（机械制造及其自动化专业论文）大型数控双磨头立式磨床控制系统开发.pdf

摘要 随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争目益激烈。零件形状越来越 复杂，精度要求也越来越高，为满足市场需要，数控机床的需求日益增大。伴随 着计算机技术的飞速发展，2 0 世纪末在制造业形成了以数控技术为代表的技术 竞争，这种竞争在中、小型数控车床、数控铣床加工范围内已近乎白热化。这种 竞争极大地促进了我国制造业的发展，在替代进口方面已经表现出强大的实力。 数控立式磨床，因其磨削主轴和工件均竖直安装，以便磨削圆形工件的内径、外 径和表面，在这里工件和砂轮轴的重力成为有利于磨削的因素，使得工件需要的 夹紧力变小，工件变形小，能够获得更高的加工精度，而倍受欢迎。目前在大型 工件的立式磨削加工方面也表现出强大的数控需求。因为机械零部件制造技术和 数控控制技术方面的原因，直到目前为止，国内还没有机床厂成功生产高档数控 磨床的报道。 作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，结合本人十多年来对1 0 0 多 台数控机床改造成功的经验，对数控机床控制技术进行了深入的研究和分析。在 本文中，结合m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床配制国产化控制系统项目，重点阐述 了机床控制系统的软、硬件设计思想，整个控制以数控系统为中心，通过可编程 控制器的设计使得数控系统、电气控制系统、伺服系统协调统一工作，以实现数 控加工。 在数控磨床控制系统设计的基础上，讨论了整个数控机床系统调试的内容和 步骤，系统地分析了数控机床p l c 控制程序、坐标伺服系统的调试过程，联机运 行后，通过调整c n c 系统机床参数，对数控系统进行参数整定使整个控制达到最 优。同时研究了机床进给系统产生误差的原因和磨削加工中砂轮损耗对加工产生 的影响，在此基础上提出了补偿的方法，开发出误差补差功能以提高机床的加 工精度。利忍数控加工的柔性特点，结合加工工件的工艺特点，采用成组技术的 方法，编制典型工件的n c 加工通用程序，最终对机床进行成功的控制，方便操 作使用和维修。 关键词控制系统：伺服系统；可编程控制器；误差补偿；磨削力q 工；立式磨床 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fc h i n ae c o n o m y t h ec o m p e t i t i o ni nt h ed o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a lm a r k e ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef i e r c e i nm a c h i n eb u i l d i n g t h ep a r t ss h a p ei sb e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d ，a n dt h e yn e e dm u c h h i g h e ra c c u r a c y i no r d e rt om e e tt h em a r k e tr e q u i r e m e n t s ，t h em o r ec n cm a c h i n et o o l sa l en e e d e d w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a 1 1c o m p e t i t i o ni nt h ef i e l do f m a n u f a c t u r i n ga r ea l m o s tb a s e do nc n cc o n t r o lt e c h n o l o g ya tt h ee n do ft w e n t i e t h c e n t u r y , a n di ti si n c a n d e s c e n tr e l a t e dt ot h em a c h i n i n gb ym i d d l e s m a l lc n ct u r n i n g m a c h i n e sa n dm i l l i n gm a c h i n e s i th a sb r o u g h ta b o u tag r e a ta d v a n c ei nc h i n a m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y c o m p e t i t i v es t r e n g t hh a ss h o w ni nt h em a r k e ti n s t e a do f i m p o r tg o o d s r e c e n t l y , c n ct e c h n o l o g yr e q u i r e m e n th a sa p p e a r e di nt h ef i e l do f l a r g ep a r t sg r i n d i n g ，a n dt o p - e n dc n cg r i n d i n gm a c h i n eh a sn o tb e a nr e p o r t e da s p r o d u c t si nd o m e s t