（机械电子工程专业论文）单轴数控及其在肘杆机构中的应用.pdf

东南大学硕学位论文 单轴数控及其在肘杆机构中的应用 张伟指导教师：王兴松 东南大学机械工程学院南京2 1 0 0 9 6 摘要 数控技术在现代制造业中得到了广泛的应用，当前制造技术正在向高速度、高精度、柔 性化和智能化方向发展，传统的数控系统难以满足用户的需要，而开放式数控系统解决了传 统封闭式数控系统兼容性差、功能不易扩展，人机界面不灵活等问题，是现代数控系统的发 展方向。单轴数控系统在许多领域应用广泛。 本论文通过对当前开放式数控系统组成形式的分析，结合教学实际，构建了基于p c + 运 动控制器的具有双微处理器，主从式结构的单轴数控系统。详细介绍了该系统硬件的组成、 结构和控制系统核心一专用运动控制芯片m c x 3 1 2 的结构和功能：具体分析了单轴数控系统 的系统软件功能、工作原理和实现方法。 肘杆机构广泛应用于机械压力机的制造中，本文将单轴数控系统应用于肘杆压力机的伺 服控制，详细地介绍了用解析法对肘杆机构进行运动分析的过程，从正向和逆向计算出曲柄 转角与滑块位移的关系，推导出了一系列的公式；还介绍了机构的力分析，推导出了求解压 力机主动曲柄上的所需平衡力矩的表达式。结合实际，在w i n d o w s 操作系统平台上，用 b o r l a n dc + + b u i l d e r 开发了肘杆压力机伺服控制的数控软件。软件编写中采用了分层、模 块化和面向对象的设计思想使得用户界面友好，操作方便，具有加工方式可选( 单次、连 续和手动) 、坐标位置实时显示、n c 代码编译等功能。最后分析了本数控系统的不足，提出 了进一步工作的改进方向。 关键词：数控系统运动控制肘杆机构伺服压力机 东南大学硕士学位论文 s i n g l e - a x i sc n cs y s t e ma n d i t sa p p l i c a t i o n i nt o g g l em e c h a n i s m b yz h a n g w e i s u p e r v i s o rw a n gx i n g s o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ，c h i n a a b s t r a c t n o w a d a y s n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi s w i d e l y u s e di nm a n u f a c t u r ea n dt h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p i n gr a p i d l yt o w a r d sh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n , h i g hf l e x i b i l i t y a n di n t e l l i g e n c e s i n t h et r a d i t i o n a in u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc n o tm e e t 山ei l s t w s r e q u i r e m e n t s ，o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sp l a y i n gm o r ei m p o r t a n tr o l et h a nt h et r a d i t i o n a l c l o s e ds y s t e mi nc o m p a t i b i l i t y , e x t e n s i b i l i t yo fi t sf u n c t i o n f l e x i b i l i t ya n ds of o 咄t h eo p e ns t y l e t e c h n o l o g yh a sb e a x 1 _ gd o m i n a n ti nm o d e m n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m r e s e a r c hi n t ot h es f f o c t m eo ft h eo p e nc n cs y s t e mh a sb e e nd o n e c o m b i n i n gw i t ht h e a u t h o r sp r a c t i c a lt e a c h i n g b a s e do np ca n dm o t i o nc o n t r o l l e r , s j n g i e - a x i sc n cs y s t e mw i t h d o u b l em i c r o p r o c e s s o r sa n dh a r d w a r es t r u c t u r eo fm a s t e r - s l a v ei sb r o u g h tf o r w a r d ，i nw h i c hp