轴上能够在一定角 度内连续旋转，在 B 轴上可以做 360 度的连续旋转。不仅可以加工简单 的直线、斜线、圆弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。 关键词关键词：数控，回转工作台，五坐标联动，双回转，机床 全套图纸，加153893706 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 2 ABSTRACT At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machines bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts. Key words：The numeric controls, Turning round the work set, Five sit the mark; Connect to move, The double turns round, Machine bed 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 3 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 1 目 录 第 1 章 绪 论.1 1.1 本课题的研究范围及应解决的主要问题1 1.2 本课题的研究目的和现实意义1 1.3 国内外现有数控发展状况2 1.4当代数控发展的主要趋势 .3 1.4.1 基于 PC 的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生 命力. 5 1.4.2 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势. .6 1.4.3 多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择. .6 1.4.4 网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理 方向发展. 6 1.4.5 高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题. .8 1.4.6 智能化控制是提高数控加工效率的有效手段. 10 1.4.7 CAD/CAM 与 CNC 的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径. 10 1.5 数控机床的升级（五轴联动）.11 第 2 章 电动机的选择与控制12 2.1 步进电动机的特点与种类.12 2.1.1 步进电动机的特点 .12 2.1.2 步进电动机的种类 .12 2.2 步进电动机的选择.14 2.3 步进电动机的控制.14 2.3.1 步进电动机的速度控制 .14 2.3.2 步进电动机的点位控制 .20 2.3.3 步进电动机的加减速控制 .22 第 3 章 工作台方案的选定24 3.1 分度工作台.24 3.2 数控回转工作台.25 3.2.1 开环数控转台 .26 3.2.2 闭环数控回转工作台 .27 3.3 双螺距蜗杆传动.27 第 4 章 双回转数控工作台结构设计30 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 2 第 5 章 蜗轮蜗杆设计计算34 5.1 蜗杆传动输入参数34 5.2 接触疲劳强度计算.34 5.3 确定蜗轮蜗杆主要尺寸.36 5.4 蜗杆的传动效率.37 5.5 蜗杆蜗轮的精度等级的选择.37 5.6 蜗杆传动的热平衡计算.38 第 6 章 齿轮设计计算39 6.1 齿轮设计输入参数39 6.2 齿轮传动结构形式和布置形式39 6.3 材料及热处理39 6.4 齿轮基本参数.40 6.5齿面接触疲劳强度的校核 43 6.6 齿根弯曲强度的校核.44 第 7 章 控制系统的设计46 7.1 单片机.46 7.2 扩展数据存储器.47 7.3 键盘及显示电路的设计.48 7.4 越界报警电路设计.48 7.5 环形分配器的选用.49 7.6 驱动电路的设计.49 7.7 电源电路设计.50 7.8 程序设计.52 第 8 章 误差补偿分析59 8.1 成型运动误差补偿概述.60 8.2 基本运动形式的软件补偿.62 821 直线运动的数控指令修正 .63 822 圆弧运动的数控指令修正 .63 第 9 章 进给系统精度分析65 9.1 直线轨迹.68 9.2 圆弧轨迹.69 第 10 章 结 论.71 参考文献72 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 3 英文原文：73 中文译文：78 致 谢82 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 本课题的研究范围及本课题的研究范围及应解决的主要问题应解决的主要问题 随着科学技术的迅速发展，机械产品的形状和结构不断地改进，这就 要求机床设备具有较好的通用性和较大的灵活性，以适用生产对象频繁变 化的需要。特别是对于航天航空等部门中的加工批量不大、生产周期要求 短、改型频繁、形状复杂、精度要求又很高的这类零件的加工，三坐标联 动数控机床在这方面起了举足轻重的作用。但是随着高精尖技术要求的不 断提高，三坐标联动机床已经不能满足要求。而五坐标联动机床就能满足 这些要求。 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切 削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床 的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣 刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的 效益。 在现有的三坐标联动的数控机床的工作台上，增加一个旋转工作台 （一台带有两个旋转自由度的数控回转工作台） ，在通过对数控系统的升级 改造（不属于此设计范围）使该机床成为五坐标联动的数控机床. 1 1.2.2 本课题的研究目的和现实意义本课题的研究目的和现实意义. . 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代 化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技 术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技 术和最基本的装备。