（机械制造及其自动化专业论文）曲线磨床数控系统的研究.pdf

摘要 曲线磨削设备广泛应用于生产，但现有曲线磨削加工设备中存在的定位误差 大、加工效率低、调整时间长、表面质量难以保证等缺陷。本论文研究了一种新 型高效的五轴数控曲线磨床，设计了五轴数控曲线磨床的硬件结构、电气系统， 并针对数控系统特点和加工需求进行了用户宏程序开发。 本文在对数控系统及数控磨床的发展与特点进行分析和总结基础上，指出了 开展本课题的必要性和实用性。根据磨削原理设计了新型五轴数控曲线磨床的结 构形式和运动模式，并对各种运动关系进行了结构分析。在详细分析设计功能需 求的基础上，充分利用现有市场资源经济合理地选择了f a n u co i - m h 系统来实现 各种系统控制功能。 ， 根据f a n u co i - m h 系统的特点和曲线磨床需要实现的功能，设计了机床整体 控制电路。给出了p l c 软件编制过程。结合实际情况，分析了f a n u co i - m a 系统自 身的功能缺点，提出了基于极坐标的新型三点圆弧插补宏程序开发思路，并完成 了宏程序的开发过程，。当取点间距较小时，突出了加工任意曲线的功能。 针对曲线磨削的高精度要求，本文在伺服系统分析中，引入了基于无差调节 的误差补偿方式。分析了影响加工精度的各种因素，并给出了保证砂轮实际轨迹 和理论轨迹无差重合的矩阵方程和原理分析。 关键词：数控机床；控制系统；伺服系统；可编程控制器；宏程序 a b s t i 认c t 1 1 h ec u r v eg r i n d i n gm a c h i n et o o l sa r ew i d e l yu s e d ，i no p e r a t i o n ，b u tt h e r ea res o m a n yp r o b l e m ss u c ha sr e l a t i v e l ye x c e s s i v ee r r o r so fp o s i t i o n i n ga n dc l a m p i n g ，l o w p r o d u c t i v i t y ，l o n gp e r i o di nt h ea d j u s t m e n to ft h em a c h i n et o o la n df i x t u r e sa n dp o o r s u r f a c ef i n i s ho ft h eg r o u n dp a r te t c i nt h i sp a p e r , f r o ma n a l y z i n gt h em e n t i o n e d s h o r t c o m i n g s ，an e wg r i n d i n gp r i n c i p l en a m e df i v e - a x i sn u m e r i c a lc o n t r o l s c u r v e - g r i n d i n gm a c h i n ew a ss t u d i e da n dt h eh a r d w a r ep h y s i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e m o ff i v e a x i sn u m e r i c a lc o n t r o l sc u r v eg r i n d i n gm a c h i n ew e r ed e s i g n e d s p e c i f i c a l l ya c o n s u m e rg r e a tp r o c e d u r ew a sc a r r i e do u tf o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fs y s t e ma n dt h en e e d o fm a c h i n i n g i nt h i sp a p e r ，t h en e c e s s i t ya n dt h eu s a b i l i t yo fs t u d y i n gt h i st o p i cw e r ep r o v e d n e c e s s a r yb ys u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e ma n dn u m e r i c a lc o n t r o lg r i n d i n gm a c h i n e b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h e g r i n d i n gp r i n c i p l e ，an e ws t y l ef i v e - a x i sn u m e r i c a lc