（机械电子工程专业论文）柔性数控车削中心的研制.pdf

柔性数控车削中心的研制 摘要 为适应制动盘零件的多品种大批量生产，汽车、摩托车制动盘的车削加工 生产线要求具备高柔性及加工中心特点。本文研究了s t a r 2 1c ( p ) 柔性数控车 削中心的研制。主要从以下几个方面展开： 1 介绍了国际上近年来开发的柔性制造单元自动线的特点，分析了制动 盘的生产工艺，在此基础上对其制造装备提出了要求，总结了我国数控车床的 发展现状，从而引入本文的课题来源和研究内容。 2 介绍了车削中心数控加工单元及物料配送系统的机械结构设计及车削 工艺流程，采用p r o e 进行三维模型的建立。设计了s t a r 2 1 c ( p ) 数控系统的 硬件、软件结构。硬件部分介绍了数控系统工作原理，并对各模块的结构特点 及选型做了较详细的叙述。软件方面，对运动控制卡的核心芯片m c x 3 1 4 的功 能做了介绍，较为深入地分析了底层控制功能的实现。最后介绍了主轴控制模 块的设计。 3 研究了车削中心数据通信模块中主控p c 间的串口通信，介绍了d o s 环境 下通过对异步串行通信适配器( u a r t ) 8 2 5 0 的寄存器编程以实现面向帧的异步 串口通信的具体方法，设计了通用型较好的可重用代码c s e r i a l 类及用于多串口 编程操作的数据结构。研究了s 7 2 0 0 p l c 的网络通讯，针对物料配送分析了基 于p l c 的物料配送控制系统中丰控p c 与p l c 、p l c 各工作站之间的数据通信环 节，介绍了控制系统设计及通信的实现方法，自由口模式及p p i 协议下通信程序 的设计。 关键词：盘状零件；车削中心；p l c ；数据通信；物料配送系统 t h ed e v e l o p m e n to ff l e x i b l en ct u r n i n gc e n t e r a b s t r a c t t om e e tt h em u l t iv a r i e t ya n dm a s sp r o d u c t i o no fb r a k ed i s cc o m p o n e n t s ，i ti s r e q u i r e dt h a tt h ep r o d u c t i o nl i n eo ft u r n i n gp r o c e s sf o rt h eb r a k ed i s co fa u t o & m o t o r c y c l es h o u l dh a v eh i g hf l e x i b l i l i t ya n dt h ef e a t u r e s o fm a c h i n i n gc e n t e r s t a r 21c ( p ) ，a na u t o m a t i cf l e x i b l en u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gc e n t e rf o r d i s c o i dp a r t si sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i ns u m ，t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s f i r s t ，i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l a u t o m a t i c l i n er e c e n t l yd e v e l o p e da b r o a d ，o nt h i sb a s i sa n a l y z e st h ep r o d u c t i o np r o c e s so f b r a k ed i s ca n dp u t sf o r w a r dr e q u i r e m e n t sf o rt h ec n ce q u i p m e n to fb r a k ed i s c a l s os u m m a r i z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fn cl a t h ei no u rc o u n t r y m e a n w h i l e ，t h e s o u r c eo ft h ep r o j e c ta n dt h ec o n t e n to ft h i sp a p e ra r ee x p o u n d e d s e c o n d ，i n t r o d u c e st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g no ft h em a c h i n i n gc e l la n d t h ef e e d i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ep r o c e s so ft h et u r n i n gt e c h n o l o g y p r o ei su s e dt o c r e a t et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l f u r t h e r m o r e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r eo fs t a r - 21c ( p ) i sa l s od e s i g n e di nt h i sp a p e r 。