而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技 术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提 高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还 将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自 己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我 国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技 术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要 途径。 而 5 轴联动加工又是数控技术发展的重中之重，采用 5 轴联动对 三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高， 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 2 而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬 硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高 出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展. 当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大 为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此 促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床） 的发展。在 EMO2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头， 可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 轴加工 可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司 展出 DMUVOUTION 系列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加 工，可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。 1.31.3 国内外现有数控发展状况国内外现有数控发展状况 我国数控系统分为 3 种型级，即经济型、普及型和高级型。这是根据 我国当前市场需求的实际情况，按技术应用不同领域和复杂程度进行的阶 段性标准来划分的。在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每 年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统是“一花 独秀”(其中有 10%左右的是合资企业产品)。在普及型数控系统的市场中， 我们正在取得进展。进入 90 年代以来，我国数控系统的各方面研究力量 在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了 以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系 统为主的国有企业，以及北京法那科、西门子数控(南京)有限公司等合 资企业的基本力量。当然，拥有我国自主版权的数控系统在市场开拓上仍 要尽更大的力量。技术状况 80 年代以来，国家对数控机床的发展十分重 视，经历了“六五” 、 “七五”期间的消化吸收引进技术， “八五”期间科 技攻关开发自主版权数控系统 2 个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良 好基础，并取得了长足的进步。 “九五”期间数控机床发展已进入实现产 业化阶段。数控机床新开发品种 300 个，已有一定的覆盖面。新开发的国 产数控机床产品大部分达到国际 80 年代中期水平，部分达到 90 年代水平， 为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如 高速主轴制造技术(12 000 r/min18 000 r/min)、快速进给(60 m/min)、 快速换刀(1.5 s)、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 3 床的发展奠定的基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广 应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。 从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机 床研究所等可实现批量生产的产业化基地。 我国数控系统在技术上已趋 于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前， 已新开发出数控系统 80 种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发 展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国 外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方 国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 m 当量的超精密 数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时 多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系 统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一 代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别 重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF 值可以在 15 000 h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过 60%。 