c a c t sa sm a s t e rc o m p u t e ra n dm o t i o nc o n t r o h e ra c t sa ss l a v eo n e t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h e o p e nc n cs y s t e ma n dt h es p e c i a lm o t i o nc o n t r o lc h i pm c x 3 1 2a r ee x p l a i n e di nd e t a i la sw e l la s s o f t w a r ef u n c t i o n ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h es i n # e a x i sc n c s y s t e m t o g g l em e c h a n i s mi sw i d e l yu s e di nb u i l d i n gm e c h a n i c a lp r e s s i nt h i sp a p e rt h es i n g i e - a x i s c n cs y s t e mi sd i s c u s s e dt ob ea p p l i e dt os e r v oc o n t r o lo ft h ee l b o wt o g g l el i n kp r e s s i na d d i t i o n , t h ek i n e t i cp r o c e s so ft o g g i em e c h a n i s mi sg i v e nb ym e a n so fa n a l y t i ct h e o r yi nd e t a i l ，i n c l u d i n g t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc r a n ka u i g l ea n ds l i d ep o s i t i o nf r o mp o s i t i v ed i r e c t i o nt ot h en e g a t i v eo l l e a n das e r i e so ff o n n u l a sb yr e a s o n i n g t h ea n a l y s i so fk i n e t i cp r o c e s so f t h em e c h a n i s ma n d t h e e x p r e s s i o n t o c a l c u l a t i n g e q u i l i b r a n t m o m e n to f i m p o r t i n g i n i t i a t i v ec r a n ki s d e s c r i b e d c o m p a r i n gw i t ht h ep r a c t i c a lo p e r a t i o n ，w e v ed e v e l o p e dt h ea p p r o p r i a t i v ec n cf o r s e r v op r e s sw i t hb o r l a n dc + + b u i l d e ro nt h e p l a t f o r mo fw i n d o w so s i np r o g r a m m i n g , m o d u l a ra n dl a y e rs t l u c t u r cw i t ht h ed e s i g ni d e ao fo b j e c t - o r i e n t e da r ea d o p t e d ，w h i c hm a k e si t f r i e n d l ya n dc o n v e n i e n tt oo p e r a t ea n dc o n t r o lo nu s e r i n t e r f a c eo ft h es o f t w a r ew h i c hp o s s e s s e s f u n c t i o n so fc h o o s i n gp r o c e s s i n gm o d ef r o mt h es i n g l e ，c o n t i n u o u sa n dm a n u a l ，d i s p l a y st h e c o o r d i n a l er e a l - t i m e 】o c a t i o na n di sc a p a b l eo fc o m p i l i n gn cc o d e a tt h ee n do ft h i st h e s i s t h e a u t h o rc o n c l u d e ss o l l l ei n s u f f i c i e n c i e so ft h es y s t e ma n dp u t sf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n