i nt h ep a r to fh a r d w a r e ，i t i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e o fc n cs y s t e mo fs t a r - 21c ( p ) ，t h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la st h es e l e c t i o no fe a c hm o d u l si nd e t a i l i nt h ep a r to f s o f t w a r e ，i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so ft h ec o r ec h i pm c x 3 14o ft h em o t i o nc o n t r o l c a r d ，i m p l e m e n t a t i o no ft h ef u n c t i o n so fb o t t o mc o n t r o la r ed e e p l ys t u d i e da n d a n a l y z e d t h es p i n d l ec o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e da f t e rt h a t t h i r d ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni nt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l eb e t w e e n m a i nc o n t r o l l i n gp ci s s t u d i e d ；t h ec o n c r e t em e t h o dt or e a l i z ea s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o no r i e n tt of r a m e sb yp r o g r a m m i n gt or e g i s t e r so f ( u a r t ) 8 2 5 0i s i n t r o d u c e d ac o d e r e u s a b l ec l a s sw i t hg o o dg e n e r a l i t yn a m e dc s e r i a la n dad a t a s t r u c t u r eu s e df o rm u l t i s e r i a l - p o r tp r o g r a m m i n ga r ed e s i g n e d a l s os t u d i e st h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o no fs 7 2 0 0p l c a n a l y z e st h ec o m m u n i c a t el i n k sb e t w e e n m a i nc o n t r o l l i n gp c ，p l cw o r k s t a t i o n si nt h ec o n t r o ls y s t e mo ff e e d i n gc o n t r o l s y s t e mb a s e do np l c t h e ni n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h ec o m m u n i c a t i o n ，t h ed e s i g n o fc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m su n d e rf r e ep o r tm o d ea n d p p ip r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：d i s c o i dc o m p o n e n t s ；t u r n i n gc e n t e r ；p l c ；d a t ac o m m u n i c a t i o n ； f e e d i n gc o n t r o ls y s t e m 插图清单 1 1 常用盘式制动器1 1 2 制动盘图纸5 2 1 系统开发工作流程。1 1 3 1 床身示意图18 3 2 丰轴电机、主轴箱与中间箱体的连接1 8 3 3 直线导轨副1 8 3 4 立柱结构示意图1 9 4 1 车床数控系统硬件总体结构。