o n t r o lc u r v e - g r i n d i n gm a c h i n e s t r u c t u r a la n dt h em o v e m e n tp a t t e r nw e r ed e s i g n e d , b ya n a l y z i n gv a r i o u sm o t i o n r e l a t i o n s o na n a l y z i n gt h es y s t e mc o n t r o lf u n c t i o na n df u l l yu t i l i z e se x i s t i n gm a r k e t r e s o u r c e s ，t h ef a n u c 0 i m as y s t e mi st h eb e s tc h o o s et om e e ta l ln e e d s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a m ，c0 i - m as y s t e ma n df u n c t i o no ft h e c u r v e - g r i n d i n gm a c h i n e ，o v e r a l lc o n t r o lc i r c u i to ft h i sm a c h i n et o o lw a sd e s i g n e di n t h i sp a p e r , a sw e l la st h ep l cs o f t w a r ep r o g r a m m i n gp r o c e s s b a s eo na c t u a l c o n d i t i o n s ，a n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so ff a n u c 0 i m as y s t e m ，t h et h o u g h to fn e w t y p et h r e e p o i n tc i r c u l a ra r c sr e n n i ng r a n dp r o c e d u r eb a s e d0 1 1t h ep o l a rc o o r d i n a t e w a sb r o u g h tf o r w a r d , ag r a n dp r o c e d u r ed e v e l o p i n gp r o c e s sw a sa c c o m p l i s h e d w h e n s p a c i n gi ss m a l l e rb e t w e e na d j o i np o i n t s ，h i g h l i g h t st h ep r o c e s s i n ga r b i t r a r i l yc u r v e f u n c t i o n a c c o r d i n g t ot h ed e m a n d so ft h eh i g h - a c c u r a c yt oc u r v eg r i n d i n gm a c h i n e ，i nt h e s e r v os y s t e m sa n a l y s i s ，n od i f f e r e n c ec o m p e n s a t i n gw a yw a si n t r o d u c e d a n a l y z i n g a l lk i n d so ff a c t o r sa f f e c t i n gp r o c e s sa c c u r a c y , t h ep r o d u c e st h em a t r i xa n dp r i n c i p l e a n a l y s i st h a te n s u r et h ea c t u a lt r a j e c t o r yo fe m e r yw h e e la n dt h et h e o r yt r a j e c t o r yh a d n ob a dc o i n c i d e n c e k e y w o r d s ：c n cm a c h i n i n gt o o l ；c o n t r o ls y s t e m ；s e r v es y s t e m ；p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ；m a c r o - p r o g r a m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘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了谢意。 