（机械电子工程专业论文）数控机床伺服进给cad系统的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生毕业论文 第1 页 摘要 lc a d c a m 技术是一项能提高产品质量、缩短产品开发周期和降低劳动 强度的新兴技术。它的研究与应用水平是衡量一个国家科技进步的重要标志 之一，更是现代机械制造业急需解决的当务之急。厂7 本文理论联系实际，遵循软件工程的原则和方法，创建了数控机床伺服 进给c a d 系统的总体框架。它采用了面向对象编程( o o p ) 技术、b o d a n dc + + b u i l d e r5 0 数据库引擎( b d e ) 、参数化建模技术和三维实体造型技术，完成 了伺服进给系统的四大部分功能：即图形用户界面模块、设计计算模块、数 据库管理系统模块以及图形系统模块。 其中界面系统部分进行统一的界面管理并组织相应的接口程序；科学计 算部分承担伺服进给系统结构选型、零部件选取和校核计算；图形系统能根 据计算部分的结构参数绘制出相应的各部件设计图纸及装配图；数据库负责 保存相关的设计数据、图表和绘好的图表。整个系统采用集成化技术，通过 若干个接口程序，将设计系统、核心数据及图形系统集成在一个统一的用户 环境中。 f 该伺服进给c a d 系统具有使用方便、自动化程度高、可扩充的特点， 能提高数控机床伺服进给系统的设计水平、质量和效率、降低设计人员的劳 动强度，具有很高的使用价值和广阔的应用前景。纱 关健词t 伺服系统、c a d 、面向对象、参数化建模技术 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 i 页 a b s t r a c t c a d c a mt e c h n o l o g yi sae m e r g i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a ni m p r o v et h e p r o d u c tq u a l i t y ，s h o r t e nt h ec y c t eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，a n d r e d u c et h et a b o r i n t e n s i t y i t sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nl e v e li sn o to n l yo n eo fi m p o r t a n ts y m b o l s e v a l u a t i n gt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s so f ac o u n t r y , b u ta l s oau r g e n t a f f a i r so f m o d e mm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g i nn e e d o f b e i n g r e s o l v e d t h i s p a p e ri n t e g r a t e s t h e o r yw i t hp r a c t i c e ，f o l l o w s t h e p r i n c i p l e s a n d m e t h o d so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，s e t u pt h ec o n s t i t u t e sf r a m eo fn cm a c h i n e s e r v of e e dc a d s y s t e m a n df i n i s h e s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff o u r m o d u l e so fs e r v of e e dc a d s y s t e m ，s u c ha sg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c em o d u l e ， d e s i g n a n dc o m p u t em o d u l e ，d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e ma n dg r a p h i c s s y s t e m b yu s i n g0 b j e c to r i e n tp r o g r a m m i n g ( o o p ) t e c h n o l o g y , b o r l a n dc 十+ b u i l d e r5 0d a t a b a s ee n g i n e ( b d e ) ，p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e lt e c h n o l o g ya n d 3 ds o l i dm o d e l i n gt e c h n o l o g y o ft h o s e ，t h em a i nf u n c t i o no fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c em o d u l ei st o m a n a g eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n d i n t e r f a c ep r o g r a m m i n g t h em a i nf u n c t i o n o fd e s i g na n dc o m p u t em o d u l ei st ot a k i n go ns e l e c t i n gt h ec o n s t r u c t i o n ，t h e p a r t s a n dc h e c k i n gt h ed e s i g nr e s u l t so fs e r v of e e dc a d s y s t e m t h em a i n f u n c t i o no fg r a p h i c ss y s t e mi st od r a wt h ea s s e m b l yg r a p h i c so fs e r v of e e d s y s t e mb y t h ed e s i g nr e s u l t s t h em a i no fd a t a b a s ei st os a v ea n dg i v et h ed e s i g n r e s u l t s ，g r a p h i c sa n d t h ea s s e m b l y d r a w i n g s t h es y s t e mi n t e g r a t e sd e s i g ns y s t e m ， k e yd a t u ma n dg r a p h i c ss y s t e mi n t oac o n s i s t e n tu s e rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t b yu s i n gi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya n d af e wi n t e r f a c ep r o g r a m m i n g t h ec a d s y s t e mh a st h ef e a t u r e so fh i g hc o n v e n i e n c e ，h i g ha u t o m a t i o n d e g r e e ，h i g he x p a n s i b i l i t ya n d c a ni m p r o v ed e s i g n e f f i c i e n c ya n dp r o d u c t i o n q u a l i t ya n d r e d u c et h ec o s ti nd e s i g na n d p r o d u c t i o n s i m u l t a n e o u s l y , i th a sv e r y k g h u s ev a l u ea n dw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：s e r v os y s t e m ，c a d ，o b j e c t - o r i e n t e d ，p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l t e c h n o l o g y 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 1 1 论文的选题 第1 章绪论 近年来，随着计算机技术及其相关技术的迅速发展，计算机辅助设计 ( c a d ) 在工业技术领域获得了越来越广泛的应用。 c a d 技术的应用和开发彻底改变了传统设计方法，无论在设计速度、设 计精度、出错率等方面，均具有传统设计方法无法比拟的优点。它能减轻设 计者的脑力劳动、提高工业产品的设计质量、缩短产品研发周期以及实现设 计的科学性和创造性，是加速产品更新换代及提高市场竞争力的一项关键技 术和强大工具。 在机械设计领域，机械工业的发展对机械产品提出了越来越高的要求， 设计工作也愈来愈复杂，传统的设计方法渐渐不能适应现代设计的需求，而 c a d 技术恰恰能够解决这一难题。因此，c a d 技术的研究、开发和应用在 机械设计领域正显示出前所未有的重要性。 数控机床是典型的机电一体化产品，它是微电子技术同传统机械技术相 结合的产物。它是根据机械加工工艺的要求，使电子计算机对整个加工过程 进行信息处理与控制，实现生产自动化。同时，数控技术又是柔性制造系统 ( f m s ) 、计算机集成制造系统( c n 讧s ) 的技术基础之一，是机电一体化高 新技术的重要组成部分。采用数控机床，提高机械工业的数控化率，是当前 机械制造业技术改造、技术更新的必由之路。 本篇论文所作的c a d 系统正是针对数控机床中伺服进给系统而做的开 发设计工作。目前，我国国内已有部分单位在从事这项工作，如西安交通大 学、大连组合机床研究所等院校，但由于影响数控机床加工精度的因素很多， 所以这些单位的研究对象都比较有针对性，开发的软件还不很成熟、完善， 距离商业化还有很多工作要做。