i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e c a u s eo ft h eb a c k w a r dt e c h n o l o g yi n p a r t sm a k i n ga n dc n cc o n t r o l l i n gf i e l d b a s e do ns e a r c h i n ga n dc o n s u l t i n go fa m o u n t so fr e l a t e dt e c h n i c a td o c u m e n t s , a n dc o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c eo fm o r et h a no n eh u n d r e dc n cm a c h i n et o o l s r e b u i l d i n g 。t h ew r i t e rh a ss e r i o u s l ys t u d i e da n dr e s e a r c h e dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yf o r c n cm a c h i n et o o l s o nt h e b a s i so fc o n t r o l l i n gs y s t e mo fm k 2 8 2 5 0c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) v e r t i c a lg r i n d e ro fd o u b l eg r i n ds p i n d l e ，t h i sp a p e rf o c u so n t h ed e s c r i p t i o no fm a c h i n et o o lc o n t r o ls y r s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t o w h o l ec o n t r o ls y s t e m ，t h ec n cc o n t r o ls y s t e mi st h ec e n t r e ，w h i c hc a nw o r ki n c o o r d i n a t i o nt h r o u g ht h ed e s i g no fp l c a l lt h ec n cc o n t r o ls 3 ，s t e ma n de l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m s e r v os y s t e m l a s t l y , t h ec n cm a c h i n i n gi sf i n i s h e d b a s e do nt h ed e s i g no f c n cg r i n d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m , t h ep a p e rd i s c u s s t h ec o n t e n ta n ds t e p so f t o t a la d j u s t m e n tf o rc n cm a c h i d et o o lc o n t r o ls y s t e m a n di t a n a l y z ea d j u s t i n gp r o c e s so fc n c m a c h i n et 0 0 1 p l cp r o g r a ma n dc o o r d i n a t es e r v o s y s t e m a f t e rt h e0 1 1 1 i n eo p e r a t i o n ，c o n t r o ls y s t e mo f t h e 鲥n d i n gm a c h i n ec a nr e a c h t h eb e s ts y s t e ms i t u a t i o nb ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e ro f t h em a c h i n et o o la n dt h ec n c c o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e l a n a l y s i st h es o u r c eo fw h i c hc a u s et h ee n o r a n di t d e v e l o pt h es p e c i a lf u n c t i o nb a s e do nt h ep r o p e r t yo fc n cc o m p e n s a t i o nt or e a c h h i g h e rm a c h i n et o o la c c u r a c v m a k i n gf u l il l s co ft h ef l e x i b i l i t yo fc n cm a c h i n i n g a n dt h ep a r tp r o c e s sf e a t u r e s ，t h ep a p e rw o r ko u tt h et y p i c a lp r o g r a ml i n kt h