文 学位论文作者签名：砂九曲孪签字日期：。7 年 f 月富日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五侥碍 签字日期：沙 f 月吕e l 导廊虢委7 眦 签字日期：x 哆年月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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。磨削加工技术是先进制造技术中的重要领域，是现代机械制造业中实现精密 加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。以数控磨床取代普通磨床 是大势所趋n 1 。世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促 使机械加工业跨入一个新的“现代化一的历史阶段，从而给国民经济的结构带来 了巨大的变化。现代数控技术集传统的机械制造、计算机、成组技术与现代控制、 传感检测、信息处理、网络通讯、液压气动、光机电等技术于一体，是现代制造 技术的基础，它的运用和发展，开创了新时代，使世界制造业的格局发生了巨大 变化副。 在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动 化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目 前，数控技术正在发生根本性变革，由专用、封闭、开环控制模式向通用、开放、 实时动态、全闭环控制模式发展。 数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有 适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效 的自动化机床。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床 在机械制造业中的地位将更加重要。其中，数字化精密曲线磨削技术与装备就是 各种精密复杂模具、刀具以及各种复杂曲线零件精密加工的重要手段脚。 1 2 课题研究的现状 1 2 1 国外曲线磨削机床的发展现状 近年来数控磨削技术发展很快，国外c n c 工具磨床己从三轴发展到了十轴。 据1 9 9 7 年欧洲机床展览会( e m 0 ) 的调查表明，2 5 的企业认为磨削是他们应用的 最主要加工技术n 幻。磨床在企业中占机床比例高达4 2 ，车床占2 3 ，铣床占2 2 ， 钻床占1 4 。磨床加工中心的出现是磨削自动化水平的一个标志，目前国外有名 第一章绪论 的磨床厂有：美国摩尔精密机床公司、美国r o l l o m a t i c 公司、德国b l o h m 机床公司、 德国j u n g e rg r o u p 集团、日本的东芝机械公司、日本的东洋机械公司等。德国 j u n g e rg r o u p 集团研究开发外圆磨床，其特点是靠快速点磨力，即经过修正后的 砂轮的外圆与工件的接触近似点接触，同时利用和车削一样的两坐标联动实现复 杂零件的表面磨削，比切入磨削有更大的柔性，生产效率比普通磨削可提高6 倍。 瑞士开发6 轴控制的、砂轮可曲面法向跟踪进行磨削的高精度磨床，可一次加工 出复杂曲面，提高了效率，避免了换刀误差，提高了曲面加工的表面质量。 此外，随着数字化光电技术的高速发展，用c c d 技术替代了传统的光学系统， 大大提高了精密曲面磨床的技术性能。美国r o l l o m a t i c 公司研究开发的高精度 c n c 6 0 0 x p l u s 六轴工具磨削中心配装了变革性的光学系统，每个磨削砂轮的位置 是用轮廓投影仪在线测量的，因为测量是在机床上在线进行的，因此能够保证较 高的精度。 1 2 2 国内曲线磨削机床的研究概况 我国磨床工业经历了5 0 年代初的测绘、仿制阶段，5 0 年代末期开始自行设计。 从6 0 年代开始上海第三机床厂、武汉机床厂等企业在高校的协助下，开发了光学 曲线磨床、万能工具磨床等产品。 目前在我国主要有上海第三机床厂的胍9 0 2 5 光学曲线磨床、北京机电院高技 术股份公司的m k 8 5 8 0 等几种3 4 轴联动的数控曲线磨床。但多轴联动多功能复杂 曲面数控精密磨削技术及装备的研究开发却相当缺乏，与迅速发展的模具制造业 严重脱节。为了实现复杂曲面的精密磨削，工件沿c 轴的回转控制，砂轮架沿b 轴的摆动、x ，y 和z 轴移动的四轴联动，已必不可少。这样就可以实现各种复杂曲 面以及各种圆盘刀具、样板等零件的精密磨削。 现从事曲线磨床研究的单位主要有：上海交大、北京机床研究所、无锡开源 机床厂、濮阳贝英数控机械有限公司等 1 , 3 课题的提出及其内容和意义 1 3 i 课题的选题背景 随着国防工业、模具加工和刀具制造业的高速发展，各种精密复杂模具( 如 汽车和轿车发动机活塞加工用的中凸变椭圆非圆回转曲面靠模、型材成型轮和模 压轮、精密冲头、精密样板等) 和刀具( 精密平面形和圆形刀具等) 以及各种复杂 曲面零件需求量越来越大。