因此，设计一套新颖的、易用的、可扩展的 数控机床c a d 系统显得非常重要。鉴于人力、物力、时间有限，本论文只 在数控机床伺服进给系统部分进行了尝试。 本论文中的伺服进给c a d 系统主要由界面系统、设计计算、数据库和图 形系统四大部分组成，系统的总体功能就是由后三部分有机地协调完成，其 核心和纽带是数据库。在设计过程中从数据库中提取数据完成设计任务，然 后再将中间结果和最后设计结果存储在数据库中，供以后系统检索、使用。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 页 其中界面系统部分进行统一的界面管理并组织相应的接口程序；科学计 算部分承担伺服进给系统结构选型、零部件选取和校核计算；图形系统能根 据计算部分的结构参数绘制出相应的各部件设计图纸及装配图；数据库负责 保存相关的设计数据、图表和绘好的图表。整个系统采用集成化技术，通过 若干个接口程序，将设计系统、核心数据及图形系统集成在一个统一的用户 环境中。 系统是以w i n d o w s 9 8 作为支撑平台，以a c c e s s 2 0 0 0 作为核心数据库，执 行控制程序主要构造了系统的用户界面，通过这个统一的用户界面，用户能 够进行整个伺服进给c a d 系统的结构选型、各种设计参数的输入及整个系 统程序的运行。伺服进给c a d 系统主要完成针对不同结构型式的伺服进给 系统的设计、计算、校核工作，它与数据库进行双向的数据流动，提取数据 参数及写回设计结果，图形系统主要进行设计结果的图形生成及修改，并将 修改过的图形数据回存到数据库中。 1 2 论文的目标和任务 该论文的目标和任务有以下几点： 1 建立起数控机床伺服进给c a d 系统的总体框架。 2 开发出方便、友好的图形用户界面，开发出伺服进给系统c a d 的 图形系统。 3 建立起伺服进给系统c a d 的数据库管理系统。 4 利用b o r l a n d c + + b u l i d e r5 0 ，实现伺服进给系统c a d 的自动化设计， 并用v b a 技术生成零部件图和系统简图。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第3 页 第2 章c a d 系统概述 2 1c a d 技术的现状及发展趋势 2 1 1c a d 技术的现状 目前c a d 技术在一些先进的工业国家中己经得到了广泛的应用，它的 应用领域已经从大规模生产的国防企业延伸到中小型民用企业。同时，c a d 基础软件的商品化工作在这些国家发展的更为迅速。如在图形系统方面，美 国a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 、s d r c 公司的i d e s a 、e d s 公司的 u n i g r a p h i c s 、p t c 公司的p r o e n s i n e e r i n g 等都是功能很强大的图形处理软 件。除此之外，在有限元分析、优化设计、数据库管理系统等方面也相应有 许多实用性较强的商品化软件。上述商品化软件大量投入市场，极大地促进 了c a d 技术在企业中的应用。 我国的c a d 技术起步于6 0 年代末，经过三十多年的发展，我国的c a d 技术在硬件生产、支撑软件的研究、产品应用软件的开发和应用等方面都取 得了较大的发展。目前，这项技术已经普遍应用到航空航天、汽车、船舶、 机械、电子、建筑、轻工和军事等各领域，在国民经济建设中取得了良好的 经济效益。一些大型企业通过引进较为成熟的c a d 系统并进行二次开发， 也取得了一定的成果。一些研究单位还开发出了自己的c a d 系统，但总的 来说与国外的软件相比存在着相当大的差距。 2 1 2 c a d 技术发展过程 综观c a d 的历史发展分为四个阶段，分别如下。 ( 1 ) 第次c a d 技术革命曲面造型系统阶段。 ( 2 ) 第二次c a d 技术革命实体造型系统阶段。 ( 3 ) 第三次c a d 技术革命参数化技术阶段。 ( 4 ) 第四次c a d 技术革命变量化技术。 关于这方面的介绍很多，这里我就不再说明了。 2 1 3 c a d 技术发展趋势 随着c a d 技术不断研究、开发与广泛应用，对c a d 技术提出越来越高 西南交通大学硕士研究生毕业论文第4 页 的要求，c a d 从其本身技术的发展来看，将朝着智能化、集成化、并行工程、 网络化和虚拟设计技术等方向发展。 2 2c a d 系统的组成及其作用 c a d 系统由硬件和软件两大部分组成。 c a d 系统的硬件由三部分组成：计算机( 中央处理器c p u 、键盘与图 形显示终端) 、图形输入设备和图形输出设备。 c a d 系统的软件可分为三个层次：系统软件、支撑软件和应用软件。本 文着重介绍c a d 系统的软件部分。 系统软件保证计算机资源的有效管理、用户任务的有效完成以及操作上 的方便性，目的是构成软件的工作环境，供应用软件的开发使用。它包括操 作系统、编译系统、网络通信和管理系统。 支撑软件是c a d 系统的核心部分，起承上启下的作用。一方面它需要 以系统软件为基础，开发出满足c a d 系统应用所需的各种通用软件，另一 方面它又是开发面向用户的应用软件的基础。它主要由科学计算、图形系统 和数据库管理系统三大部分组成。 应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上开发出来供用户使用的。