2 3 4 2p c m 3 3 5 0 结构图2 4 4 3p c m 3 7 2 4 结构图2 5 4 4 定量驱动模式2 6 4 5 连续驱动模式2 6 4 6s 曲线a n 减速模式2 7 4 7m c x 31 4 功能框图2 8 4 8 运动控制卡功能模块图3 0 4 9 数控系统总体软件架构3 1 4 1 0 圆弧插补程序流程框图3 3 4 1 1 连续插补程序流程框图3 3 4 1 2 手动减速点的计算3 3 4 13 驱动函数库的简化过程3 6 4 一l4 驱动函数库的模块组成3 6 4 1 5 变频器控制端子接线3 7 4 一1 6p l c 输入端接线3 7 4 1 7p l c 输出端接线3 7 4 18 高速计数器主轴准停丰程序及中断服务程序流程图3 9 5 1 柔性数控车削中心控制系统结构图4 0 5 2p l c 控制系统被控对象分解图4 2 5 3 料库升降和两侧扶正程序流程4 2 5 4 水平旋臂送料程序控制程序流程4 3 5 5 水平旋臂取料控制程序流程4 4 5 - 6 运料小车控制程序流程4 4 5 7 基于工业以太网的数据通信模块组成示意图4 7 5 8 基于串行通信的数据通信模块组成示意图4 8 5 - 9 串行数据格式5 2 5 1 0p l c 通讯程序流程图5 6 5 1 1 运料小车控制站的接收缓冲区和发送缓冲区5 9图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 表4 1 由x 、y 、u 、z 轴产生的中断2 8 表4 2 来自于插补的中断2 8 表4 3m c x 31 4 指令代码列表2 9 表5 1p c 间通讯数据帧的格式5 0 表5 28 2 5 0 内部寄存器5l 表5 3 奇偶校验和数据位数组合5 2 表5 4p c 与p l c 间的数据帧格式5 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁工些太堂或其他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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：多羲 签字日期：沙叼年年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 巴工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁：些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：互曦 导师签名： 签字日期：伽7 年争月修日 签字日期：沙7 年9 月谬日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在韩江教授的悉心指导下完成的。值此论文完成之际，首先要衷 心地感谢我尊敬的导师一韩江老师! 感谢韩老师在我学位论文选题、调研、撰 写、修改等过程中所给予的悉心指导。在近三年的研究生学习期间，韩老师以 严谨务实、一丝不苟的治学态度和对学术问题的独到见解深深地影响了我。韩 老师知识渊博，科研经验丰富，不仅教给我知识，更教给我独立分析问题、解 决问题的能力。在我近三年的硕士阶段，韩老师在学习上和生活上给与的关怀 与帮助，我将永远铭记在心! 衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的夏链老师、祖咂老师、何高清老师、 余道洋老师、李良初老师、丁志老师等对我的关怀和指导。感谢他们在学业中 给予我的帮助和指导。 衷心感谢所有给我上过课的老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我 能够进一步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学曹文霞、贾伟秒、王程、王川、孟超、杨牧原、王玉兵、 余仲元、吴建霖，和他们在一起学习和生活的时光永远值得我纪念! 感谢师弟张江华、李凯亮、信傲、马超、葛敬、黄愿，师妹姚银鸽、季焓 给予我的帮助! 感谢工大、足球场，当然还有我的队友以及和我一起踢球的朋友们，还有 那片蓝天! 向论文中引用过文献的作者们表示感谢! 最后还要特别感谢我的父母和家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付 出以及对我精神和物质上的强大支持，使我得以完成学业。对他们的感激之情 无法言表，我只有在今后工作、生活和学习中用辉煌的成就来汇报他们的殷殷 之情。 再次感谢所有曾经给予我帮助的人。 作者：王曦 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 , 1 引言 作为汽车工业的基础，汽车零部件产业近年得到快速发展。同时，我国汽 车零部件产业正在纳入到全球采购体系中，随着对汽车节能、环保、安全要求 越来越高，以及日新月异的技术进步，汽车零部件新品推出速度越来越快。在 此背景下，近年来，汽车霉部件生产方式发生了革命性变革。新兴的多品种大 批蕾牛产方式对制造技术提出了严峻挑战，其目标是集高柔性与高效率于一身。 