to ff u r t h e r t a s k k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，m o t i o nc o n t r o l ，t o g g l em e c h a n i s m ，s e r v op r e s s j i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 控5 孝日期：丝学目 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名卜盗j 蒸导师签名：期：矽 7 j 弼月 第一章绪论 1 1 数控技术及数控系统 第一章绪论 数控技术是数字控制( n c ，n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术的简称，它是一种用数字化的信息( 数 字、字母和符号) 对某一工作过程进行可编程的自动控制技术。它所控制的通常是位置、角度、速 度等机械量或与机械能量流向有关的开关量。现在，数控技术也叫计算机数控技术( c n c ) ，它是采用 计算机实现数字程序控制的技术，这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功 能。 数控系统即数字控制系统，广义上是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成的系统。狭 义上指机床数控系统即用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的系统。它是数控技术的 载体。 数控系统一般包括程序、输入输出设备、c n c 装置、可编程逻辑控制器( p l c ) 、主轴驱动装置以及 进给驱动装置等部分，习惯上称之为c n c 系统图1 - 1 为c n c 系统构成框图，数控系统的核心是c n c 装 置。 图1 - 1c n c 系统构成框图 从2 0 世纪5 0 年代的硬件数控到今天的基于p c 的开放式计算机数字控制系统，以硬件构成为标志， 数控系统经历了以下几代变化“： 第一代数控：1 9 5 2 - 1 9 5 9 年，采用电子管构成的专用数控系统( n c ) ； 第二代数控：从1 9 5 9 开始采用晶体管电路的n c 系统； 第三代数控：从1 9 6 5 年开始采用中大规模集成电路的n c 系统； 以上三代数控系统的控制功能主要由系统的硬件来实现，其缺点是明显的，尤其大型复杂的数 控系统，不仅硬件结构复杂，性能有限，开发周期长，成本高，而且其可靠性也随着硬件数量的增 多而大大下降，因此这种数控系统通用性差缺乏柔性，限制了数控技术的发展和推广应用。 第四代数控：从1 9 7 0 年开始采用小型计算机数控( c n c ) ； 第五代数控：1 9 7 4 年，微处理器的出现给数控系统的发展带来了机遇，出现了采用内嵌式微处理器芯 片的计算机数字控制的系统( m i c r o c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 或删c ) 。 近年来，基于个人计算机( p c ) 的c n c 系统得到了很大的发展。1 9 9 4 年基于p c 的c n c 控制器在美国 首先亮相市场，此后这类系统获得了高速的发展成为自有数控以来晟具影响的变革这个发展的 】 东南大学硕士学位论文 热潮就是开放体系结构数控系统的研究与开发。这种基于p c 的开放式数控系统，被称为第六代数控 系统。 1 2 开放式数控系统综述 传统的数控系统一直沿着封闭式结构向前发展。对用户来说，这种封闭式数控系统只是一个被 定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的。这种数控系统的最大缺点是：在原有基础上 很难或几乎不可能再加入新的控制算法和进行新功能的扩展难以得到符合用户个性化需求的最终 产品”。随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善制造过程性能的需求越来越强烈，这种封闭式结 构的局限性日趋明显。为适应不断发展的现代制造技术，未来的c n c 控制器必须能够被用户重新配置、 修改、扩充和改进，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，而不必从头开始重 新设计系统的硬件和软件。要达到这一目的最有效的途径就是实现数控系统的开放性。 数控技术的广泛应用为制造业带来了异常深刻的变革，但是随着计算机技术的迅猛发展，传统 c n c 系统逐渐显示出其不足，即：专用性强软件为系统的制造商所有，不便于功能扩展和各种应用 软件的支撑，移植性差，网络通讯能力差，对机床制造商和用户的水平要求较高等。而现代制造业 的发展，对c n c 系统又提出了更高的要求：从完成功能上看，一方面c n c 系统必须适应d n c c a d c a i 及c i - l s 的发展，有一个可以集成不同开发商提供的软件并适应联网需求的平台；另一方面，随着中 小批量生产的趋势日益增强。