如 本软件就是利用系统软件：w i n d o w s9 8 、b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 和支撑软件： a u t o c a d2 0 0 0 、a c c e s s2 0 0 0 和v b a 等开发出来的应用软件。 2 3a u t o c a d 二次开发( v b a ) 技术 2 3 1 a u t o c a d 二次开发技术概述 a u t o c a d 是a u t o d e s k 公司贡献给人们的一个非常优秀的工程设计和绘 图软件。从1 9 8 2 年1 2 月推出a u t o c a d 的第一个版本以来，该产品一直是 机械、建筑、电子等领域设计人员非常喜欢使用的工具，它得到了广大工程 设计人员的认可和亲睐。同时a u t o d e s k 公司在开发a u t o c a d 时，采用了强 大的二次开发功能和丰富的应用编程接i = 1 。目前已经发布的二次开发工具有： a u t o l i s p 、a d s 、s u a i l i s p 、v b a 、a c t i v e x 以及a r x 等。 本文采用v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 技术作为二次开发的手段。 a u t o d e s k 公司自它的a u t o c a d r l 4 0 1 版开始，内置了v b a 开发工具。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 页 它采用全新的面向对象的程序设计机制，使对a u t o c a d 的开发从形式到内 容上都发生了巨大的变化，它代表了以p c 机为硬件平台的c a d 应用软件最 先进的开发技术。具有以下优势： 夺v b a 与v b 有着几乎相同的开发环境和语法，具有强大的功能和易 于掌握的优点。 在于它的f o ra p p l i c a t i o n 功能，既它的针对性非常强，它驻留在主程 序的内部，使其结构精简，且代码运行效率非常高。 对话框结构迅速有效，这使设计人员很快能得到设计时的反馈信息。 夺工程既可以独立保存又可以被加入到图形中，这使设计人员在他们 的设计任务分配中具有很大的弹性。 相对于a u t o l i s p 、a d s 而言，v b a 属于第三代开发工具。a u t o l i s p 是 一种解释性语言，它用一种分布式的方式与a u t o c a d 建立通信。a d s 是用 c 语言编程和编译的，但与a u t o l i s p 在本质上相同，因为实质上a d s 是通 过调用a u t o l i s p 实现与a u t o c a d 通信的。而v b a 没有自己完全独立的工作 环境，它是依附于a u t o c a d 的，离开a u t o c a d ，它将不复存在。正是由于 v b a 与主应用程序的这种关系，使得它与主程序之间的通信变得简单而高 效，v b a 中的代码完全是在进程内执行的。尽管v b a 的代码目前在a u t o c a d 中也是以解释的方式执行的，但它a u t o c a d 完全共享内存空间，所以执行 速度比用c 语言开发的a d s 应用程序还要快。同时由于它是v b 的子集， 其语言结构十分简洁，主程序可根据自己的需要，在嵌入时安排v b a 的侧 重点。a u t o l i s p 、a d s 、v b a 以及a u t o c a d 的关系如图2 1 所示。 图2 - 1a n t o l i s p 、a d s 、v b a 以及a m o c a d 的关系图 西南交通大学硕士研究生毕业论文第6 页 2 3 2a u t o c a da c t i v e x 技术简介 2 3 2 1a u t o c a da c t i v e x 技术简介 a u t o c a d 是一种具有高度开放结构的c a d 平台软件，它提供给编程者 一个强有力的二次开发环境。但在r 1 4 版之前的a u t o c a d 中，能够提供给 开发者的二次开发工具极其有限，主要是a u t o l i s p 和以c c + + 为主的开发工 具。自从a u t o c a dr 1 4 版问世以后，a u t o c a d 采用了一种在o l e2 0 基础 上发展起来的新技术，称之为a c t i v e xa u t o m a t i o ni n t e r f a c e ( 即我们常说的 a c t i v e ? ( 自动化界面技术) 。由于a c t i v e x 技术是一种完全面向对象的技术， 所以许多面向对象化编程的语言和应用程序，可以通过a c t i v e x 与a u t o c a d 进行通信，并操纵a u t o c a d 的许多功能。 a u t o c a da c t i v e x 提供了一种机制，该机制可使编程者通过编程手段从 a u t o c a d 的内部或外部来操纵a u t o c a d 。a c t i v e x 是由一系列的对象，按照一 定的层次组成的一种对象结构，每一个对象代表了a u t o c a d 中一个明确的功 能，比如说画圆、画多义线、图块定义等等。a c t i v e x 所具备的绝大多数 a u t o c a d 功能，均以方法和属性的方式被封装在a c t i v e x 的对象中，我们只 要使用某种方式，使a c t i v e x 对象得以“暴露”，那幺就可以使用各种面向对 象编程的语言对其中的方法、属性进行引用，从而达到对a u t o c a d 实现编程 的目的。 