目前，高效柔性自动线( f t l ) 是丰要应对方案，但是其价格昂贵( 通常需人民币 亿元以上) 、占地面积大、对物流系统和专用夹具要求高，使得绝大多数汽车零 部件厂商面对多品种大批量生产望而却步。 制动器是汽车、摩托车制动系统中的主要执行器。目前制动器有两种形式 鼓式制动器和盘式制动器。盘式制动器如图1 1 所示，其具有反应速度快、制 动效能恒定、易实现间隙自调且结构简单等特点，广泛用作轻型车和轿车的前 轮制动器，多数中高级轿车，更是前后轮均采用盘式制动。 ( 萌篷 图1 - 1 常用盘式制动器 制动盘是盘式制动器的关键零件，其产品质量直接与盘式制动器的性能发 挥有关。近年来，随着轿车、摩托车产量的不断增长，制动盘的需求量也更大。 而且，制动盘是易磨损件，在汽车维修市场，其消耗量也大。大多数汽车、摩托车 均采用特定规格的制动盘，故尺寸规格、材料种类较多，且生产工艺要求不同。 目前国内尚无适用于盘类零件多品种大批量生产的柔性制造单元，自动线，仍采 用传统的生产方式生产：由工人操作各种普通机床、热处理炉完成各项生产工 艺。在该方式下，工件在各工种部门间的传送依靠运货小车，平均每台数控机 床均须1 2 名工人负责撵作，工件成品的各项尺寸检测由数名工人手持各种量 具完成，故劳动力投入大、效率低且能耗较高。 在汽摩配行业技改的挣动下目前，各企业技术改造的高度和深度已开始 出现明显的变化，大多数企业已不满足于常规技术和设备的新旧交瞢，而是倾 向于一步一个台阶，迈向更高的境界，更多需要的是工艺先进、可靠性和自动 化程度高、节能和无污染的设备。制动盘的生产同样如此，传统的生产方式已 经不能满足产品其多品种大批量生产的需要，因此，要对落后的生产设备进行 更新改造，设计研发出适用于盘类零件的柔性自动线。 1 2 国外适合小型复杂零件多品种大批量生产的制造装备现状 为适应小型复杂零件的多品种大批量生产，国际上近年开发了几种柔性制 造单元自动线。 1 2 1 加工中心组成的柔性制造系统 由加工中心组成的柔性制造系统的主要关键技术如下： ( 1 ) 高速、高精加工中心 德国c h i r o n 公司由高速加工中心组成的柔性制造系统和日本m a z a k 公司由 车铣复合中心组成的柔性制造系统，均是适合小型复杂零件多品种大批量生产 的柔性制造系统。德国c h i r o n 公司的v i s i o n 型高速加工中心的特点是采用人形 并联机构、直线电动机以及框形“箱中箱”结构，从而实现了高动态性能，最 大进给速度达1 2 0 m m i n ，移动加速度可以达到3 0 m s 2 。 同时，为保持加工中的精度，除传统精度补偿技术外，还具有独特的在线 补偿技术。主动振动控制( a c t i v ev i b r a t i o nc o n t r 0 1 ) 是将振动减至最小。各坐 标轴运动时的加、减速度产牛的振动影响加工精度、表面粗糙度、刀尖磨损和 加工时间，具有此项智能的机床可使振动减至最小。例如在进给速度为3 0 0 0 r a m m i n 、加速度为o 4 3 9 时，最大振幅将由4 m 减至1 m 。智能热屏障( i n t e l l i g e n t t h e r m a ls h i e l d ) 是在线温度补偿，对由于温度而产生的直接热变形，可在线自 动补偿，使其值为最小。 ( 2 ) 机器视觉 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。通过图像摄取装置将被摄 取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、 颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目 标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉系统的特点 是提高生产的柔性和自动化程度。同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉 检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率 和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制 造的基础技术。 机器视觉技术主要应用：一是工件的自动测量，即将加工好的零件各个尺 寸进行红外线测量，根据测量的结果判断零件是否合格，并对机床的各个参数 进行必要的补偿，保证批量零件的合格率。二是刀具检测，即当刀具从刀库自 动换到主轴上时，通过红外扫描可以对刀具的破损进行检测，如刀具破损则自 动调用备用刀具，保证加工产品的稳定性。三是热位移补偿，即通过安装在机 床上的热敏元件对机床各个部分的温度进行检测并根据测量结果进行补偿，不 论外界环境温度与机床本身温度的变化，都能使机床保持良好的精度。 ( 3 ) 柔性夹具 柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后具有应变能力的夹具。随着 2 制造业的发展，多品种生产越来越多，使得制造系统必须能够快速响应产品变 化的能力，为了缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提 高产品质量，不仅仅是机床具有柔性功能，还需要所对应的产品夹具也要有此 功能。 