以及数控系统在信息、汽车、冶金、航天等行业应用的日盏增多，必 须根据不月的用户需求，迅速、离效、低成本地构筑面向用户的控制系统，这就要求c n c 系统具有模 块化和可重构的特点从使用角度看，新型c n c 系统应能应用于各种计算机软硬件平台上，并提供统 一风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和系统的升级。新一代数控系统开放式数控系 统的提出，正是为了满足数控技术这一发展的要求。 开放式数控系统或数控系统的开放化，就是在通用p c 操作系统的基础上，使用系统所配置的软 件模块和硬件模块( 如运动控制卡) ，机床制造商和用户能够方便地进行软硬件开发，能够追加功能 和实现功能个性化。数控系统能利用p c 高速的分析运算能力，大容量的存储功能，丰富的支撑软件， 图文显示的优势以及组网的灵活性。此外，新型c n c 系统应能运行于不同的计算机硬件平台上，并提 供统一风格的用户交互环境一般地，开放式数控系统应具有以下基本特征“： ( 1 ) 模块化：开放式数控系统首先应当具有高度模块化特征。模块化的含义有两层：首先是数控 功能的模块化，可以根据机床厂的要求选装各个功能；另一层含义是系统体系结构的模块化，即数 控系统内部实现的算法是可以分离的、可替换的。 ( 2 ) 标准化：提供一个标准和规范，确保不同生产厂商的符合规范的构成要素能构成一个完整的 数控系统。标准化的基础是模块化，因为标准的制定要建立在模块合理划分的基础上。 ( 3 ) 平台无关性：平台无关性是指数控系统的控制器不依赖特定的硬件平台和操作系统平台，控 制器与计算机平台之间的接口明确，只要使用具体平台的a p i ( 应用程序接口) 编写接口，在支持a p i 的编译环境中重新编译就可以实现控制器的跨平台移植，这样可以大大缩短控制器及其应用程序移 植的周期。 ( 4 ) 可进行二次开发：开放式控制器应当允许用户进行二次开发。简单的二次开发包括用户根据 实际情况调整系统的参数设置和进行模块配置；进一步的二次开发包括对用户界面的重新设计；更 深层次的二次开发应当允许用户将自己按规范设计的功能部件集成到系统中去。 ( 5 ) 网络化：作为开放式控制器，应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域中的应用。 目前，简单的网络应用尚停留在通过网络向数控系统传递零件程序、加工代码或进行一些远程监控 的工作。随着网络技术逐步融入p c 机及其后续机型网络技术必将融入开放式控制器的体系结构中 2 第一章绪论 未来的开放式控制器可能是在网络技术支持下的多处理器并行计算的控制器网络技术的发展可以 高速传递大容量数据，完全可以适应实时控制的需要，甚至可以传递大量的监控图像 根据c n c 系统的硬件结构与组成，基于p c 的开放式数控系统分为以下四种主要的类型”“”： ( 1 ) p c 连接c n c 型该类型数控系统是将现有原型数控系统与p c 用通用串行线直接相连的一种 组成形式，容易实现且原型数控系统几乎可以不加改动地予以利用，也可使用通用软件，但原型 数控系统部分不能实现开放，且系统地响应速度、通讯速度慢。一些不想改变原数控系统的结构又 想利用p c 资源的数控系统制造商多采用这种形式，如意大利f i d i a 公司等 ( 2 ) p c 嵌入c n c 型这是在原来数控系统大板或总线模板结构基础上加上p c 的主机板，构成多 c p u 系统，p c 只用作人机界面，大容量存贮和通讯，而不直接控制机床，可称之为“含p c ”的数控 系统，这种数控系统的内核保持了原有的封闭性，故只能实现一定层次的开放。以日本f a n l i c 公司、 美国a b 公司和德国s i e m e n s 公司为代表，使用较多。 ( 3 ) c n c 嵌入p c 型将运动控制器或整个c n c 单元( 包括集成的p l c ) 插入到p c 的标准总线插 槽中，p c 机用于人机界面，存贮和通讯，同时又控制机床，就成为地道的基于p c 的数控系统这种 形式中p c 机作非实时处理，实时控制由c n c 单元( 或运动控制器) 来承担，这种方法能够方便地实 现人机界面的开放化和个性化在此基础上，借助于所插入控制卡的可编程能力，能实现系统核心 接口的有限开放。以德国i b h 公司、美国a i 公司为代表，我国的华中i 型也采甩这种类型，这种形 式在开发小型的、专用的、用户定制的机床数控系统时成为主要选择之一，也是目前开放式数控系 统研究最多的形式。 ( 4 ) 全软件型c n c 是指数控系统的各项功能，如轨迹插补、p l c 、伺服控制等任务均由软件模 块来实现，机床的控制信号、传感器信号以及人机接口都用插入p c 总线插槽的标准工业i o 接口卡 完成。这类系统借助于现有的操作系统平台( 如d o s 、w i n d o w s 、l i n u x 等) ，在应用开发软件的支 持下，完全成为了一种通用p c 上运行的标准应用程序。其体系结构面向对象，体现了一种核心级开 放的思想，支持插补策略、运动控制策略( 算法) 的用户定制，功能部件支持网络分布，核心部件 支持即插即用( p l u g & p l a y ) 应该是基于p c 的开放式数控系统的理想形式。但是当前在通用p c 上进行实时处理比较困难，难以利用原型c n c 资源，可靠性也是一个有待于提高的课题。 