eg r o u p t e c h n o l o g y , w h i c hs h o u l db ec o n v e n i e n tf o rt h eo p e r a t i o na n dt h er e p a i r i n g f i n a l l yi t c o n t r o lt h em a c h i n es u c c e s s f u l l y 1 畸w o r d s ：v e r t i c a l 鲥n d i n gm a c h i n et o o l ；t h ee r r o rc o m p e n s a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m ；s e t v os y s t e m ； p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，论文中不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借读；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 歪邑垒日期：2 q q 生璺旦旦 年 第1 章绪论 第1 章绪论 计算机技术与工程技术相结合是现代科技发展的一个重要方面，自2 0 世纪 中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。数控技术集传统 的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息 处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代先进制造 技术的基础和核心，是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是一 种知识密集型和资金密集型的技术，已被国家列入”十五”期间重点发展的前沿技 术。它不仅是提高产品质量和劳动生产率必不可少的物质手段，而且是现代各种 新兴技术或尖端技术得以存在或发展的“使能技术”，是使我国成为制造大国， 实现制造强国梦想的物质基础。以数控技术为基础的相关产业是关系到国家战略 地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术水平高低已成为衡量一 个国家工业现代化水平的重要标志。 1 1 数控磨床控制系统的发展与应用 磨削加工技术是先进制造技术的重要领域，是现代制造业中实现精密加工、 超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。 当今，磨削加工技术的发展趋势是向着采用超硬磨料磨具、发展高速、高效、 高精度磨削新工艺、装备数控磨床的方向发展。磨床的产品品种众多，资料表明 磨削加工量约占机械加工总量的3 0 。随着机械制造业向着f m s ( 柔性制造系 统) 、c i m s ( 计算机集成制造系统) 、i m s ( 智能制造系统) 高度自动化方向发 展，对磨削加工提出了自动化的要求，2 0 世纪8 0 年代、9 0 年代数控磨床迅速发 展进入普及实用时期。 1 1 1 数控磨床控制系统概述 用磨料和磨具( 如砂轮、砂带、油石等) 对工件表面进行切削加工的机床称为 磨床。磨床所加工的材料广泛，特别是淬硬钢和各种难加工材料的加工，可以说 磨削是最主要的加工方法。磨床可用于磨削内、外圆柱面和圆锥面、平面、螺旋 面、花键、齿轮、导轨、刀具及各种成形面等的加工，应用范围非常广泛。 磨床的产品品种众多。主要类型有外圆磨床，内圆磨床、平面及端面磨床、 坐标磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床、导轨磨床、专门化磨床( 如曲轴磨床、凸 轮轴磨床、轧辊磨床) 、砂带磨床、研磨机，抛光机，超精加工机、各种轴承磨 床及专用磨床。各类磨床都向着c n c 磨床及磨削加工中心发展。 数控磨床是指通过数字化操作指令进行控制的磨床。象其它数控机床一样， 大都有机床主体、数控装置、伺服驱动装置、主轴驱动装置及控制器等几大部分 构成，数控系统的核心是c n c 装置。数控系统是由程序输入输出设备、计算机数 j 北京工业大学工学硕士学位论文 字控制装置( c n c 装置) 、可编程控制器( p l c ) 、主轴驱动和进给驱动装置等 组成。c n c 装置由硬件及软件组成。硬件由微处理器、存储器、位置控制、输入 输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成，软件则由系统软件和 应用软件组成。在系统软件控制下，c n c 装置对输入的加工程序自动进行处理并 发出相应的控制指令及进给控制信号。系统软件由管理软件和控制软件组成。管 理软件系指零件加工程序的输入输出、系统显示功能和诊断能力。控制软件则包 括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。数控磨床控制系统框 图如图卜1 中所示。 图卜1 数控磨床控制系统框图 f i g 1 1 c o n t r o lf r a m eo f c n cg r i n d i n gm a c h i n et o o l 可编程控制器主要用于实现对机床辅助功能m 、主轴转速功能s 和换砂轮功 能t 的控制。伺服系统( 或称驱动系统) 包括伺服控制线路、功率放大线路、伺 服电动机等执行装置，它接收计算机数控装置发来的各种动作命令，驱动受控机 械的运动。数控磨床的驱动系统主要有进给驱动系统、砂轮主轴驱动系统、工件 驱动系统。