日本m a z a k 公司车铣复合加工中心采用柔性夹具，其目的在于能够适应多 品种无人化生产。如果加工的产品变换，可以通过机械手到软爪库找取对应的 软爪( s o ft j a w ) ，并进行快速更换，从而提高加工效率，实现无人化操 作。 柔性夹具的最新发展是应对“寻位一加工 的挑战。从概念上说，“寻位 一加工 是利用图像和传感技术、人工智能的大范围工件寻位算法以及计算机 手段，求解出工件的实际姿态和位置，再用无须预设严格程序的以工件寻位后 反馈信息作为基础，实时生成刀具运动路径和轨迹实现工件的加工。寻位一加 工只是不需定位，而夹紧仍是必须的，无法将其省略。 ( 4 ) 智能化技术 由于以下五个方面因素，使得机床利用率通常只有2 5 ：编程、程序编辑 和试切；测量、输入和管理刀具数据；由于生产计划改变，机床的重新调整； 对机床生产的数量和运转情况向上级报告和监控；对工件安装方法作出决策和 寻找夹具。针对以上五个因素，m a z a k 提出了智能化生产中心( c y b e rp r o d u c t i o n c e n t e r ) ，即在工厂内实行网络化，通过将机器、加工程序、夹具以及生产日 程安排等所有数据都进行共享，从而实现对工厂的实时管理，帮助用户工厂实 现智能化。 1 2 2 工件送进式机床 ( 1 ) 工件送进式机床原理： 工件送进机床也称工作台倒置式机床，其原理是：主轴装于机床上部并携 带工件倒置。各个运动轴( 3 5 轴) 全部或大部集中于主轴。刀具装于机床下 部，加工时主轴按数控软件指令将工件运送到刀尖。 这类机床最早出现于十几年前的“倒立车 ，现在又有了革命性新发展： 从立车式发展到加工中心式，而且具有一组排列式刀具或动力刀具轴。这些刀 具皆为模块化，根据加工要求设置，加工对象变更时更换刀具很方便。如放置 卧式数控车床的转塔刀架( 转塔转位就实现了换刀，转塔刀架中还可以包含动 力刀架，如铣刀轴、钻头轴、丝锥轴等) ，还可放置独立的大功率铣刀轴、外 圆磨头、内圆磨头、珩磨头、激光头以及齿轮、涡轮滚刀轴等。这样，就成为 一台多功能或复合加工机床( 制造单元) ，可实现除装夹基面以外的全部加工。 不再只限于加工回转体类零件，还可加工非回转体类零件，即菱柱体类零件， 如板、壳、箱体、缸盖等及其他异形零件。 ( 2 ) - 1 - 件送进式机床有下列优点： 可实现自动上下料：工作台倒置，不需丝毫额外的投入，就可实现自 动上下料的功能，从而由单机升级为制造单元一一进入自动线、实现自动化无 人生产的通行证。同时排屑方便，适合于大批量自动化生产。 加工对象变更时可快速调整：工件一刀具相对位置及其精度靠智能数 控软件保证，既节省了定位和对刀时间，又在加工对象变更时很容易调整，适 合新产品研发和量产。此外，在加工对象变更时还要变更模块化刀具。 夹具相对简单。原则上不需设计制造复杂的专用夹具，因而加工新产 品的周期大大缩短，费用大大降低。 换刀时间短( 即主轴送进) ：省略了传统加工中心换刀的大部分动作， 因而节省了换刀时间。 机床制造难度低：由于工件一刀具运动链大为缩短，简化了机床结构， 降低了机床各部件间相对位置精度要求，因而降低了机床制造难度。 初期投资小：即投资是柔性的，与传统生产线相比，总投资小。一般 一台工件送进式机床可以满足生产节拍1 m i n 左右的要求，这时一台工件送进式 机床就大部或全部代替了一条生产线。这显然投资小得多，也不存在产能过剩 问题。如果生产节拍要求更短，可以再加一台工件送进式机床，以此类推。 无工件传输系统：与传统生产线相比，省略了工件自动传输系统，占 用车间面积小，安装费用低。综上所述，工件送进式机床的机床利用率可高达 约7 5 ，每一台工件送进式机床可以全部或大部分代替一条生产线。显然，这 是对统治汽车零件生产1 0 0 多年历史的生产线制造技术的挑战。 1 3 制动盘加工工艺分析及对数控装备的要求 制动盘的形状多为碟形，如图1 2 所示。制动盘用导热性能好、耐热性和 机械强度高、受热时摩擦系数变化小的不锈钢材料制成。尽管用铸铁制造制动 盘，其制动效果比不锈钢要好，但他容易生锈，不得已只好采用马氏体不锈钢。 为了增加散热面积，减轻质量，减小噪声，一般在圆盘上只有很多放射性的孔， 使车轮旋转时，空气流动带走热量。为了防止制动盘的变形，有些制动盘采用 浮动装配方式，即在从中心向外圆方向开一些长孔，在与螺杆接触处留有空隙， 用它抵消制动盘圆周方向的热膨胀，防止变形【z j 。 从制动力来考虑，为了提高盘式制动器的效能，可以采用增大制动盘直径 的方法。根据杠杆原理，直径越大，即使制动钳和摩擦材料的性能不变，也可 以增加制动力矩，还会由于面积的增加，使散热效果变好。但这样不仅增加了 摩托车的质量，使系统的动量增大，对制动性、加速性、舒适性都会产生不良 影响，而且制动盘增大更容易产生变形，导致制动力解除得不彻底。因此，制 动盘的增大也是有限度的。制动盘的外径必须与车轮的直径相匹配，一般制动 盘的外径与其轮辋直径之比，前轮为0 4 5 0 7 0 ，后轮为0 4 0 - - - 0 5 0 ，排量为 4 2 5 0 m l 以上的中排量摩托车的制动盘外径一般为2 0 0 3 0 0 m m 。制动盘的厚度 与热容量有关，厚度大，热容量大，热衰退性能好。但厚度太大，不仪消耗的 材料多，而且还增加了车的质量，故一般前轮制动盘厚度为5 7 m m ，后制动 盘厚度为5 6 m m 。 