这些成果为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。 1.41.4当代数控发展的主要趋势当代数控发展的主要趋势 数控车床又称数字控制（Numbercal control,简称 NC）机床。它是 20 世纪 50 年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床是其中的一类实 用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的。数控机床，就是采用 了数控技术的机床。是一个装有程序控制系统的机床，该统能够逻辑地处 理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。此种程序控制系统， 即数控系统。 数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定 的数字值，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。 数控机床的组成： 主机，CNC,驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备。 1）主机 主机是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部 分。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型 机床、电加工机床及其它类型 。与普通机床不同的是，数控机床的主机结 构上具有以下特点：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传 动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。为了适应数控机 床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度，阻尼精度 及耐磨性，热变形较小。更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 4 线滚动导轨等。 2）CNC 装置 这是数控机床的核心。用于实现输入数字化的零件程序， 并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 现代数控机床的数控装置都具有下面一些功能。 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括 在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如 加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接 方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动 选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自 动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方 便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问 题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本 的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未 来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台 上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功 能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制 系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明 个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置 规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当 前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装 备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求， 也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国 内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概 念和样机，如在 EMO2001 展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的 “CyberProduction Center” （智能生产控制中心，简称 CPC） ；日本大隈 （Okuma）机床公司展出“IT plaza” （信息技术广场，简称 IT 广场） ；德 国西门子(Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（开放 制造环境，简称 OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 5 数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和 性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数 控技术正在发生根本性变革。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由 专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于 PC 的 全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与 CAD/CAM 集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变 成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施， 如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环 节的数据分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加 工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调 节与补偿，有效提高了 CNC 的工作效率。 