1 3 单轴数控的研究现状及发展趋势 随着我们国家经济的发展，制造业对加工效率和制造精度提出了越来越高的要求，自动化装备 应用日益广泛，现在数控技术不仅仅应用在机床上，在轻工、化工、包装、纺织、制药等领域都有 广泛应用，在这些领域的自动化控制设备中，除了常见的两轴、三轴等多轴运动控制外，许多场合 仅涉及单轴运动控制问题，比如在压力机、压印机、打码机、磨床、剪折板机、组合机床、数控转 台和自动生产线等控制领域。为了适应竞争以及满足市场的需求，各数控厂家纷纷推出了单轴控制 系统知广州数控设备厂的g s k 9 9 1 单轴数控系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的k 1 s 单轴数控系统、 上海开通数控有限公司的k t ? 0 0 单轴数控系统，南京新方达的c n c - 1 6 d 单轴数控系统。这些单轴数控 系统的大量应用显著提高了生产的自动化，提高了生产效率与产品质量。 在自动化控制设备中采用单轴数控时，由于应用场合与应用要求不同其型式亦多种多样常 见的方案一般用工控机( i p c ) 、数字信号处理器( d s p ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 、单片机( m c u ) 作为控制单元来完成位置或速度的控制”1 。 1 基于可编程逻辑控制器( p l c ) 的单轴数控“” 图卜2 基于p l c 的单轴数控系统 基于p l c 的单轴数控的解决方案，其控制部件采用可编程逻辑控制器p l c ，这种方案的成本较 3 东南大学硕士学位论文 低，而且硬件工作量小：开发周期短。特别适用开关量较多的控制场合，其他高级语言通过复杂算 法才能实现的某些功能，若采用p l c 编程则容易实现，如防止步进电机丢步的加减速控制。基于p l c 的单轴数控功能简单，属于单任务的数控，多用于简单循环的位置控制。 2 基于数字信号处理器( d s p ) 、单片机( m c u ) 的单轴数控 图1 3 基于d s p 勒c u 的单轴数控系统 基于数字信号处理器( d s p ) 或单片机( m c u ) 的单轴数控以数字信号处理器( d s p ) 或单片机 ( m c u ) 作为主控单元，配以周围扩展电路比如存储器、扩展i 0 、键盘显示、总线等接口经济 型数控系统多采用m c s - 5 1 系列单片机或与m c s 一5 1 系列兼容的单片机。最高时钟频率为1 2 4 0 m h z ，单周期指令执行时问为2 5 0 n s l s ，一般用于开环控制中，限制了经济型数控机床性能的提 高。由于d s p 相对m c u 拥有巨大优势，d s p 愈来愈多的用于数控系统的构建，如美国德州仪器公司( t i ) 生产的t 1 $ 3 2 0 系列数字信号处理器，功能强大、全面对机床可进行闭环控制，精密控制“。 3 基于p c ( i p c ) + 运动控制器的开放式单轴数控 图1 4 基于p c + 运动控制嚣的单轴数控 由上文可知，基于p c + 运动控制器的开放式数控系统是当前最为理想的开放式数控系统。运动控 制器是p c 与伺服系统之间的桥梁，p c 机处理非实时部分，实时控制则由插入p c 的运动控制器来承 担可利用运动控制器提供的驱动程序进行二次开发，以满足照设计者要求的运动。 根据运动控制器的控制方法不同，基于p c ( i p c ) + 运动控制器的开放式单轴数控可分为以下三 种形式： ( 1 ) 运动控制器的核心为单片机或微处理器 以单片机或微处理器为核心的控制器具有电路简单、可以实现较复杂的控制算法、具有一定的 灵活性和适应性、提供一定的人机及面管理等功能。在一些性能要求不是很高的场合，是一种普遍 应用的控制电动机的运动控制器。然而，由于微处理器一般采用冯一诺依曼总线结构，处理器的速 度有限。处理能力也有限；而且，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。同时，一般单片机 的集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要的专用外设，比如p w m 产生电路等。因此，基于微 处理器构成的运动控制器需要较多的元器件，这就增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠 性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控制算法如预测性控制、模糊 控制等。 ( 2 ) 运动控制器的核心为数字信号处理器 数字信号处理器d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，采用哈佛结构、流水线技术、硬件 乘法器加法器、具有特殊的处理数字信号的d s p 指令，采用数字信号处理器d s p 为核心的运动控制 器通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规螂、实时的插补运算误差补偿、伺服 滤波算法，能够实现闭环控制“。基于d s p 的控制器系统功能强大，可以大幅度缩小目标系统的体 积减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因 此，目标系统升级容易、扩展性、维护性都很好。