零 2 二l k j ， ：；：翟w ”一日三兰目堋l 目刿 z 。 一 圈1 2 制动盘幽纸 制动盘要求具有一定的抗拉强度和耐磨性，这一点是由其加工工艺中热处 理及表面处理这一环节来保证的。同样为保证制动盘具有良好的制动效能，其 外形尺寸的工艺也具有较高的要求，制动盘两个工作面的平行度应小于 0 0 1 5 r a m ，而且两工作面周向、径向薄厚差均有特定尺寸要求。零件在热处理 之前已将粗车外圆、端面等加工工序进行完毕，对两个工作面所留的加工余 景要适当加大，热处理后，要对两个工作面进行校正，例如用压力机枝平，以 消除由于热变形所产生的变形。经校正后，在专用机床上进行精车和磨削加工， 一般先车削、磨削完成一个工作面之后，再车削、磨削另外一个工作面，从而 保证制动盘两个平行平面的平行度要求。而且，制动盘的工作面是以特殊的工 艺磨削的，花纹平整美观。制动盘的安装螺柱孔、定位孔采用专用模具管位配 钻，使位置度符合图纸和安装要求。 制动盘的年产工艺中，车削加工占机械加工中的大多数工时，且工序较为 分敝，并且，在制动盘的规格中，轮廓尺寸范围较大，直径从中1 6 0 - - 中3 2 0 m m 变动，可谓品种繁多，为此，设计研发出适合于盘类零件多品种大批量生产的 车削中心便是解决不断扩大的产量与制动盘规格的多品种之间矛盾的重要对 策。 根据制动盘车削加工中存在的问题结合近年来国内外近年来开发的几种 柔性自动线，制造单元的特点车削中心须具备加工中心的特点并具备一定程度 的柔性。 1 3 1 加工中心的定义t 3 j 加工中心的英语单词是m a c h i n i n gc e n t e r ，然而，对其定义的理解则不尽 一致。我国对加工中心的定义，是根据国标g b 6 4 7 7 - - l9 8 6 金属切削机床术 语而命名的，即“自动换刀的数控镗铣床。也就是说，工件经一次装夹后能 自动完成铣、镗、钻、铰等多工序加工。 欧洲的概念则和我们有所不同，他们认为加工中心必须是床身型的，应带 有交换工作台，一般用于批量牛产，并容易组成f m c 和f m s ，他们之所以强 调批产，因为他们早在2 0 世界8 0 年代就对刚性机床( 专机) 与柔性机床( 数 控) 曾做过一番分析，当时认为，如果加工中心每年能制作8 万个零件，那么 选用是合理的，否则还是选专机。而现在，随着机床高速加工的不断发展，加 工中心可年产零件2 0 2 5 万件，甚至更多，生命力非常旺盛，因此有许多原来 擅长于专机的制造商，也纷纷转而发展加工中心了。 1 3 2 柔性的定义【4 】 可以表述为两个方面：第一方面是系统适应外部环境变化的能力，可用系 统满足新产品要求的程度来衡量；第二方面是系统适应内部变化的能力，可用 在有干扰( 如机器出现故障) 情况下，系统的生产率与无干扰情况下的牛产率 期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性 而言的，传统的“刚性 自动 化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是 固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低。但价格相当昂贵，且只能 加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生 产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存 能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内，生产出较 低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性己占有相当重要的位置。 柔性主要包括： 1 ) 机器柔性：当要求生产一系列不同类型的产品时，机器随产品变化而加 工不同零件的难易程度。 2 ) 工艺柔性：一是工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力；二 是制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。 3 ) 产品柔性：一是产品更新或完全转向后，系统能够非常经济和迅速地生 产出新产品的能力；二是产品更新后，对老产品有用特性的继承能力和 兼容能力。 4 ) 维护柔性：采用多种方式查询、处理故障，保障生产正常进行的能力。 5 ) 生产能力柔性：当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。对于根据 订货而组织生产的制造系统，这一点尤为重要。 6 ) 扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块， 构成一个更大系统的能力。 6 7 ) 运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力 和同样的产品，换用不同工序加工的能力。 1 4 我国数控车床发展现状1 5 j 我国数控车床发展，始于2 0 世纪7 0 年代，通过3 0 余年的发展，我国生产 的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床( 平床身卧式数控 车床) 、普及型数控车床( 斜床身数控卧式车床和数控立式车床) 和中高档数控 车床( 3 轴控制以上) 三种形式。