本文结合近两年来作者所在国 家数控系统工程技术研究中心和武汉华中数控股份有限公司参观汉诺威 EMO2005 和芝加哥 IMTS2006 的观感，以及我们长期以来对数控技术发展 动态的关注，对上述数控技术的发展趋向作一探讨。 数控系统体系结构向基于 PC 的全数字化开放体系结构方向发展。 .1 基于基于 PCPC 的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力. 从两次机床展上可以看到，著名厂商的高档数控系统都以基于 PC 的开 放数控系统为主流. SINUMERIK 840Di sl 是基于 PC 的数控系统，其软件系统MMC(人机 通信)软件系统、NC(数字控制)软件系统、PLC(可编程逻辑控制)软件系统 和通信及驱动接口软件中的 MMC 软件系统采用 Windows NT 或 XP 操作系 统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用 Windows 技术 改变人机界面(HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控 核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整. FANUC 16i/18i/21i/30i 系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档 CNC 系统，其硬件结构采用 CNC 内建 PC 型式，NC 卡完成高实时性要求的 数控运算和 PLC 控制功能，PC 完成操作界面、编程、数据管理、网络等 相对弱实时性要求功能。操作系统采用 Windows 2000/XP 或 Windows CE。备有 C 语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。CNC 系统与主 计算机的连接接口采用高速串行总线(HSSB)。FANUC 300i/310i/320i 系 列采用 Windows CE 作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开 发. HEIDENHAIN 公司推出的最新一代 TNC 控制器 iTNC 530 采用全新的微 处理器结构，具有非常强大的计算能力，可控制 12 轴，控制器本身包含 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 6 主机单元和控制单元两个部分。主机单元采用 Intel 处理器以及 AGP 图形 显示卡，并带有各类数据通信接口(Ethernet/RS232/RS422/USB 等)，是 典型的基于 PC 的系统. FAGOR 公司最高档数控系统 CNC8070 是 CNC 技术与 PC 技术的结晶， 是与 PC 兼容的数控系统，采用 Pentium CPU，可运行 WINDOWS 和 MS- DOS，可控制 16 轴+3 电子手轮+2 主轴，可运行 VISUAL BASIC，VISUAL C+，程序段处理时间1ms，PLC 可达 1024 输入点/1024 输出点，执行时 间 1ms/1k 指令，具有以太网、CAN、SERCOS 通讯接口，可选用10V 模拟 量接口.能在基于 PC 的体系结构上设计出世界顶级数控系统，说明基于 PC 结构的开放数控系统具有很强的生命力。 .2 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势全数字化是未来数控系统发展的必然趋势. . 全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的， 而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数 字化接口、驱动单元内部三环(位置环、速度环及电流环)数字化，是数控 系统全数字化的重要标志。 1) 编码器到伺服的接口数字化也必将获得发展 编码器到伺服驱动的数字化接口虽然只在 Heidenhain 的系统中得以实 现，但作为数字化数控系统的必要构成环节，未来将获得更多发展。 2) 驱动单元三环全数字化是全数字化的重要内容 . 三环(位置环/速度环/电流环)数字化是全数字化的重要内容。 HEIDENHAIN iTNC 530 控制单元最新的设计中集成了控制系统所有伺服控制 回路(位置环/速度环/电流环)，所有伺服计算都在 DSP(数字信号处理器)中 完成。测量组件的反馈均集成在控制单元上，包含位置反馈和速度反馈。 .3 多通道软件体系结构是适应整合多通道软件体系结构是适应整合数控机床数控机床的不二选择的不二选择. . 针对制造业对整合数控机床(即融合工业机器人、影像处理系统和精 密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自 动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断和联网等功能)的 巿场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴(包括多主轴)多通道控制、轴同 步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究点。同 步控制可以令不同通道的运动轴按照某种时序关系或某种条件达到同步， 混合控制可让一个轴的混合命令在各通道之间进行交换，阀加控制能把一 个轴的移动命令叠加到属于另一通道的另一个轴上去.如 Fanuc 30i 系统， 具有 10 通道，八根主轴，可控进给轴数达 32 根，可联动控制进给轴数达 24 个，能同时运行十个独立的数控加工程序，具有轴同步、混合、叠加 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 7 控制等功能。基于此系统，FANUC 公司推出了四个搬运机器人、一套天车 输送线、外加两部六腿切削加工机器人的整合加工系统。整个系统动作协 调、有序，衔接顺畅，体现了典型的多通道数控系统的特徵. .4 网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发 展展. . 