进给驱动包括速度控制系统、位置控制系统、伺服电机和机械传动部 件。速度控制是控制磨床各坐标轴的磨削进给运动，位置控制是精确地控制磨床 运动部件的坐标位置，快速而准确地跟踪运动指令。主轴驱动系统是控制磨床主 轴旋转运动，提供磨削动力功率。工件驱动系统带动工件运动，实现工件加工面 的磨削加工。 数控磨床种类繁多。按磨床的工艺用途分有数控外圆磨床、数控内圆磨床、 数控平面磨床、数控工具磨床等众多的普通数控磨床，还有数控磨削加工中心。 按受控磨床的运动轨迹分有点位控制、直线控制、轮廓控制磨床等。按伺服系统 的控制方式分为开环控制、闭环控制、半闭环控制、混合控制等。按砂轮主轴与 水平面的安装角度分有卧式磨床、立式磨床等。数控立式磨床，因其磨削主轴和 工件均竖直安装，以便磨削圆形工件的内径、外径和表面，在这里工件和砂轮轴 的重力成为有利于磨削的因素，使得工件需要的夹紧力变小，工件变形小，能够 获得更高的加工精度，而倍受欢迎。 1 1 2 磨床数控技术及其组成 磨床控制系统作为机床控制系统的组成部分，它来源于机床控制系统，并随 着数控技术而发展。 2 - 第l 章绪论 计算机数字控制机床( c o m p u t e rn u m b e rc o n t r o l 驵a c h i n et o o t ) 简称数控机 床，是具有广阔发展丽景的新型自动化机床，其广义定义为由控制器、机械结构、 伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。控制器就是通常所说的计算机数控系 统，它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的 运动控制功能、人机交互功能、数据管理功能和相关的辅助控制功能，是数控装 备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控体系的中心模块；机械结构 是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台，如数控机床中的铣床、车床 和加工中心、磨床等的机械部分，数控机器人中的机械手和机械臂等，机械结构 根据具体应用场合的不同，具体形态千差万别，但都可以按照运动学和动力学方 法简化成运动机构的各种组合形式，这种组合越复杂其对控常4 器的能力要求就越 高，同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制，同样一种机械结构可接受不 同控制器的控制，这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的产品类 型；伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道，它将控制器数字量的指 令输出转换成各种形式的电机运动，带动机械结构上执行元件运动，实现其所规 划出来的运动轨迹，伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分，其任务实质 是实现一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控 制。在此基础上，得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬件 功能和性能的能力，随着开放式数控技术的出现，数控系统体系具备了自我扩展 和自我维护的功能。因此，开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组成 部分融入了数控系统体系结构中，并在深刻改变着传统数控系统的结构特征和应 用方式。 1 1 3 磨床数控系统的发展简史 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分 代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳 动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 在1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床， 人类有了数控系统和数控技术的概念。从此，传统机床产生了质的变化，机械加 工手段日新月异。综观半个多世纪以来随着计算机技术的发展，数控系统经历了 两个阶段和六代的发展。 ( 1 ) 数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年)早期计算机的运算速度低，对当 时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。因此， 人们不得不采用数字逻辑电路”搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为 硬件连接数控( h a r d - w i r e dn c ) ，简称为数控( n c ) 。随着元器件的发展，这个 阶段历经了三代，即1 9 5 2 年的第一代一电子管；1 9 5 9 年的第二代晶体管；1 9 6 5 年的第三代小规模集成电路。 ( 2 ) 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年现在)到1 9 7 0 年，通用小型计 算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进 入了计算机数控( c n c ) 阶段。这是第一代的计算机数控系统。 