我国每年需进q 2 0 0 3 0 0 余台精密的光学轮廓磨床或 2 第一章绪论 工具磨床以及各种多功能复杂曲面磨床n 司，用于民用和军用模具、复杂曲面零件、 刀具等加工。此外，西方国家为了限制我国军事工业的发展，这些国家禁止向我 国军工企业出售这些高性能、高精度的机床装备。我国磨削加工技术的研究虽然 有近五十年的历史，但总体水平与发达国家相差较大，由于技术水平与设备条件 有限，普遍采用靠模仿形磨削加工、人工修研的方法来完成回转曲面的磨削加工。 用这种方法加工凸轮存在着以下诸多问题n 叼： 1 产品质量不高，型线加工精度受靠模凸轮的限制，靠模型线的精度由人工 修研的方法得到，很难达到较高的精度。且使用过程中存在靠模磨损和安装误差， 这些都会影响凸轮轮廓型线的加工精度。 2 靠模在机床上的安装、找正十分困难，占用大量的停机时间，且对调整工 人的技术水平和经验要求较高。调整一次一般需要一周时间以上。反复试磨调整 大大降低了设备利用率，不适应多品种交替生产的加工要求，柔性较差，严重 制约工厂生产能力的提高。 3 劳动强度大。 4 阻碍新产品的研究和开发，对于每一种新型凸轮轴产品均需制作相应的靠 模，增加了开发成本，延长了开发时间，制约产品的更新换代。 鉴于上述原因，并结合濮阳贝英数控机械设备有限公司的新产品开发计划， 本课题旨在利用引进系统与自主开发相结合的思路，研究和开发新型曲线数控磨 削加工装备。 1 3 2 课题的主要内容 ( 1 ) 数控曲线磨床的结构设计。 ( 2 ) 曲线磨床控制系统硬件设计、分析。 ( 3 ) 曲线磨床控制系统软件设计。 ( 4 ) 系统接口电路设计。 ( 5 ) 曲线磨床加工精度研究。 ( 6 ) 用户宏程序开发。 1 3 3 课题的主要意义 为解决我国曲线及回转曲面精密磨削提供了良好的途径，给诸多大中企业的 科技进步带来了新的思路。利用f 怂t u c 系统对曲线磨床的微机化控制，可以节省 了大量的研发投资，充分利用现有市场资源，降低成本，缩短研发周期。这不仅 提高了产品的竞争能力，提高工厂的效益，带动相关企业的技术进步，同时也将 3 第一章绪论 对相关的课题在理论上和实践上提供技术支持和产生积极的影响。通过一系列数 学模型的分析计算，为数控曲线磨床自主创新提供了可靠的参考。 在伺服系统中引入基于无差调节的误差补偿方式，并给出了保证磨轮实际轨 迹和理论轨迹无差重合的矩阵方程和原理分析。对提高曲线磨床的加工精度有重 要意义，有一定的创新。 基于极坐标判别方向的三点圆弧插补宏程序开发的新方法的提出，解决了取 点间距较小时可加工任意曲线的功能。为提高曲线加工精度，丰富加工能力，引 出了一个新的思路。 4 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 第二章五轴曲线磨床的结构及数控化方案 2 1 磨削加工原理 磨削时，磨床上相应的机构控制着砂轮，使它与工件接触，逐渐切除工件与 砂轮相互干涉的部分，形成被磨表面n 1 。磨料的切削作用一般有两种形式：一 种是滑动切削，如图2 - 1 ( a ) 所示；另一种切削作用是由于磨料的旋转作用而产 生滚动切削，如图2 一l ( b ) 所示。超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展 起来的，该加工方法不仅要提供镜面级的表面粗糙度，还要保证获得精确的几何 形状和尺寸。 ( a ) 相对工件滑动 2 2 曲线磨床结构设计 2 2 1 曲线磨床的硬件结构 图2 1 磨削原理 黑 ( b ) 相对工件滚动 五坐标曲线磨床的硬件结构主要包括以下四大部分。各部分之间的相互位置 关系如图2 - 2 所示。 1 、床身：床身是一个箱体结构的铸件。床身前侧安装升降立柱；床身的上 面安装工作台；床身的左、右侧及后面，各有一个起吊孔；床身底部有三个支承 螺钉，作调整机床水平安装时使用。 2 、升降立柱：升降立柱采用双直线型滑块式导轨，通过滚珠丝杠项升，升 降立柱安装于床身前侧，升降立柱用于滑座的固定。并对整个砂轮头架起到支承 作用。升降立柱的上下运动为机床的z 轴运动方向，最大行程2 0 0 m m ，采用伺服 电动机直接拖动滚珠丝杠，并能准确控制其行程。 3 、砂轮头架：砂轮头架包括转动盘、横梁、主轴往复运动控制机构、磨削 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 刀架等。 4 、工作台：工作台由磨圆工作台、上台面、中拖板、及下导轨组成。 图2 - 2 五轴曲线磨床结构示意图 2 2 2 曲线磨床各轴的运动关系 该曲线磨床采用c n c 五轴控制系统，其中两轴为平面插补控制轴，分别控 制机床工作台的纵、横向进给。另外三轴分别控制砂轮架滑板上下往复运动和滑 板回转座的回转运动和磨圆工作台的回转运动。