2 3 2 2a u t o c a d 中的a c t i v e x 对象模型树 从上面的介绍我们已经知道，a u t o c a da c t i v e x 是将a u t o c a d 的各种功 能封装在对象中，供应用程序通过编程来引用。根据这些功能的不同，可以 把对象分成以下几类： 图元( e n t i t y ) 类对象。例如，直线、圆弧、多义线、文本、尺 寸等。 样式设置( s t y l e ) 类对象。例如，线形、尺寸样式等。 组织结构( 0 r g a n i z i n g ) 类对象。例如，图层、组、图块等。 图形显示( v i e w ) 类对象。例如，视图、视窗等。 文档与应用程序( d o c u m e n t a p p l i c a t i o n ) 类对象。例如，一 个d w g 文件或a u t o c a d 应用程序本身等。 以上这些对象有一个层次上的关系，比如直线、圆弧等图元，它们只能 存在与模型空间、图纸空间或图块中，而模型空间、图纸空间或图块，又是 隶属于图档d o c u m e n t ( d w g 文件) 的，一个a u t o c a d 图档只能存在于a u t o c a d 西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 页 应用程序( a p p l i c a t i o n ) 中，这种层次上的关系是不能颠倒的。所以这些对 象，根据它们在h u t o c a d 中的功能，可以组成一种数形结构，称之为对象模 型( o b j e c tm o d e l ) 树。 模型树中有一般对象和集合对象，它们有三种不同的类型： 第一类称之为驻留于d w g 数据库的图元，如线段、圆弧、三维实体、 块属性值等等。 第二类称之为驻留于d w g 数据库的对象，如图块集合、图块、模型 空间、图纸空间等对象。 第三类为不驻留于d w g 数据库的对象和集合对象，即这些对象产生 的数据不会嵌入d w g 文件中。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第8 页 第3 章软件的总体结构与环境 3 1 软件的总体结构的设计 本系统是在微机平台上，基于当今最为流行的绘图软件a u t o c a d 进行 二次开发的c a d 系统。系统采用参数化设计和交互式设计相结合的方法。 参数化设计通过用户输入一些参数，完成系统部件计算和绘图；交互式设计 是由用户参与，交互地选择零部件。 系统以a u t o c a d2 0 0 0 为基础支持软件，以v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n ) a c t i v e x 技术作为图形二次开发的工具，在b o d a n dc + + b u i l d e r 5 0 编译环境中开发的交互式图形处理软件。 通过用户输入主要技术指标，系统能够自动计算出符合用户要求的部件， 通过数据库能快速选取符合国标的部件，并能对各部件进行寿命校核、剐度 校核、惯量匹配计算，还可以对设计的系统进行静态、动态性能分析。系统 总体框架结构图如图3 1 。 图3 - 1 伺服进给系统c a d 的总体结构 西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页 从上图可以看出，该系统主要由用户界面模块、设计计算模块、数据库 模块和图形系统模块四部分组成。这四个模块相互依存，用户界面模块提供 给用户良好的交互性；设计计算模块完成伺服进给系统的结构选型以及系统 中各部件的选型计算和校核；数据库模块负责管理和保存伺服系统设计计算 结果、相关的各类图表和图形数据；图形系统根据设计计算结果，通过查询 数据库中的图形数据，能够自动完成伺服系统的绘图工作。下面对这四个模 块做一详细介绍。 ( 1 ) 用户界面模块 它提供给用户一个可视化的窗口，在这个窗口中用户可根据实际需要输 入原始参数，它能自动进行设计计算和校核，用户能够看到最后计算的结果 和生成的图形。用户界面是用面向对象的编程语言b o r l a n dc + + b u i l d5 0 来 设计的，它界面友好，易用性强。 ( 2 ) 设计计算模块 设计计算模块分为动力学设计计算方法和控制理论设计计算方法两部 分。前者的目的是确定伺服电动机的型号以及电动机与机械系统的参数相互 匹配，但不计算控制电路参数和动态稳态性能参数，这种设计方法主要用于 开环及精度不太高的半闭环；控制理论设计方法一般分为静态( 稳态) 设计 和动态设计，其目的是根据系统的动态和稳态性能指标，确定伺服电动机驱 动与控制电路的参数，使整个系统的机电参数得到合理的匹配，保证伺服系 统具有良好的性能，这种方法适合于精度高的半闭环和闭环系统的设计计算。 但是，控制理论设计计算方法涉及到机电元部件的全部技术数据，如果制造 厂家提供的数据不全，则需要用户自行测试。本文是以动力学方法作为选型 计算，而以控制理论设计计算方法做校核。 ( 3 ) 数据库模块 数据库中存储了伺服系统通用部件的几何信息和非几何信息，并通过关 键字与图形一一对应。 