到1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件 北京工业大学工学硕士学位论文 一运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理 器( m i c r o p r 0 c e s s o r ) ，又称为中央处理单元( c e n t r a lp r o c e s su n i t ) ，简称 c p u 。1 9 7 4 年微处理器被应用于数控系统，产生了第二代计算机数控系统。这是 因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕，显得资源浪费，不如采用 微处理器经济合理；而且当时的小型机可靠性也不理想；虽然当时的微处理器速 度和功能还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算 机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1 9 9 0 年，p c 机的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核 心部件的要求，从此，进入了基于p c 的第三代计算机数控系统阶段。 随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高精 度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的发展， 机床控制的数控化是其中的一个重要体现。制造技术的竞争j 下在演变成机床数控 技术的竞争，各国都在加大对数控技术研发的投入。 1 1 4 磨床控制系统的发展趋势 基于现代计算机技术的高速发展，现代磨床控制系统表现出以下发展趋势： ( 1 ) 继续向开放式、基于p c 的第六代方向发展基于p c 所具有的开放性、 低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家在走上这 条道路。至少采用p c 机作为它的f j 端机，来处理人机界面、编程、联网通讯等 问题，由原有的系统承担数控的任务。p c 机所具有的友好的人机界面，将普及 到所有的数控系统，远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。 ( 2 ) 向高速化和高精度化发展适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 ( 3 ) 向智能化方向发展随着人工智能技术在计算机领域的不断渗透和发 展，数控系统的智能化程度将不断提高。主要表现在以下几个方面： 应用自适应控制技术控制系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系 统的有关参数，达到改进优化系统运行状态的目的。 引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊 规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统来指 导加工，弥补操作工人和工艺人员个人知识的欠缺。 引入故障诊断专家系统将维修经验和硬件信息存入系统中，作为系统自诊 断系统，随时进行监控，方便设备的维护。 智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而调整参数，使驱动系 统获得最佳的运行。 1 2 数控磨床控制系统的发展现状 随着对机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高 耐磨性的新型材料的应用增多，给磨削加工提出了许多新问题，当前，磨削加工 技术j 下朝着超硬磨料磨具，开发精密及超精密磨削，高速、高效磨削工艺及研制 高精度、高刚度的自动化磨床方向发展。 第1 章绪论 近年几乎所有种类的磨床都有c n c 产品，c n c 工具磨床已从3 轴发展到1 0 轴。可实现联机测量、自动交换砂轮和自动装卸工件的磨削加工中心的出现，标 志c n c 磨削达到了一个新的水平。磨床控制系统的开发也有很大进展。利用检测 信息和磨削数据库、自适应优化磨削条件和判断磨削工作状态，利用计算机仿真 与虚拟技术，建立逼真的虚拟磨削环境，实现磨削加工的智能化。 对砂轮的磨损与破损情况进行监控，对磨削加工后零件尺寸、形状及位置精 度、表面质量进行在线检测。这都是目前开发研究的课题。 对磨削加工情报信息的处理与数据输入、磨削方式选择与磨削顺序的安排， 对磨削条件与磨削规范、砂轮修整规范的自动选定，磨削加工过程状态的监控与 补偿仿真与虚拟等问题，都要在软件设计与开发中合理解决，各国都在开发专家 系统与智能系统软件，在大型数控立式磨床控制系统上尤其突出。 1 2 1 国际上的发展现状 德国凯伦、法国贝蒂、意大利法利图等公司率先以s i e m e n s8 4 0 d 数控系统 为内核基础研制成功大型数控立式磨床控制系统，并先后投入到立式磨床的生产 中，取得了良好的效果，形成垄断之势，设备在市场上的销售价格居高不下，获 得了丰厚的市场利润。 在技术方面进行严格保密，其共同的作法是技术垄断和封锁。在控制系统上 采用德国s i e m e n s 公司生产的8 4 0 d 数控系统硬件为基础，利用其开放性接口进 行二次开发，结合机械结构特点，开发出合适的控制算法，加密后形成与机械结 构相配合的控制系统，而在机械结构、液压结构、气动结构等方面采用不可拆卸 维修的方式进行技术封锁。