1) 以太网接口已成为数控系统与外部计算机联网通讯的主要选择， 零件程序等数据文件的快速网络传输已成为数控系统的基本功能.著名系 统厂的数控系统均具备强大的网络功能，并将以太网接口作为数控系统的 基本配置或选择配置，实现与外部计算机的联网通讯。 SIEMENS 840D 采用 SINDNC 软件模块可将 SINUMERIK 系统快速、简单 和经济地添加到标准的以太网网络中，并与 Windows PC 和 UNIX 工作站之 间建立稳定的连接，还可以使用标准 CF 卡进行程序与数据的传输。集成 的以太网功能保证了数控系统文档与计算机之间的快速传输，其满量程的 传输速率是标准串行口的 100 倍. FANUC 16i/18i/21i/30i 系列 CNC 系统与企业主计算机之间的接口协 议采用 DNC1 或 DNC2。DNC1 是 FANUC 自行开发的实现 CNC 与主计算机之间 传送数据信息的一种通讯协议及通讯指令库，一台计算机可连 16 台 CNC 机床。DNC2 功能与 DNC1 基本相同，但通讯协议不同，用的是欧洲常用的 LSV2 协议，一台计算机可连 8 台 CNC 机床，通讯速率最快为 19Kb/秒。此 外，FANUC 系统还提供了两种以太网口：PCMCIA 卡和内埋的以太网板。 PCMCIA 局域网卡可临时插入显示装置侧的插槽，用于连接 PC 机，传送数 据，调整机床参数或作一些维护，用完后即可拔下；高速以太网板(100 Mbps)是装在 CNC 系统内部的，因此可长期与主机连结，用于传输零件程 序和检查机床工作状态. HEIDENHAIN iTNC530 所配备的“高速以太网”通讯接口能以 100Mbit/s 的速率传输程序数据。 Rexroth 公司的数控系统在各个层面上采用通用通讯机制：外部计算 机级，基于工业 PC 的开放式体系结构，提供了简单有效的外围计算机通 讯方法，如以太网 TCP/IP，OPC 以及 COM/DCOM 的 Windows 访问机制；HMI 级基于 Windows XP 或 Windows CE.NET 等操作系统，使用如 Microsoft network 等标准网络，轻松实现数据交换；I/O 级使用诸如 PROFIBUS-DP 或 DeviceNet 等世界通用标准，连接传感器等 I/O 设备；驱动级使用诸如 SERCOS 等国际标准接口，以获得高的动态特性和精度。 2) 加工过程的网络监控允许对整个工厂进行网络管理，远程网络服 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 8 务使系统厂和用户双双受益,数控系统有了网络功能后，可方便实现其网 络监控、维护与管理。 SIEMENS 基于 internet 的“ePS”(电子产品服务)软件方案，可以通 过互联网访问 Sinumerik 810D/840D/840Di 控制系统，通过其 CM(Condition Monitoring状态监控)系统在线连续监控数控系统的轴 状态、PLC 状态等，并评估机床状况、分析相关的机床参数，实现远程诊 断、维修服务，防止早期故障引起的意外停机，减少检修停工期，增强可 靠性，提升机床有效性，提高生产率，降低维护费用。 FANUC 系统通过高速以太网板，实现对机床侧运行状态实时的集中监 控；通过工厂网络，CNC 可同时连接到机床和办公室，这种连接允许对整 个工厂进行管理，以提高生产率；通过互联网，在工厂外或家里，亦可远 程监控机床工作状态；使用机床远程诊断软件包，机床制造商能方便地构 建远程机床维护系统，不用去现场即可检查故障(问题)产生的原因(状况),减 少停机时间，机床制造商还可提高服务效率。FANUC 通过运行于 PC 上 CIMPLICITY i CELL 软件包，可实现多台联网 CNC 的管理. .5 高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题. . 1) 高速、高精度已成为高档数控机床的主要特征. 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产 品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与 柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对 高速高精度控制的追求。 在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到 23g，快速移动 速度提高到 150200m/min。在这些高速高精度数控机床中，有一部分是 利用直接驱动技术，但随着滚珠丝杠技术的发展，大导程高精度的滚珠丝 杠也已大量应用到高速高精度数控机床中，实现了加速度 11.5g，快速 移动速度 120150m/min。为了能够优化金属切削的加工过程，现代化的 加工将越来越多地采用高性能切削(High Performance Cutting)。HPC 技 术不仅要求提高切削速度(即提高主轴转速)，而且要求提高刀具的进给速 度。目前生产效率低的问题，不单在于刀具的切削速度低，也不单在于刀 具的进给速度低，而在于针对给定的材料和其它条件，如何将刀具切削速 度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削(HPC)。除了从软的方 面得到高性能切削外，人们还从硬的方面追求高速切削(HSC)，如提高刀 具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下 的切削功率和旋转扭矩，这些指标对生产过程的经济性也有着举足轻重的 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 9 影响，它可以使金属切削加工更快、更好、更经济。 在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级(0.01mm)提升到 微米级(0.001mm)。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。 数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速 高精动态特性控制技术等提出了更高的要求。 2) 数控系统高速、高精度控制的主要措施. 