系统的数据库是在用a c c e s s2 0 0 0 设计的，它通过b d e ( b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 数据库引擎) 与主应用程序连接，将数据库中的数据输出计算系 统供设计计算使用或输出到界面上显示设计结果，并将计算结果存储到数据 库。 ( 4 ) 图形系统 包括伺服系统中通用部件如电机、滚珠丝杠等的二维参数化绘图。所有 部件的尺寸都能自动标注。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 0 页 本系统的图库管理系统是采用a u t o c a d 最新的第三代开发技术v b a 进 行二次开发的。 基于a u t o c a d 的图形环境的图库管理模式主要有两种，即分散管理模块 和集中管理模块。它的特点是：在这种模式中，若干个图块存在于一个图形 文件中，一个图库可以是一个文件。只要调用该图库文件，就可以从中检索 出所需的不同的图块，而不必从多层目录树中去搜索。而以分散管理模式所 建的图库文件中只含一个图块，这样的图库管理模式本质上是利用目录树的 层次关系对单个文件的管理，从而容易造成图块检索的烦琐和使用上的不便。 显然，集中管理模块与分散管理模块相比更合理。本文的图形系统模块采用 集中管理模块。 以下各节对伺服进给系统c a d 开发过程中所用到的一些软件作一下简 要介绍。 3 2b o r l a n dc + + b u i l d e r 5 0 程序设计语言的简要介绍 3 2 1 什么是c + + b u i l d e r ? b o r l a n dc + + b u i l d e r ( 简称b c b ) 发展到2 0 0 0 年已是第五版了，它是一 种面向对象的、可视化的快速应用程序开发环境( r a d ) 。所谓“可视化”， 它是指开发图形用户接口的方法，其方法就是在建立用户入接口( u s e r i n t e r f a c e ) 时，不必编写程序来描述输入或输出接口的外观和配置，只要使 用工具箱的工具，在程序设计阶段便可实现，是属于一种“w h a ty o us e ei s w h a ty o ug e t ”直观式的设计概念。使用c + + b u i l d e r ，可以用最少的手工编 写的代码，创建出高效的3 2 位窗口应用程序。c + + b u i l d e r 提供了所有的程 序开发时所需要的测试，调试和应用配置工具，包括大规模可重用组件库、 设计工具、应用程序和窗体模板以及编程向导。这些工具简化了应用程序原 型设计并且缩短了开发时间。 3 2 2c + + b u i l d e r5 0 中的基本概念 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 就是把现实世界中的现象，以更接近自然的形 式在计算机世界中反映出来。每一个对象都有属于自己的属性( p r o p e r t y ) 和 方法( m e t h o d ) ，对象与对象问就是靠着方法来传递对象的消息( m e s s a g e ) 。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 1 页 ( 1 ) 对象( o b j e c t ) 在c + + b u i l d e r 中的对象是由一些程序代码和数据组合而成的，对象可 以被视为一个完整的单元。 ( 2 ) 属性( p r o p e r t y ) 在c + + b u i l d e r 中的每个对象都有其特性，我们可以利用这些特性来描 述这个对象的外观，例如，窗体的特性包括窗体的大小、前景色、背景色、 标题等，我们将这些特性称为“属性”。每个对象的属性大都有其默认值， 在设计阶段或执行阶段( 程序中) 改变有些对象的属性，对象便会按照您的 设置表现出来。 ( 3 ) 事件( e v e n t ) 在c + 十b u i l d e r 中的只要在某个有作用的对象上按下键盘、移动鼠标或 点击鼠标一下都会产生一种反应，c + + b u i l d e r 将此反应称为“事件”。当c + + b u i l d e r 收到属于某个对象的事件时，c + + b u i l d e r 会根据此事件做适当的处 理，其处理的方式就是去执行该对象相对应的程序代码，该程序代码我们称 为“事件函数”。 ( 4 ) 方法( m e t h o d ) 所谓“方法”，是指为了对象完成某件事或某项目标，所采取的处理方式。 例如，在窗体对象中提供了清图、打印、画点、画线等功能，这些功能统称 为“方法”。我们只要使用窗体所提供的“打印”方法，就可以打印出窗体而 不必理会如何控制打印机才能打印窗体。 ( 5 ) 事件驱动( e v e n td r i v e n ) w i n d o w s 的应用程序执行情况是这样的：当执行应用程序后，该应用程 序就进入待命状态，当点击键盘或鼠标时就有事件发生，w i n d o w s 就将此事 件相关信息传递给该应用程序，该程序会根据送来的信息做适当的处理。同 样的，c + + b u i l d e r 的应用程序也是这样的。 3 3b o r l a n dc + + b u i l d e r5 0 数据库引擎( b d e ) b o r l a n dc + + b u i l d e r 提供的数据库辅助工具有d a t a b a s e d e s k t o p 、b d e a d m i n i s t r a t o r 和s q le x p l o r e ，这些工具提供了强大的数据库管理功能。