这些结构，一旦被拆卸，即改变了原有的状态，几乎 不可能回到以前的状态，这时如要得到以前的控制效果，就必须更改软件控制参 数，然而，这部分控制软件及参数却被加密了，达到技术保密的效果。 为提高加工效率，自带砂轮自动交换装置，由磨头主轴自动转换位置或引入 加工中心刀库结构自带砂轮库实现砂轮的自动交换。 为提高工件的加工精度，在砂轮轴上加装动平衡装置，提高砂轮高速旋转的 平稳性，从而提高工件磨削表面的质量。 采用光栅尺检测坐标轴的运动位置，形成全闭环控制，提高准确定位精度， 更有甚者，加装主动测量装置，精确控制工件的加工尺寸。 目前在国际上，4 ) 2 5 0 0 m m 回转工作台的数控立式磨床其主要技术指标如下： 回转工作台：尺寸由2 5 0 0 m m ，转速0 l o o r p m ，跳动0 0 0 2 m 。 磨头主轴：功率2 0 k w ，转速o 3 0 0 0 r p m ，跳动0 0 0 2 m m 。 坐标轴：定位精度0 0 0 2 m m ，重复定位精度0 0 0 1 m m ，最小进给量0 0 0 1 m 。 砂轮直径：由2 5 0 由5 0 0 。 1 2 2 国内的发展现状 在国内，随着制造业的发展，对大型数控立式磨床的需求越来越多，比如对 北京工业大学工学硕士学位论文 大型和特大型轴承滚道的磨削加工，引来不少有识之士投入到犬型数控立式磨床 的研制工作。在本课题开始研究以前，据所查阅到的文献资料来看尚无巾1 6 0 0 m m 以上大型数控立式磨床试制成功的报道。 1 3 研究的内容和意义 本课题就是基于当前这种工业的发展趋势而提出，其研究成果首先运用于为 从美国进口的m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床配控制系统项目。 1 3 1 研究的内容 本课题的主要研究内容是： ( 1 ) 根据m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床的结构特点，选用合适的数控( c n c ) 系统硬件。 ( 2 ) 根据m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床的结构特点，选用合适的伺服驱动 系统和电机。 ( 3 ) 根据m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床的结构特点，选配合适的可编程控 制器( p l c ) 系统及其输入输出( i o ) 装置。 ( 4 ) 根据m k 2 8 2 5 0 双磨头数控立式磨床的结构特点和选定的c n c 系统、p l c 系统，设计电气控制硬件回路。 ( 5 ) 以选定的数控系统作为基础，进行合理的二次开发工作，给出合适的 控制算法，实现机床的精度控制。 ( 6 ) 利用p l c 编程开发软件编制适合机床控制的p l c 软件，实现机床控制。 ( 7 ) 在开发控制系统时，需要设计出合理的接口，实现与砂轮修整装置及 其控制部分、机械部分、辅助部分的联结，实现整台机床的集成控制。 ( 8 ) 开发设置合用的操作界面、诊断界面，方便操作和维修。 ( 9 ) 编制符合工艺要求的数控加工程序，实现同类型工件加工的参数化编 程。 1 3 2 研究的意义 本课题研究的意义在于： ( 1 ) 通过本课题的研究，设计出m k 2 8 2 5 0 数控磨床所需要的控制系统，实 现机床的控制。 ( 2 ) 在本控制系统的控制下，m k 2 8 2 5 0 数控磨床能够高精度的稳定运行， 满足磨削加工盘式轴承双圆弧滚道生产的需要。 ( 3 ) 结合m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床的机械机构、液压传动机构、气动传动机 构结构特点，在控制系统的开发过程中积累综合开发经验。 6 第2 章控制系统总体设计 第2 章控制系统总体设计 m k 2 8 2 5 0 数控磨床为双柱式双磨头立式磨床，主要用于对大型盘式轴承双 圆弧形内( 外) 滚道、圆柱面及端面的磨削加工，其整体结构布置见图2 - 1 。 一l 图2 - 1 机床结构布局图 f i g 2 一ig r a p ho f m a c h i n em o n s n u c t i o n 2 1 机床主要结构特点 m k 2 8 2 5 0 数控磨床为机、电、气、液一体化产品。其主要组成部分为： ( 1 ) 机械部分本机床采用定梁结构，如图2 1 中所示，由床身底座、左 立柱、右立柱、横梁构成机床的基础件。床身底座支承着工作转台和电磁卡盘， 两边是左立柱和右立柱支承着横梁构成机床的整体框架。在横梁构件上设有上 下各一条共两条水平方向的导轨，支承着左滑座1 、右滑座l 在水平方向的运 动，形成机床的x l 、x 2 坐标轴。在滑座1 上又各设置了一对垂直方向运动的导 轨，支承着左右滑座2 在垂直方向的运动，形成机床的z 1 、z 2 坐标轴。x l 、x 2 、 z 1 、z 2 坐标轴是由伺服电机驱动，通过一级减速比为1 ：5 的蜗轮蜗杆减速机 构进行传动的，通过滚珠丝杠把电机的旋转运动转化为滑座的直线运动。右磨 头滑座及右磨头砂轮轴构成右磨头部件，带动砂轮在水平方向( x 1 ) 和垂直方 向( z 1 ) 两个坐标轴的运动，实现砂轮对工件的磨削；左磨头滑座及左磨头砂 轮轴构成左磨头部件，带动砂轮在水平方向( x 2 ) 和垂直方向( z 2 ) 两个坐标 轴的运动，实现砂轮对工件的磨肖0 ；工作转台及电磁卡盘构成转台部件，由电 磁卡盘提供的电磁吸引力对工件进行吸附，在磨削加工中固定工件；工作转台 北京工业大学工学硕士学位论文 由伺服电机驱动，通过荫级三角型皮带和一级蜗轮蜗杆共三级形成减速比为l ： 9 9 的减速传动装置带动工作转台旋转，由工作转台的旋转带动工件随着旋转， 实现对工件圆周的磨削加工。 ( 2 ) 砂轮修整装置砂轮修整装置是专为本机床的生产任务而开发的一种 专用的砂轮修整装置。通过各种方案的比较后，采用了把修整园弧形砂轮的摆 动机构和修整量的进给机构集成在一起，实现砂轮的高精度、高效率修整的方 案，结合砂轮轴的运动，能实现双园弧砂轮的修整。该部分另有课题专门研究。 ( 3 ) 辅助装置包括用于提供修整装置动力的液压系统、用于磨削加工冷 却的冷却系统、用于丝杆导轨润滑的自动定时润滑系统、用于修整和防护的气 动系统等。 2 2m k 2 8 2 5 0 数控磨床的主要技术指标 m k 2 8 2 5 0 数控磨床的主要技术指标如下： 磨削范围( i i i i n ) ：由8 0 0 2 8 0 0 砂轮直径( 舢) ：由2 5 0 咖5 0 0 有效行程( m m ) ： 右磨头：x 11 5 0 0 ，z 14 0 0 ，y 12 0 0 左磨头：x 21 5 0 0 ，z 24 0 0 回转工作台s p 3 ：台面直径由2 5 0 0 m m ，转速o 3 5 r p m 电机功率： 右磨头： 主轴s p l ：电机功率2 0 k w ，转速3 0 0 0 r p m ，跳动量0 0 0 1 m m x l 轴：进给速度o 1 0 0 0 m m m i n ，最小进给量0 0 0 1 m m z 1 轴：进给速度o 1 0 0 0 m m m i n ，最小进给量0 0 0 1 m m y 1 轴：进给速度o 2 0 0 m m m i n ，最小进给量0 0 0 1 m m 左磨头： 主轴s p 2 ：电机功率2 0 k w ，转速3 0 0 0 r p m ，跳动量0 0 0 1 m m x 1 轴：进给速度o 1 0 0 0 m m i n ，最小进给量0 0 0 1 m m z 1 轴：进给速度o 1 0 0 0 m m m i n ，最小进给量0 0 0 1 m m 精度： 坐标轴：定位精度0 0 0 5 m m ，重复定位精度0 0 0 2 m m 回转工作台：径向跳动0 0 0 2 m m ，端面跳动0 0 0 2 m m 砂轮主轴：径向跳动0 0 0 1 m m ，端面跳动0 0 0 1 m m 2 3 控制系统的要求 2 3 1m k 2 8 2 5 0 控制系统的控制内容 如图2 - 2 中所示jm k 2 8 2 5 0 的控制内容为： 第2 章控制系统总体设计 图2 - 2m k 2 8 2 5 0 的控制内容 f i g 2 2 c o n t r o lg r a p ho f m k 2 8 2 5 0 机床在工作时，在c n c 系统、p l c 系统的控制下通过左操作站实现对左磨 头的运动控制，包括砂轮主轴的启动停止控制、坐标轴的定位和进给运动控制 等，相关的系统信息由左操作站上的显示单元显示，同时实现人机信息交换 机床在工作时，在c n c 系统、p l c 系统的控制下通过右操作站实现对右磨 头和修整装置的运动控制，包括砂轮主轴的启动停止控制、坐标轴的定位和进 给运动控制、修整装置的运动控制等，相关的系统信息由右操作站上的显示单 元显示，同时实现人机信息交换 在p l c 系统的控制下实现对辅助装最如液压、气动、润滑、冷却等的控制， 实现相应的功能 转台调速及磁盘吸力由外围电控回路控制，把当前状态报告给p l c 系统， 由p l c 系统根据当前状态，通过运算作出相应的处理。 2 3 2 控制系统的要求 由m k 2 8 2 5 0 的结构特点及主要的工作用途，对控制系统提出了以下要求： ( 1 ) 选用的数控系统功能足够强大，能够满足m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床的控 制需要。m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床一共有八个轴需要控制：右砂轮架的砂轮移动 进给轴x 1 、z l 和砂轮修整进给轴y 1 及提供磨削动力的砂轮旋转主轴s p l ，左 砂轮架的砂轮移动进给轴x 2 、z 2 和提供磨削动力的砂轮旋转主轴s p 2 ，带动工 件作旋转运动以实现工件圆周磨削的工件旋转轴s p 3 。其中s p 3 轴为左右两个 砂轮架共同拥有。左右两个砂轮架的运动在同一套c n c 系统的控制下，由不同 的操作站进行独立操作控制，可以同时对同一工件的不同加工部位进行磨削加 锢扫 北京工业大学工学硕士学位论文 工，系统信息由安装在操作站上的显示单元进行独立显示，实现人机信息交换 ( 2 ) 数控系统的控制精度高，动态响应速度快，能够满足m k 2 8 2 5 0 数控立 式磨床高精度控制的要求。m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床坐标轴控制要求定位精度 0 0 0 5 m m ，重复定位精度0 0 0 2 m m ，数控系统的控制分辨率不低于0 0 0 1 n m ( 3 ) 可靠的使用保证。m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床是大型的高精度设备，在生 产工艺流程安排中是单一的工序设备，对正常的生产起着无可替代的关键作用， 因而要求选用的数控系统必须运行性能稳定，同时具有技术先进性，在当前和 今后若干年内的维修备件充足，维护服务及时 ( 4 ) 数控系统具有开放性。开放足够的内部接口，以便于针对m k 2 8 2 5 0 数 控立式磨床的控制要求进行二次开发，使控制系统更优化，适于实现对m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床的稳定控制 2 4c n c 系统选型 从m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床的主要技术指标和用途来看，m k 2 8 2 5 0 无疑属 于高端数控机床，是大型、精密的尖端数控装备。