经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构 和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量9 0 。普及型数控车床生产量不到数 控车床产量的1 0 。中高档数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控 车床产量的o 0 2 。 经济型数控车床，价格低廉，售价仅1 0 万元左右，不到普及型数控车床的 1 3 ，设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民 营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。我国已有十余家企业 生产规模达到年产千台以上。 普及型数控车床，即2 轴控制的卧式数控车床( 斜床身) 和立式数控车床， 国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需要。 车削中心等3 轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进 口产品或合资、独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人等机床有限公司生产的 产品，国产机床市场占有率较低。近几年，虽然我国开发了不少中档数控车床 新品种，如具有y 轴功能的车削中心、双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴 立式车削单元、车铣复合中心等等，但是，高级型数控车床的重点是要进一步 开发市场，取得国内用户广泛认可。 “十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成 熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床 设计和制造技术、从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车 床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架9 轴控制车铣复合中心，我 国已有多家企业开发试制成功，有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上 看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有l0 0 多个数控车床新品种， 可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床己形成规模生产， 有十余家企业生产规模达到年产千台以上。 1 5 课题来源与研究内容 1 5 1 课题来源 本论文来源于浙江省玉环隆中机车零部件有限公司委托合肥工业大学 c i m s 研究所开发的浙江省玉环县科技计划项目“盘类零件全自动柔性数控车 削中心的研制”，是作者在研究生学习期间参加上述课题的总结与展望。 7 玉环隆中机车零部件有限公司隶属隆中控股集团公司，创建于1 9 8 8 年，公 司主导产品一两轮车制动盘，已成为国内外知名品牌，产品畅销亚洲、欧洲、 美洲等几十个国家和地区，成为国内最大的两轮车制动盘出口基地。目前，公 司采用传统的车削工艺生产加工方式，急需对制动盘车削加工方式进行改进， 盘类零件全自动柔性数控车削中心项目，是一种能够适应盘类零件的多品种大 批量生产，可以实现自动上下料、自动换刀并进行连续工序加工的全功能柔性 制造单元。这对提高机床利用率，节省工时及人力投入，保障生产加工过程的 高效率和连续性，提高生产效率是十分重要的。 1 5 2 本论文研究内容 论文以盘类零件多品种大批量生产方式为研究对象，重点研究了柔性数控 车削中心s t a r 2 1 c ( p ) 的总体设计方案、机械结构设计及系统软硬件设计。 第一章绪论部分分析了国外制造业对新兴的多品种大批量生产方式的应对 策略、我国数控车床的发展现状及趋势，针对制动盘加工工艺进行分析，确定 了盘类零件全自动柔性数控车削中心的要求。本文的课题来源和研究内容。 第二章分析了盘类零件全自动柔性数控车削中心的实施性问题，提出了设 计方案的原则，并提出总体设计方案；划分了车削中心的各个模块及其功能。 确定车削中心主要模块的大体方案。 第三章研究了车削中心各个模块的机械结构设计，详细介绍了各个功能模 块的设计及工作原理，车削中心车削加工的工艺流程。设计工具采用a u t o c a d ， 并运用p r o e 进行机床三维模型的建立。 第四章介绍了数控车削中心车床数控系统的硬件、软件总体架构及各个功 能模块的设计，重点研究了底层控制模块主要运动控制功能的实现方法。介绍 了主轴控制模块的设计及实现。 第五章研究了车削中心数据通信模块中工业p c 间的通信程序设计，基于 p l c 的物料输送控制系统中主控p c 与p l c 、p l c 各个工作站之间数据通信的 实现方法及部分程序的设计。