其 中，d a t a b a s ed e s k t o p 可让用户创建数据库表、查询、修改、排序数据。b d e a d m i n i s t r a t o r 可以建立数据库别名。s q l e x p l o r e r 主要用来浏览数据库，它 们的功能有些重复。在本论文设计过程中，用到的是b d ea d m i n i s t r a t o r 。下 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 2 页 面主要讲述一下b d ea d m i n i s t r a t o r 和b d e 。 b d ea d m i n i s t r a t o r 主要用于配置b d e ( b o r l a n dd a t a b a s ee n g i n e ) 应用 程序和建立数据库别名，数据库别名主要用于将v c l 数据感知( d a t a - a w a r e ) 组件连接到数据库。 b d e 是b o r l a n dc + + b u i l d e r 的数据库引擎，它是3 2 位的基于w i n d o w s 的核心数据库引擎和连接软件。它支持d e l p h i 、c + + b u i l d e r 、i n t r a b u i l d e r 、 p a r a d o xf o rw i n d o w s 、v i s u a ld b a s ef o rw i n d o w s 。b d e 提供了一系列丰富的 稳定的功能来帮助用户发展客户一服务器应用程序。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 3 页 第4 章伺服进给系统的设计计算过程 4 1 数控机床的概述 4 1 1 数控机床的定义 计算机技术与工程技术的结合是现代科技发展的一个重要方向。数控机 床是计算机在机械制造领域中应用的重要产物。它综合了计算机技术、自动 控制、精密检测和精密制造等方面的科技成果，是从5 0 年代发展起来的新 型自动化机床。 国际信息处理联盟( i f i p ) 第五技术委员会对数控机床的定义是：数控 机床是一个装有过程控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码。 或其它符号编码指令规定的程序 4 1 2 数控机床的组成及分类 数控机床主要由数控装置。包括伺服电动机及检测装置的伺服系统和机 床本体三大部分组成。 数控装置是机床实现自动加工的控制核心。它具有零件程序的读入、存 储、输入信息的处理和计算。以及加工过程的实时控制等功能。 机床本体是指数控机床机械的构造实体。 伺服系统是数控装置与机床本体问的电传动联系环节。它由伺服电动机、 驱动装置、以及部分机床具有的位置检测装景等组成。伺服电动机是系统的 执行件，驱动装置则是伺服电动机的动力源。数控装置发出的指令信号经驱 动装置功率放大后，带动电动机运转。进而通过机械传动装置拖动工作台或 刀架运动。 数控机床的品种很多、规格不一。数控机床通常可按下述原则分类。 按运动轨迹方式分类可分为：电位控制系统、直线控制系统、连续控 制系统等三类。 按伺服系统的控制方式分类可分为：开环伺服系统、闭环伺服系统、 半闭环伺服系统。 按机床可控制的运动坐标数分类可分为：二坐标轴数控机床、三坐标 轴数控机床、四坐标数控机床、五坐标数控机床。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第“页 下面重点介绍一下第二种分类方式，即按伺服系统控制方式分类的数控机 床。 开环系统是指没有检测反馈环节的伺服系统。它通常采用步进电机作为 伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控机械、机 械手和小型工作台等。 闭环系统是指具有测量系统输出反馈装置的伺服系统。它通常采用直流 伺服电机或交流伺服电机作为伺服驱动装置，很少采用步进电机驱动。它主 要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如超精车床、超精铣 床以及精度要求很高的镗铣床。 半闭环系统是指反馈信号取自传动链的中间部位的伺服系统。它的检测装 置一般采用脉冲编码器。脉冲编码器通常安装在直流电机或交流电机内，作 为角度和速度环公用的检测反馈装置。它可以直接发出角位移计数脉冲，可 以省去如旋转变压器位置检测装置所需的相应转换电路等，还可省去测速反 馈传感器，从而简化了电路，降低了成本，因此，它的应用比较普遍。本论 文所讨论的正是这种用脉冲编码器作为检测装置的半闭环系统。 1 开环伺服系统 这类机床的数控装置多由单片机构成，伺服系统不带检测装置，指令信 号经放大后控制电动机，然后通过机械传动装置驱动工作台，如下图4 1 所 示。其特点是，数控装置结构简单，安装、调试方便，成本低，但精度有限。 伺服运动精度主要取决于伺服电动机( 功率步进电动机) 和机械装置的精 度。由于传递功率有限，故这类机床多为小型或中偏小型类机床。 图4 - 1 开环伺服系统 迸给丝杠 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 5 页 2 闭环控制数控机床 这类机床采用直流伺服电动机或交流电动机驱动，工作台的实际位移能 通过检测装置及时反馈给数控装置中的比较器，以及指令位移信号进行比较， 两者的差值又作为伺服电动机的控制信号，进而带动工作台消除位移误差。 