为充分发挥机床的性能，服 务生产，需要选配高档的数控系统对它进行控制。 “十五”期间，我国机床产业发展十分迅猛。据国家统计局资料，2 0 0 5 年我国机床工具行业合计完成工业总产值1 2 6 0 亿元人民币，是“九五”末期的 t 3 倍；产品销售收入1 2 1 3 亿元，是“九五”末期的2 3 9 倍。中国机床工具工 业协会公布的数据表明，在2 0 0 5 年全行业工业总产值中，金属加工机床销售超 过4 0 0 亿元，自2 0 0 2 年起连续三年销售额已居日本、德国、意大利之后，排名 第四位，步入世界最大的机床消费国和最大进口国，仅以2 0 0 4 年为例，我国机 床消费量占世界机床产值的2 0 ，2 0 0 5 年消费量仍在增长。 据中国机床工具工业协会提供的数据，“十五”期间，我国数控机床行业 实现了超高速发展。其产量2 0 0 1 年为1 7 5 2 1 台，2 0 0 2 年为2 4 8 0 3 台，2 0 0 3 年 为3 6 8 1 3 台，2 0 0 4 年为5 1 8 6 1 台，是2 0 0 1 年的3 7 倍，平均年增长3 9 ；2 0 0 5 年国产数控机床产量5 9 6 3 9 台，接近6 万台大关，是“九五”末期的4 2 4 倍。 但是，作为数控机床核心部件的数控系统却大多是进口产品。而这些进口的数 控系统基本为德国西门子( s i e m e n s ) 和日本发那科( f a n u c ) 两大公司所垄 断，这两家公司在世界市场的占有率超过8 0 。2 0 0 6 年2 月在上海举行的“2 0 0 6 中国数控机床展览会”上，应用在国产数控机床上的国产数控系统真是风毛鳞 角。 目前国内高端数控系统的生产能力有所欠缺，与国外差距较大。国内数控 系统企业年产中高端数控系统产量不过几百台，在技术上还属于技术跟踪阶段， 技术质量和稳定性很难保证。而西门子公司和发那科公司的年产量都在几万台 和几十万台，具有很高的稳定性；同时，这两家公司在国内已建成了完善的技 术培训、服务网络等支撑体系，基本上垄断了我国中高档数控系统的市场。对 于m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床这种大型的高、精、尖技术产品当然只有选用从西门 子公司或发那科公司进口的高档数控系统了，而不能去承担因为使用其它厂家 生产的数控系统可能会产生的稳定性低、可靠性低、控制精度差等风险。 由此，在数控系统的选型中有两种方案：一是使用f a n u c 数控系统，二 1 0 第2 章控制系统总体设计 是选用s i e m e n s 数控系统。 从控制性能方面考虑，f a n u c 数控系统完全能够胜任m k 2 8 2 5 0 数控立 式磨床的控制。但是，考虑到用于m k 2 8 2 5 0 数控立式磨床控制的数控系统是一 种高性能的数控系统，具有超越经济价值的战略意义，f a n u c 公司的所在国日 本对出口到中国的高端数控系统始终有许多限制；同时考虑到用户的其它机床 设备的数控系统大部分是西门子产品，因而从设备的操作习惯、维护和备件方 面讲，使用西门子数控系统是比较合理的。 目前，西门子公司适用于大型机床控制的系统型号主要有：8 4 0 d 和8 1 0 d 。 8 1 0 d 最多只能控制5 个轴，不能满足该磨床5 个坐标轴、2 个砂轮主轴、1 个 工件主轴共8 个轴控制的需要。8 4 0 d 数控系统能够满足控制8 个轴的要求。它 是模块化设计的，通过选用不同的模块进行组合，能够实现对任何机床的控制。 从发展趋势看，8 4 0 d 数控系统已经是成熟产品，目前已成为西门子公司高档数 控系统中的主流机型。因此最终选用了s 1 n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统和与之配套 的s i m o d r i v e6 11 d 数字式交流伺服驱动装置，以及人机交互设备m m c l 0 3 ( m a c h i n em a n u a lc o m m u n i c a t i o n ) 和0 p 3 1 ( o p e r a t o rp a n e l ) ，伺服电机选用西 门子1 f k 6 系列交流伺服电机，p l c 由集成在8 4 0 d 系统n c u ( n u m e r i kc o n t r o l u n i t ) 中的内置式p l c 外加扩展i o 接口设备构成。 西门子8 4 0 d 是2 0 世纪9 0 年代后期研制成功推向市场的全数字化、高度 开放的数控系统。它与以往数控系统的不同点是数控与驱动的接口信号是数字 量的，它的人机界面建立在f l e x o s 基础上的w i n d o w s 9 5 ，更易操作，更易掌握， 软件内容更加丰富。具有高度模块化及规范化的结构，它将c n c 和驱动控制集 成在一块板上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在一平方厘米的空间中，便 于编程、操作和监控。8 4 0 d 系统能够满足m k 2 8 2 5 0 高精度的控制要求。它采 用3 2 位微处理器实现c n c 控制，可以使运动控制更精确。数控系统还可通过 预先设置软极限开关的方法，进行工作区域的限制，当超程时可以触发程序进 行减速处理，满足m k 2 8 2 5 0 机床的安全控制需要。机床要求编程方便，8 4 0 d 数控