同时，d s p 控制器的高性能使最终系统即可满足那 4 第一章绪论 些要求比较低的系统，更可以满足那些对系统性能和精度要求较高的场合需要，是运动控制系统实 现技术的发展方向，在将来的数控应用中，具有广阔的应用前景。 ( 3 ) 运动控制器的核心为专用芯片 采用专用芯片作为运动控制器的核心，早期基于专用芯片的运动控制器大多数只能输出脉冲信 号，工作于开环控制方式。因而这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要求 多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。随着电子技术的发展， 一些公司相继推出高性能的专用控制芯片，如t i 公司的直流无刷电动机控制芯片u c c 3 6 2 6 ，日本n o v a 公司生产的能够同时控制四个轴的可编程运动控制芯片m c x 3 1 4 。u c x 3 1 2 等都具有相应速度快、集成 度高、使用元件少、可靠性好等优点“”：同时专用控制芯片价格相对便宜，进一步降低了晟终系统的 成本，因此具有比较广的应用前景。 本课题研究的是单轴数控系统，鉴于多方面的考虑，采用第三种形式印基于p c + 专用芯片为核 心运动控制嚣的开放式单轴数控系统，专用芯片采用日本n o v a 公司的m c x 3 1 2 芯片 1 4 肘杆机构在伺服压力机中的应用 在金属压力加工领域，机械式曲柄压力机己被成功应用几十年，特别是在大块薄板成型的冷加 工领域中t 曲柄压力机具有特殊的地位。但是对于普通盏柄压力机，由于带动滑块运动的是曲柄连杆 机构，滑块的速度总是按正弦曲线的规律变化，故无法获得适合冷挤压工艺要求的理想速度曲线。既 要发挥机械压力机生产率高的优点，又要获得合乎冷挤压工艺所需的力能特性和速度特性。则必须改 变传统的曲柄连杆机构。因此，出现了专门适用于冷挤压工艺的肘杆式压力机。与曲柄连杆机构相比 在冷挤压设备中采用肘杆机构具有许多优点”“：在工作行程阶段获得符合冷挤压工艺要求的低而均 匀的速度，能保证冷挤压工件的质量。提高滑块空程和回程速度，从而提高生产效率。降低模具与 工件的接触速度，有利于提高模具寿命。减小振动和冲击，使机器工作平稳，噪声降低。降低曲轴 所承受的扭矩既可减小传动机构的零件尺寸和转动件的惯量，又可减小离合器、制动器的尺寸。 用较小的曲柄半径可获得较大的滑块行程，并增大了公称力行程量。总的来说，肘杆式压力执的力 能特性和速度特性最能满足冷挤压工艺的要求，因此，作为一种冷挤压工艺的专用设备获得了广泛 的应用。 肘杆压力机虽然具有以上许多优点，但其行程固定，压力不易控制尤其是当肘杆机构尺寸定 下来后，滑块运动特性也随之固定，不能改变对工艺的适应性差 近年来随着电力电子、电机、变频控制以及其它相关技术的迅速发展。一种新型的电动机即 交流伺服电动机在生产中获得了广泛应用交流伺服电动机是一种受输入信号控制并能作出快速响 应的电动机，其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围内都能输出额定转矩，而且过载能力强， 控制性能可靠响应迅速。因此，交流伺服电动机广泛地应用于自动控制系统、自动监测系统和增 量运动控制系统中，在这些系统和装置中，交流伺服电动梳成为主要的执行元件 同时，以工业p c 机为核心的控制系统广泛地被工业控制领域所接受。通过实践人们将数控技术 与伺服电机结合起来应用到压力机的设计、生产中。将伺服电机引入压力机驱动系统主要有两种方 式： 第一种方式：用伺服电机直接驱动压力机。机械的结构形式与普通机城压力机相同，仅仅将普 通电机换成伺服电机，仍为单自由度机械系统。这种方式通过调节伺服电机的输入可以改善机构输 出的速度特性和动力学性能，且柔性较大，能够满足所给定的各种运动规律，并且可以很容易地满 足停歇运动规律的要求由于在整个工作过程中只由伺服电机来提供动力，伺服电机的功率必须足 够大。以满足实际加( 减) 速度和力矩要求。但伺服电机的功率越大价格越高。使得整个机床的成本 上升。 第二种方式：采用混合驱动机构。用伺服电机与常规电机混合驱动压力机其结构形式与普通 压力机截然不同。常规电机和伺服电机的输入通过一个二自由度机构合成之后驱动滑块往复运动， 5 东南大学硕士学位论文 不仅可以改善输出动力特性，而且能够改变滑块输出运动规律，以满足不同加工工艺的需要。但这 样必然会增加机构的复杂程度，大大降低设备的可靠性和维护性。 此外，还有用伺服电机和较小的飞轮配合作用的压力机方案，邓在传动系统中保留具有适当馁 量的小飞轮，可以选择小容量的伺服电动机，从而使成本降低。但设备的可控性大大降低。 国外方面随着交流无刷电机的发展，日本和美国在9 0 年代初开始进行分别在大变负荷重载机 械驱动的研究。如日本小松公司和村田公司9 0 年初试制了数字化机械驱动的数控回转头压力机和 c n c 折弯机其传动原理为伺服电机加精密螺旋。e n o m o t o 公司在其电动螺旋压力机中，采用了 交流伺服技术，开发了1 0 0 到1 0 0 0 t 的伺服螺旋压力机。美国俄亥俄州立大学的y o s s i f o 和s h i v ，u r i 早在如年代初，就研究了使用交流伺服电动机直接驱动双肘杆压力机。