工作台横向轴x 、工作台纵向轴 y 、砂轮架滑板垂向轴z 和滑板回转座绕水平纵轴的垂直分度回转轴b 和磨圆工 作台回转轴c 。砂轮头架主要有砂轮头架体壳、底座、滑板回转座及滑板等组成。 砂轮头架具有滑板上下往复及绕两水平轴回转等功能。滑板上下往复采用数控控 制，实现往复行程、速度的精密控制。滑板可绕两水平轴回转，达到工件各种后 角及拔摸斜度的加工。磨圆工作台绕z 轴回转用于加工圆形曲面。 该磨床具有直线、圆弧连续轨迹磨削，参数方程曲线连续轨迹磨削功能， 适用于各种精密复杂轮廓的加工，可用来磨削各种尺寸大，形状对称或不对称的 旋转体工件的内外圆柱、圆锥和轮廓表面及端面，特别适合于磨削一些不能车 削加工的淬火钢和一些较硬的合金钢工件。如凹凸模具、成型刀具、卡规、样板、 滚轮等。 控制轴的联动组合： 组合一、平面曲线加工： x 、y 互为插补轴，执行工件加工轨迹运动；z 为联动轴，执行滑板上下往复 运动。 6 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 组合二、封闭曲线加工： x 、y 互为插补轴，执行工件加工轨迹运动；z 为联动轴，执行滑板上下往复 运动：b 为控制轴，执行垂直分度回转运动。 组合三、圆柱、圆锥曲面加工： x 或y ，执行单轴定位，c 轴和z 轴联动，b 轴为控制轴执行垂直分度回转运 动。 2 3 工作台结构设计 工作台各部分运动关系及传动方式如图2 - 3 所示 图2 - 3 工作台剖面示意图 工作台由磨圆工作台、上台面、中拖板、及下导轨组成。磨圆工作台可实 现c 轴运动滚珠丝杠，由伺服电机通过蜗轮蜗杆，带动车头旋转，磨圆工作台通 过一个支承轴承和上台面实现固定连接。上台面与中拖板，以及中拖板与下导轨 之间都采用直线滑块式导轨加滚珠丝杠螺母副，实现x 和y 轴向的运动，且x 和 y 轴之间有插补功能。 工作台各坐标轴的运动均由伺服电机直接起、制动，且具有正、反两个方向 的转动。磨圆工作台主轴是短主轴结构形式，可以调整间隙，保证主轴的径向回 转精度。工作台轴向采用高精度推力球轴承，用以承受工作台上轴向载荷。为保 证精度各轴均有反馈装置采集动态信号。 磁力吸盘安装并定心在工作台上，在吸盘的整个表面上，均匀分布有4 8 对 7 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 吸力电极用按钮站上开关可对吸力进行调节，包括几个吸力位置中性位置、 失磁位置。 2 4 砂轮头架结构设计 砂轮头架包括转动盘( 绕v 轴正负1 5 。) 、横梁、主轴往复运动、磨削刀架 回转等。砂轮头架安装机床的磨削装置，砂轮架滑板在主轴电机通过t h e 滚珠丝 杠螺母副及t h k 直线滑块导轨作z 坐标方向的的上下定位运动。砂轮头架各部分 的运动结构如图2 _ 4 所示。 一 图2 _ 4 砂轮头架剖视图 运用三相异步电机驱动动静压砂轮轴带动砂轮作高速磨削，大大提高了砂运 转的稳定性，以提高磨削的表面质量。 砂轮架安装在头架转盘上，由砂轮头架来带动磨轮作对刀定位。头架转盘的 转动由伺服电机通过蜗轮蜗杆带动。 由工作台、立柱和横梁组成刚性很强的框架结构，具有良好的抗弯曲和抗振 性能，横梁为一个大尺寸的布满加强筋的箱形结构，支承在立柱上，可确保磨头 位移精确的几何精度。 8 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 2 5 传动系统刚度分析 2 5 1 进给分辨率及其影响因素 金属切削机床的进给分辨率是反映其精度水平的一个重要参数，很大程度上 影响着零件的加工精度，有时甚至被视为评价整台机床性能及质量档次的关键指 标。通常数控曲线磨床进给系统的直线位移精度达到微米级，角位移精度达到秒 级，进给传动的驱动力矩也较大，进给传动链中必然存在的弹性就会引起工作台 运动的时间滞后，从而降低系统的快速响应特性，而且极易在低速进给时发生“爬 行现象 。所以，进给系统的运动精度虽然主要由位置控制与检测系统的精度决 定，但也受到机械传动部件的刚度、间隙、摩擦阻尼和惯量等特性的影响。 实践证明，当指令进给系统做单步运动时，若指令位移为x ，则必须满足关 系式 k x r ( 2 - 1 ) 执行部件才能克服静摩擦力f 。产生进给运动，如果系统的传动刚度k 不大， 微小的单步位移指令使传动链产生的弹性力就不足以克服静摩擦力f 。，执行部 件则没有位移响应。为提高传动刚度，数控曲线磨床的进给系统一般选择让伺服 电动机直接和滚珠丝杠相联，由丝杠螺母带动工作台进给。在理想情况下，电动 机每接受一个脉冲，旋转一个固定的角度口，最终使工作台移动相应的一个固定 距离y ，若滚珠丝杠的导程为h ，则有关系式 y = 腿| 3 6 0( 2 - 2 ) 显然，滚珠丝杠的导程精度是影响进给分辨率的基本因素。实际工作中，机 床的进给分辨率还要受到其他众多复杂因素的影响，若要进行较为全面且客观的 分析，常常要考虑系统传动刚度的大小与变化。