各著名数控系统厂商对高速高精性能的追求始终是坚持不懈的，根据 自身特点，各自采取了提高高速高精性能的各种措施. FANUC 公司 FANUC 公司一直走在数控技术的前沿，并不断提出新的概念来引导数 控技术的发展，除纳米插补，纳米 CNC 系统等概念外，在高速高精方面又 推出了以下较新的技术:HRV(高响应矢量)4 控制技术. HRV4 继承并发展了 HRV3 的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制， 并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令； 超高速伺服控制处理器；ai 高分辨率的脉冲编码器(16 million/rev)； 防止机械振颤的 HRV 滤波器. MTC(Machine Tip Control):为了控制机床在加工点处的振颤，FANUC 研究了机床顶部控制(MTC)和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率。 采用 MTC 后可明显减小机床振颤。 反向间隙加速功能:由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞 后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改 善象限尖峰，提高加工精度. MPC(Machining Point Control加工点控制):采用 MPC 功能，可在 加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度. SIEMENS 公司: 西门子公司对高速高精度位置控制的本质有着精辟的理解：通过避免 机床振颤来优化工件表面的加工质量；通过增加对加加速度控制能力，提 高机床动态响应能力；通过增加加速度提高加工速度等。 HEIDENHAIN 公司: 号称在欧洲数控系统销售第一的 HEIDENHAIN 公司，由于多年来从事 精密模具加工，对加工速度及精度的提升有着深刻、独到的见解。 HEIDENHAIN 公司研究了不同分辨率的码盘对扭矩脉动的影响，并提出了 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 10 使用高分辨率的编码器有利于减小转矩脉动的影响。另外，HEIDENHAIN 还对机床运行时间和丝杠温升变形规律进行研究。 综上所述，各数控系统厂商对高速高精度控制的理解基本上是相同的， 而且对动态精度的提高非常重视，所采取的主要措施体现在以下方面. 1) 高速下的平滑控制. 通过对运动速度、加速度、加加速度的优化，减少机床振颤，使加工 更加平稳,获得更高的加工表面质量。如 HEIDENHAIN 采用高分辨率的反馈 器件减小转矩脉动，FANUC 利用 MPC 技术减少机床振颤. 2) 提高系统的快速响应能力. 提高系统的快速响应能力不仅是高速加工的前提，也是保证精度的有 利措施。如 FANUC 采用 HRV4，反向间隙加速等方式减少因响应滞后带来 的误差. 3) 提高数据分辨率. 以纳米级的分辨率参与到各个环节，如：FANUC 系统的纳米插补技术。 .6 智能化控制是提高数控加工效率的有效手段智能化控制是提高数控加工效率的有效手段. . 由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂 过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化 因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化， 基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加 工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙 度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率. 在芝加哥 IMTS2006 上，加拿大英属哥伦比亚大学 Yusuf Altintas 教 授展示的切削参数优化系统，采用现代测试技术检测机床的各项运行参数 和动态参数，并结合 CAD/CAM 技术，经过优化计算，合理地将刀具参数、 机床参数以及被加工材料性能参数结合起来，得到刀具轨迹和运行参数， 极大地提高了切削加工的效率和刀具的使用寿命。据介绍北美几大飞机制 造企业和汽车企业应用了他的智能切削系统后，平均切削效率提高了 8 倍， 平均刀具寿命提高了 20 倍. .7 CAD/CAD/CAMCAM 与与 CNCCNC 的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径. . 国际主流数控系统厂商在研制最新数控系统的同时，都非常注重对 CAD/CAM/CNC 集成技术的开发，并明确的将图形化、集成式的编程系统作 为扩展数控系统功能、提高数控系统人机交互方式友好性的重要途径。 SIEMENS 的 Shop Turn、Shop Mill 车间级集成式编程系统，FANUC 公司的 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 11 集成式编程系统，HEIDENHAIN 公司的对话框式集成编程系统等，都已成 为各公司历次展会宣传的重点. 总之,高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国 防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出 口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高 端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的 大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设 和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。 1.51.5 数控机床的升级（五轴联动）数控机床的升级（五轴联动） 我国现有数控机床主要以经济型数控系统和数控机床为主，只适应于 形状简单的直线，斜线等类零件加工，对于那种复杂的型面却只能用手动 加工，这对于产品多样化和产品更新可以及效率高的年代已经不再适应。 为适应生产的发展，必须对现有的机床进行升级。在我国，从经济和 技术角度出发，对数控机床的升级主要是对机床的性能和功能方面的增加。 在现有的 3 轴联动机床的工作台上增加一个旋转数控工作台（一台带有两 个旋转自由度的数控回转工作台） ，再通过对数控系统的升级改造使该机 床成为五轴联动的数控机床。 设原镗床旋转刀具的轴线为 Z 轴，水平方向平行于工作台装夹面的方 向为 X 轴，并且与 Z 轴垂直，确定了 X,Z 轴正方向后，可以根据右手螺旋 定则确定 Y 轴的方向。