日本a i d a - d a y t o n 工业公司 已开发出一系列能达到8 0 吨公称压力的伺服驱动压力机用于电子产业，在这台设备中，伺服电机取 代了传统的主驱动电机、飞轮、离合器和制动器。经齿轮箱与驱动轴相联伺服电机可通过直接驱 动传动轴来控制滑块行程。2 0 0 3 年，小松公司也开发出一条伺服压力机生产线，在设计中，使用了 2 台伺服电机通过皮带减速带动滚珠丝杠运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动。 国内方面，浙江大学成功的研制了直线电机驱动小型压力机。国内也有人采用了混合驱动机构， 用伺服电机与常规电机混合驱动压力机。在这种方案中常规电机用力传递主要动力，伺服电机则 通过调整五杆机构来控制滑块的位移，以此可以实现冲压工艺的调节但这种方法不但不能提高电 机效率，同时还增加了机构的复杂性。 国内外的研究结果表明采用自适应控制技术，利用伺服电机驱动曲柄滑块机构通过计算机 控制伺服电机的转速，可以精确地控制滑块相对于电机转角的位置，精确地控制压力机冲锤的位置 和速度，满足生产加工工艺对冲锤速度特性的要求。 采用现代的计算机技术对传统的机械设备进行技术改造是机械工业的一种新的发展趋势。进行 这方面的研究可以大幅度提高我国机械压力机的整体水平，为赶超世界先进水平的机械压力机奠定 坚实的基础，提高产品在市场中的竞争力。鉴于传统的机械压力机控制方式浪费了大量能量并产生 大量的噪声及振动污染，伺服压力机计算机控制的研究，在实际生产中将会获得很大的社会效益和 经济效益，也充分体现了绿色制造中的节能、降噪的先进思想“” 本课题研究基于交流伺服电机的数字化机械驱动技术，将单轴数控系统应用于肘杆压力机的控 制，直接采用交流伺服电机作为机械压力机主传动，这将是成形装备的一个重大突破。它是高新技 术( 信息技术、自动控制、现代电工、新材料等) 与传统的机械技术的结合它不但可保留目前机 械压力机生产率高、操作简单的优点，而且可进一步简化压力机结构，克服存在的主要缺点，滑块 特性可变，速度、力量可控。能够大大提高压力机的性能、可靠性和智能化水平，降低能耗，大幅 度减少振动和噪声。 1 5 课题的主要工作 本论文首先对当前开放式数控系统组成形式进行分析，构建了基于p c + 运动控制器的具有双微处 理器、主从式结构的单轴数控系统。研究了基于m c x 3 1 2 的运动控制器的结构、功能及工作原理， 具体分析了单轴数控系统的系统软件功能和实现方法。接着结合肘杆机构在w i n d o w s 操作系统平 台上，用1 3 0 r l a n dc hb u i i d e r 开发了肘车千压力机伺服控制的数控软件。为了控制肘杆机构。论文 采用解析法对肘杆机构进行运动分析，从正向和逆向计算出曲柄转角与滑块位移的关系，推导出了 一系列的公式；为了选用伺服电机，论文对肘杆机构进行了力分析，采用能量法推导出了求解压力 机主动曲柄上的所需平衡力矩的表达式。最后，搭建了肘杆压力机的试验平台，采用开发的数控系 统软件对肘杆压力机模拟机构进行伺服控制达到了预期的效果，为应用于实际生产奠定了基础。 6 第二章肘杆机构的机构分析 第二章肘杆机构的机构分析 2 1 肘杆机构概述 在锻压成型、粉末成型以及印刷设各上工作执行机构常采用肘杆机构来满足工作要求。从机 构学的观点分析，平匾四连杆机构是具备一个自由度、型式最简单的运动机构。多于四杆的机构为多 连杆机构，人们常应用多连杆机构来实现四连杆机构难以完成的各种性能要求。多连杆机构实际上是 在曲柄和带动滑块的连杆之间增加了一些构件( 包括支承点，铰链点、连杆和摇杆等) 这样，曲柄虽 然仍作等角速回转运动，但经过这些增加的构件，改变了滑块的运动规律和受力状态。六杆机构是最 简单的多连杆机构，在实际生产中，特别是在压力机中应用得最早，采用得最多的机构，在曲柄滑块机 构的基础上增加两个构件，即可形成肘杆机构。 实际生产中采用的肘杆机构类型多种多样，总体来讲有以下几种形式“”： ( a ) m ) 图2 - 1 肘杆机构的类型 如图( a ) 所示为等长肘杆机构，即肘杆机构的上、下肘杆等长，且短而租。三根肘轴起传递力的 作用均受到很高的挤压力肘瓦镶在肘杆及滑块的凹面上，工作时承受很大的比压。该肘杆机构 结构紧凑加工简单，装配方便。但其接触面较多，累积误差大，对机构的刚性有一定的影响。等 长肘杆机构的滑块行程和工作行程都很小，工作时滑块在下死点有瞬时保压时间，适用于公称力大、 工作行程小的平面及体积较大的盘形零件的冷挤压。 如图( b ) 所示为不等长肘杆机构，即肘杆机构的上、下肘杆不等长。其刚性较好，有一定的增力 作用。这种肘杆机构对需要中等公称力、行程及受力较大的冷挤压工艺比较适用。 如图( c ) 所示为三角形连杆肘杆机构，即与上、下肘杆连接的曲柄连杆为一三角形状的构件。 前面介绍的两种肘杆机构的上、下肘杆是由一根肘轴直接与连杆相连，而该机构是通过两根肘轴将 7 东南大学硕士学位论文 上、下肘杆及连杆连接在一起。工作时，各根肘轴都承受很大的力这种肘杆机构的最大优点是， 既可增大滑块的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，适合于要求滑块行程及工作行程 较大、受力也大的冷挤压工艺。 另外，在实际生产中根据肘杆的受力状态又可将肘杆机构分为：压力肘杆机构和拉力肘杆机构 根据机构中滑块的位置分为：对中肘杆机构和偏置肘杆机构。在实际生产中为了达到增力的目的还 采用多肘杆机构、复杂肘杆机构。 