机床配用的伺服系统如图4 2 所示。 图4 - 2 闭环伺服系统 闭环控制的数控机床加工精度高，但控制系统复杂，成本高，且调试与 维护较为困难。由于受到机床自身的振动、爬行等因素的影响，机床的伺服 系统工作稳定性差。 3 半闭环控制数控机床 当位移检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电动机轴上时，所构成的机床伺 服系统成为半闭环系统，如图4 3 所示。该系统能间接地反映工作台位移， 但检测精度较闭环系统低。 图4 3 半闭环伺服系统 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 6 页 半闭环系统控制的机床，其伺服系统结构简单，造价较低，系统不易受到 机械传动装置的干扰，工作稳定性好，调试相对容易。故中等精度以上的数 控机床，如加工中心等，多采用半闭环系统控制。本论文所作的软件针对的 就是半闭环控制系统。 4 2 数控机床的进给传动与传动装置 数控机床的进给传动，是通过伺服进给传动系统实现的，它是由数控装 置经伺服系统控制的，数控机床的进给传动属伺服进给传动。所谓伺服，是 指有关的传动或运动参数，均严格按照数控装置的控制指令实现的。这些参 数是：运动的速度，运动的方向，运动的行程，运动的起、止点。通常，把 实现数控机床进给传动的结构组成，称为伺服进给传动系统，该系统由电气 伺服系统和机械传动装置两部分构成，如图4 4 所示。 一 ；c n c 装置 机电界面 ( 电控部分) 一( 机传部分) 图4 4 伺服进给系统框图 在4 4 图中，电驱动部分，是指以伺服电动机作控制对象的伺服系统， 包括伺服电动机及其伺服驱动装置，对于闭环和半闭环系统，还有位置和速 度检测装置。机械传动部分，是指传递和转换伺服电动机的运动，进而带动 工作台移动的机械传动装置，包括减速器和滚珠丝杠副机构。其中，减速器 一般用于中、小伺服电动机驱动的场合。而现代数控机床，多采用大惯量直 流伺服电动机或交流伺服电动机，直接通过滚珠丝杠带动工作台。 4 2 1 对进给传动的要求 进给传动是机床成形运动的一个重要组成部分，其传动质量直接关系到 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 7 页 机床的加工性能。对进给传动的要求有：高的传动精度与定位精度、宽的进 给调速范围、快的响应速度、消除传动间隙和好的速度稳定性。 4 2 2 进给传动装置 数控机床进给传动系统的机械传动装置，有两种组成方案，如图4 - 5 所 示。 ( q i l 厂、 人 ( b ) 图4 5进给机械传动组成方案 卜伺服电动机2 一滚珠丝锄u s - y 作台i 减速嚣 图中，方案( a ) 采用负载能力强的伺服电动机，直接通过丝杠带动工作 台进给，传动链短，刚度大，传动精度高，是现代数控机床进给传动的主要 组成形式。有的数控机床，基于以下原因，而采用方案( b ) ，即 ( 1 ) 为了细化脉冲当羹。以保证和提高进给的精度。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 8 页 ( 2 ) 为了改变加在电机轴上的负载扭矩，以实现与电动机输出转矩的 最佳匹配； ( 3 ) 为了改变加在电机轴上的负载惯量，以实现与电动机惯量的最佳 匹配： ( 4 ) 出于改善传动阻尼的需要，或安装联结的需要。 传动中，对于起运动形式转换作用的传动机构，除图4 5 所示采用的滚 珠丝杠副外，还有静压蜗杆蜗母条机构，预加载双齿轮齿条机构等形式。 本论文中主要针对滚珠丝杠副机构所做，对于其它两种机构也有所涉及。下 面对以上三种机构分别加以说明。 滚珠丝杠副机构的特点是：滚珠丝杠副，是在丝杠和螺母间，以滚珠为 滚动体的螺旋传动机构。与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副的摩擦小，传动效 率高。传动灵敏、稳定，并可通过预紧实现无间隙传动。它广泛应用于各类 数控机床的进给传动中。 静压蜗杆- 蜗母条机构的特点是：摩擦系数小，工o 0 0 0 5 ，传动效率高， 低速运动平稳，抗震性好，且不易磨损，特别适用于重型数控机床的进给运 动。 而双齿轮齿条机构广泛应用于大行程的数控机床进给传动中。 4 3 数控机床的伺服进给系统 伺服系统( 随动、自动跟踪) 系统是指以机械参数( 位移、速度、加速 度) 作为被控量的一种类型的自动控制系统。它的基本要求是系统的输出能 够迅速而精确地响应指令输入的变化。 伺服系统的基本要求是： ( 1 ) 稳定性：系统在其工作范围内是稳定的、可靠的。 ( 2 )精度： 比较经济地达到给定精度的要求。 ( 3 ) 快速性：系统输出响应指令输入的速度要快。 ( 4 ) 灵敏性：系统对参数变化的灵敏度要小，即系统性能不因参数变化而受 到太大的影响。 ( 5 )抗干扰性：系统应具有良好的抵抗外部负载干扰和高频噪音的能 力等。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 9 页 数控机床伺服进给系统的设计，首先要根据对机床加工精度的要求，选 择合适的控制形式，即开环控制、半闭环控制或闭环控制，进而选择伺服电 动机和传动机构，最后对系统的性能进行全面的分析和计算，包括伺服电动 机选择计算，开环和半闭环控制下的系统定位精度计算，以及闭环控制下的 系统稳定性计算等。 本论文所采用的是半闭环控制系统。半闭环控制系统有用于检查位