两个旋转轴 A 与 X 轴平行，B 与新工作台垂直，他们的原点 都在 Y 轴上（如下图）其中 B 轴是随 A 轴 的旋转而随时变化。 该数控机床的工作台不仅可以沿 X、Y、Z 方向做平行移动，还可以沿 A、B 方向旋转进给或者分度运动，升级后的数控机床，它的新工作台可 以和原来的工作台作为一个整体，既可以做 3 坐标的直线运动，还可以做 绕 3 坐标中的两个做旋转进给运动或分度，因此该机床的适应范围很广， 不仅适合于简单的直线，斜线，圆弧加工外还能适应那些更复杂的曲面以 及球面零件的加工。如沈阳机床股份有限公司开发的五轴车铣中心。刀库 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 12 容量 16，数控系统：Siemens840D，可控 X、Y、Z、B、C 五个轴，具有车 削中心加铣削中心的特点。上海重型机床厂开发的双主轴倒顺式立式车削 中心，第一主轴正置，第二主轴倒置。主轴具有 C 轴功能，采用 12 工位 动力刀架，具有自动上下料装置和全封闭等多道防护装置，可一次上料完 成零件的正反面加工，包括车削、镗孔、钻孔、攻丝等多道工序。适用于 大批量轮毂、盘类零件加工。 第第 2 2 章章 电动机的选择与控制电动机的选择与控制 本设计中选择式步进电机来驱动工作台。 因为本电机驱动工作台是在控制系统控制下作进给运动的，采用开 环控制。 1转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制； 2有定位转矩； 3可构成廉价的开环控制系统。 2.12.1 步进电动机的特点与种类步进电动机的特点与种类 .1 步进电动机的特点步进电动机的特点 步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位 移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，既每当电动机的绕组接受 一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分 别与输入的电脉冲数与频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控 制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得 所需的转角，转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有 以下主要特点： ）步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的 波动，电流的大小与波形的变化，温度等）的影响，只要在他们 的大小未引起步进电动机产生“丢失”现象之前，就不会影响其 正常工作； ）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定的步数以后也会 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 13 出现累计误差，但转子转过一转之后，其累计误差就会变为“零” ，因此不会长期积累； ）控制性能好，在启动，停止，反转时不易“丢失” 。 因此，步进电动机被广泛应用于开环控制的机电一体化系统，使系 统简化，并可靠的获得较高的位置精度。 .2 步进电动机的种类步进电动机的种类 步进电动机的种类很多,有旋转式步进电动机,也有直线步进电动机; 从励磁相数来分有三相,四相,五相,六相等步进电动机.就常用的旋转式步 进电动机的转子结构来说,可将其分为一下三种: ）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型 该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形 转子作步进驱动,故又称作反应式步进电动机,其结构原理为:其定子与转 子由铁心构成,没有永久磁铁,定子上嵌有线圈,转子朝定子与转子之间磁 阻最小方向转动,并由此而得名可变磁阻型.这类电动机的转子结构简单, 转子直径小，有利于高速下的响应.由于 VR 型步进电动机的铁心无极性, 故不需要改变电流极性,为此多为单极性励磁. 该类电动机的定子与转子均不含永久磁铁,故无励磁时没有保持力. 另外,需要将气隙做得尽可能小,例如几个微米.这种电动机具有制造成本 高,效率低,转子的阻尼差,噪声大等缺点. ）永磁(PM-Permanent Magner)型 PM 型步进电动机的转子采用永久磁铁,定子采用软磁钢制成,绕组轮 流通电,建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩,这种 电动机采用了永久磁铁,即使定子绕组断电也能保持一定转矩,故具有记忆 能力,可用作定位驱动.PM 型电动机的特点是励磁功率小,效率高,造价便 宜,但由于转子磁铁的磁化间距受到限制,难于制造,故步距角较大. ）混合(HB-Hybrid)型 这种电动机转子上嵌有永久磁铁,故可以说是永磁型步进电动机,但 从定子和转子的导磁体来看,又和可变磁组型相似,所以是永磁型和可变磁 组型相结合的一种形式,故称为混合型步进电动机,它不仅具有 VR 型步进 电动机步矩角小,响应频率高的优点,而且还具有 PM 型步进电动机励磁功 率小,效率高的优点.它的定子与 VR 型没有多大的差别,只是在相数和绕组 双回转数控工作台的设计 机械工程及自动化 14 接线方面有其特殊的地方,例如,VR 型一般都作成集中绕组的形式,每极上 放有一套绕组,相对的两极为一相,而 HB 型步进电动机的定子绕组大多数 为四相,而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组,按正反脉冲 供电. 这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距 角的大小,可制造出步距角较小的电动机.永久磁铁也可磁化轴向的两极, 可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机. 2.22.2 步进电动机的选择步进电动机的选择 本设计选用反应式步进电动机，其技术性能数据如下： 型号： 75BF001 相数： 3 步距角： 1.5/ o （） 电压: 24V 相电流: 3A 最大转静矩 : 0.392（N.M） 空载起动频率: 1750 步/S 电感: 19mH 电阻: 0.62 分配方式: 三相六拍 外形尺寸: 75x53(6) 转子动惯量： 1.274 52 10.Kg m 重量： 1.1（Kg） 2.32.3 步进电动机的控制步进电动机的控制 .1 步进电动机的速度控制步进电动机的速度控制 控制步进电动机的