2 2 肘杆机构的运动分析 机构的运动分析，就是根据原动件的己知运动规律，求出该机构其他构件上某些点的位移、轨 迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。通过对机构进行速度分析可以 了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，还可以了解机构的受力情况。运动分析既可以判断 一个机构的优劣，为选择最好的机构提供依据，同时也是机构动力分析的基础“0 1 肘杆机构属于单自由度的平面连杆机构。平面运动分析的方法主要有图解法和解析法和实验法 三种图解法的特点是形象直观，但作图较繁琐精度不高。图解法常用的方法有：速度瞬心法和 相对运动图解法等实验法需要专门的仪器设备而解析法则可以得到较高的计算精度，尽管其建 立数学关系式时较复杂，计算工作量也较大，但随着计算机的普及和发展，机构运动分析的解析法 发展得很快。 解析法一般是先建立机构的位置方程，然后将位置方程对时间求导得速度方程和加速度方程。 本课题采用解析法进行运动分析。“。肘杆机构的运动规律有两种求解途径嗍： 正向求解法一预先定出应输入曲柄的运动规律，求出滑块的运动特性曲线； 逆向求解法一已知滑块所需要的运动特性，反推应输入曲柄的运动规律。 2 2 1 正向运动分析 根据曲柄的运动规律，求出滑块的运动特性曲线。 图2 - 2 压力肘杆机构 8 第二章肘杆机构的机构分析 1 滑块位移j 与曲柄转角口的关系 由图2 2 可知，滑块位移，和曲柄转角a 的关系比较复杂。按下面的思路分析它们之间的关系，先 建立滑块位移s 与摇杆摆角p 之间的关系即j 一，( p ) ；再建立摇杆摆角岿曲柄转角口的运动关系即 p 一，o ) ；最后综合而成滑块位移s 和曲柄转角a 的关系j - ，( 口) 。 解释方式这是较为传统的数控系统的解释方法，大部分数控系统都采用这种方法，它是对数 控加工程序逐条进行解释、插补和控制，即在插补定时中断的同时，解释程序预先解释下一条程 序，等本条程序插补完成以后，再将下一条预先解释好的程序的结果放到插补模块中。这种方法 实现起来比较简单，但存在难以克服的缺点，主要是这类数控系统的各模块问的控制是顺序控制 的如果对一个程序段的解释过程较慢而使机床具有一定的等待时间，那么加工出来的工件就会 出现明显的租糙度，且加工效率低，运算的速度可能限制执行机构的移动速度，不易处理各程序 问的转族，易形成停顿与过冲，程序在中间部分出现的错误将使尚未加工完整的零件报废。虽然 压力机不需要进行插补，但如此方式实时性就大为降低。 编译方式编译程序预先对要加工的程序全部编译1 ，将结果放到缓冲区中当开始加工时， 直接启动插补中断程序，从缓冲区中取出编译好的数据进行计算并控制加工，这种方法加工速 度快、效率高，在基于p c 豹数控系统上应用较为广泛。因为如果数控程序很大，如采用c a d c a m 技术直接生成的数控程序就有可能达到1 m 以上，复杂的大型零件甚至能够达到十几兆，这样编 译方式的译码程序就需要系统有较大的内存容量。同时也容易造成系统资源的紧张，降低系统总 体性能。 解释一编译方式译码程序第一次扫描加工程序时，主要进行程序格式分析以及主词法分析， 并进行词义考察，但通常并不处理有关的数据，若加工程序没有语法格式错误，则进行第二次扫 描即译码与数据处理工作。译码一般分为四个步骤：程序装入、语法检查、解释和数据处理。 在w i n d o w s 系统下，可以按上述四个步骤分为四个子过程，它们之间通过w i n d o w s 进行消息传递， 一旦c p u 有空闲时间，译码程序即被激活。首先，译码程序对多个程序段进行译码，将结果存入 缓冲区中，并置相应的标志f i a g = l ，当要求的程序段都完成译码工作，等缓冲区都填满数据后， 再依次进行数据处理其中包括一些必要的计算如位移量转换为脉冲量、滑块速度转换为脉冲输 出速度等，进行数据处理的数据取自译码结果缓冲区，处理结束后仍然放回原来的缓冲区，同时， 一个缓冲区进行完数据处理后，其标志f l a g = 2 。当插补程序启动后，一旦检测到f l a g = 2 ，即表 3 8 第四章单轴数控系统的软件结构设计 明有准备好的数据，则取出相应缓冲区的信息用于控制机床的运动。当插补程序执行完数据后， 置相应的缓冲区的标志f l a g = o ，使执行完的缓冲区供译码程序使用。运动进行的同时数据处理 程序继续对缓冲区的内容进行数据处理，如此循环，直到将一个数控程序执行完 目标码编译数控加工程序，一般都是采用原代码的形式存储的，对每个程序段的解释就是对 每个字符串的翻译，包括控制命令字识别，字符串转换为数字，运动方向判别等，然后转换成可 供伺服电机运行的目标代码。每次运行程序都要执行一次解释程序，不仅在时间上造成浪费，也 不利于提高整个数控系统的运行效率而目标码编译则是将原代码直接转换成伺服系统可执行的 目标码，每个控制命令都有不同的目标码，例如程序暂停指令m o o 的目标码可以定义为0 1 h ，要 执行一个零件加工程序，只需要在开机后的首次进行编译，然后将得到的目标码存放在r a m 中， 这样下次加工同样的零件时，则无需再次对原零件程序进行编译，直接执行目标码即可。而且， 当加工程序处于调试阶段时可在程序修改完成的第一试运行期间，将每一步状况加以记录，