根据系统的通信环节介绍了通信模块的通信网络 设计方案，以及网络通信部分程序的实现方法。 第六章对全文工作进行了总结，并对系统的下一步工作做了展望。 8 第二章s t a r 2 1 c ( p ) 柔性数控车削中心总体方案设计 2 1 产品开发技术方案 2 1 1 车削中心总体方案设计原则 为适应盘类零件的多品种大批量生产，结合制动盘的车削加工工艺，车削 中心的总体方案设计依据了以下几个原则： ( 1 ) 尽可能的缩短零件在一台车床上的加工工时，避免因工序分散造成的 重复装夹、对刀以及零件从一道工序到下一道工序的运送工作量。 ( 2 ) 能够实现零件的自动上下料，从而实现单机向制造单元的转变，并能 够进入自动线。还需解决零件在加工前和加工完毕后的存放问题。 ( 3 ) 能够实现零件的自动装夹，节省人力投入。且夹具相对简单，能够适 应所有尺寸的盘类零件，即具有夹具柔性。 ( 4 ) 加工对象变更时能够快速调整，工件一刀具相对位置及其精度靠智能 数控软件保证，节省定位和对刀时间。 ( 5 ) 机床制造难度低。结构中的部分关键部件的设计采用相同的思路，必 要时采用相同的尺寸，从而减轻设计压力、降低制造难度。 ( 6 ) 具备生产能力柔性。当生产量改变、系统也能经济地运行，能够根据 订货而添加相应的模块从而组成具备更高生产能力的制造系统。当组 成更高能力的柔性制造系统时，在不增加硬件成本的前提下，可以利 用网络，以提高设备利用率和使用质量。 在这些原则的指导下，研制出相应的制造系统。针对制动盘这种内外圆、 工作平面对车削质量具有较高要求的盘类零件，且产品规格种类多样，属于大 批量生产性质，立式车床以其具有较大加工直径、零件装夹方法灵活多样、加 工产品经常更换、且容易组成制造单元进入自动生产线等突出的优点特别适合 于盘、环类零件的大规模牛产。 2 1 2 立式车床车削工艺的基本要点【6 j 立式车床车削工艺的基本要点，包括合理的选择零件的装夹、定位、校正 和测量方法，以及车削工艺的基本特点。零件的装夹、定位、校正和测量方法， 虽属于车削前后的准备工作和辅助操作，但对提高劳动生产率和产品质量有着 密切关系，它与合理地选用机床、刀具与切削用量等有同样意义。 1 装夹：能够快速装夹，即能实现快速拆卸，可以缩短辅助时间；装夹必 须牢固可靠，有足够的夹紧力。但零件的变形是夹紧力过大或夹紧方法 不当所引起的，影响零件的加工精度。从缩短装夹辅助时间和提高零件 加工精度来看，夹紧机构的选择和装夹方法对夹紧力的控制有很大关 系。 2 定位：在立式车床上对零件的定位，就是如何选取零件定位基准面，通 9 常主要以端面定位和内外圆定中心轴线。所选取的定位基准，必须保证 定位精度和定位稳定性，减少由于定位引起的制造误差，减少零件的变 形和保证操作安全，达到质量好、效率高的要求。 3 校正：即使零件中心与工作台旋转中心相重合。校正工作是在零件尚未 完全夹紧和定位状态下进行的。一边校正，一边调整夹紧机构夹紧力的 大小，直到校正后符合零件工艺要求时，则夹紧、定位和校正同时完成。 最后在夹紧状态下，再复查校正位置的正确性，并检查零件经夹紧后的 变形程度。 4 测量：测量工作是保证产品质量的重要环节之一。立式车床车削零件的 最后一个步骤，就是按所规定的技术文件( 如设计图、工艺规范等) 要 求，对本工序做技术测量，而零件加工工序安排到立式车床上车削，一 般都属于该零件的最终一道工序，因此，车削质量决定了零件最后加工 精度，其测量工作很重要。 2 1 3 车削中心总体方案 按照系统的设计原则，车削中心的总体方案如下： ( 1 ) 车床采用双刀架，即两个刀架连续加工的方式，刀架仍采用目前较 普遍的立轴四工位方刀架。零件除可以在一台机床上进行外圆、内 孔的车削外，还可以同时进行端面的车削。 不同于工件送进式机床的工作台倒置，主轴仍然顺置，自动上下料 功能由专门设计的物料输送系统完成。 车削中心由两台双刀架立式数控车床和物料输送系统组成，两台车 床在物料输送系统的配合下，能够完成制动盘两个工作面的连续加 工，提高了机床利用率，保障了生产加工过程的高效率和连续性。 物料输送系统由每台车床配备的自动送料机构和往返于两台车床间 抓取零件的运料小车组成，自动送料机构有左右两个料库，分别用 于存放一道工序中未加工和加工完毕的工件。 零件的送料和抓取由机械手完成，零件在主轴上的装夹由自动装夹 卡盘完成，且机械手和卡盘均适合所有尺寸规格的制动盘。 车床是对称式布局，床身的设计多采用焊接工艺，床身由中间的连接箱体 与其两侧的左右底座焊接而成，主轴箱连接在中间的连接箱体上。底座上的立 柱水平移动形成机床的x 轴，刀架在立柱上刀架托板的带动下上下移动形成z 轴。 2 2 产品开发组成 2 2 1 产品开发流程 产品开发的过程应按照如图2 1 所示的流程图完成。其准备工作主要包 1 0 ) ) ) 2 3 4ll 括：了解机床机械结构特点，机床的使用性能对数控系统的功能提出了哪些要 求。 广义的数控系统指c n c 单元及伺服单元，在进行控制系统设计时，应当根 据机床的使用性能完成c n c 系统方案的确定、主轴伺服系统的选型、进给伺服 系统的选型。确定了数控系统方案后，应当仔细研究数控系统的接口规范，以 便完成数控系统与主轴伺服系统、进给伺服系统的连接设计及连线：根据机床 的辅助装置规划i o 接口信号地址：设计强电控制电路、机床各机构电气控制 电路，并完成电气控