对工作台导轨的驱动力变化进行 研究可得进给系统分辨率r 的关系式 r = 1 0 t 一k ( 2 - 3 ) 由关系式可推知，当导轨滚动阻力中的最大值t 嗽一定时，进给系统的轴 向传动刚度k 和分辨率r 存在反比例的关系，即增大系统的传动刚度k 就有益于提 9 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 高分辨率r 。 2 5 2 滚珠丝杠的刚度分析 滚珠丝杠传动机构是现代数控轴承磨床中最为典型和常见的传动部件。实际 上，不论是开环系统还是闭环系统，滚珠螺旋副的精度、刚度以及间隙对整个传 动系统是有很大影响的。另外由于螺母是通过螺母座及其联结与工作台联成一体 的，丝杠是通过轴承及轴承组合件与机座构成了动联结，所以螺母座及其联结、 轴承及轴承座等的精度、间隙、刚度，最终同样也会影响到工作台的位移及定位 精度。实际工作中，滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除丝杠本身的自重以外，一般 不承受径向外载荷，因而进给系统的轴向传动刚度k 就可视为与滚珠丝杠相关联 的零部件刚度的串联总和脚，。 通常丝杠受轴向载荷作用而产生的轴向拉压变形约占整个进给传动系统误 差的( 3 0 - - - 5 0 ) ，因而要特别重视提高丝杠的轴向拉压刚度五，另外受驱动力 矩的作用，丝杠会发生一定的扭转变形，从而共同导致丝杠出现轴向动态导程误 差。在工作中，丝杠受这种复合作用而在轴线方向上表现出伸长或缩短，变形量 的大小与支承方式和螺母工作位置有关。 图2 - 5 滚珠丝杠结构简图 如图2 - 6 所示，以搿一端固定，一端自由”的模式为参考，若记丝杠扭转变 形的直线方向刚度为，存在关系式 k l = e n d 2 4 l l k 22g r l z 3 d 4 8 h 2 l 2 1 0 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 式中符号的意义： 卜丝杠的螺纹内径( 底径) ，珊； 厶丝杠支承与螺母间的距离，衄； e _ 材料的纵向弹性模量，p i ； 删料剪切弹性模量，p i ； 刁传动效率； 厶丝杠受扭部分的长度，姗； 由公式知，丝杠的轴向刚度k ，和k 2 都随螺母位置的变化而改变，分别和厶与 厶存在反比例的关系，即对于图2 - 6 所示结构，静态参数一定时，若工作台右移 就出现刚度下降的现象。 。 滚珠丝杠的螺母与螺母座的刚度一般较好，受载后变形甚微，可忽略不计。 然而，螺母是通过螺栓联结被固定在螺母座上的，因而当滚珠螺旋副承受轴向载 荷后，就会将轴向力通过螺母上的联结螺栓传递给螺母座。与此同时，螺栓会发 生相应的拉伸变形，使螺母与螺母座之间产生轴向位移。若记其刚度为疋，则 有关系 k 3 = e o 翮；4 l o ( 2 - 6 ) 式中符号的意义： 厶一螺栓伸出长度，f i l l ； 成一螺栓的螺纹内径，衄： 毛一螺栓的纵向弹性模量，p i ； 由上式可知，选用大直径的螺栓，严格控制其伸出长度能够提高联结刚度。 滚珠螺旋副承受轴向工作载荷后，在滚珠与螺纹滚道面的接触点处将产生一定量 的弹性接触变形，并将直接影响到它的轴向间隙和轴向刚度，从而降低其传动的 质量。视其轴向接触刚度为k 。为消除轴向间隙和提高轴向接触刚度，通常采 用双螺母预紧结构，使滚珠与滚道面接触点处产生一定量的预变形。经过预紧后 的滚珠螺旋副虽然减少了轴向工作载荷引起的轴向接触变形，提高了对轴向工作 载荷的传动刚度，但过大的预紧力会使滚珠螺旋副在工作中产生过大的接触应力 和变形，增加摩擦力，降低传动效率，从而缩短其工作寿命。所以，预紧螺母的 预紧力一般选择约为最大轴向工作载荷的1 3 为好。 试验表明，支承轴承的变形量约占传动系统总变形量的5 0 以上。因此，为 提高系统的传动刚度，多采用滚动体数目比普通轴承多、接触角达6 0 的大刚度 滚珠螺旋专用滚动轴承。视其轴向刚度为k 。滚珠螺旋传动系统的动态变形包括 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 丝杠变形、丝杠与螺母的接触变形、螺母和螺母座的变形以及轴承的变形等，所 以滚珠螺旋传动系统的综合刚度k 亦应是上述元、部件刚度的综合。由其相互间 的联系可得下式 i k = i k l + i 毛+ i k 3 + i 墨+ i k 5 ( 2 7 ) 2 6 曲线磨床数控系统分析与硬件构成 l 、继续向开放式、基于p c 的第六代方向发展 利用p c 的高速数据处理能力，可将原由硬件完成的n c 功能由软件来实现，而 且借助于p c 技术可方便地实现图形界面、网络通讯，紧跟计算机技术发展而升级 换代，并具有良好的开放性。因此，数控系统作为专业控制器中的一种典型产品， 采用p c 机作为主控制器已成为当前的一种发展趋势。p c 化的数控系统可以分为3 类，即，n c 板插入p c 中、p c 板嵌入c n c 中及软件c n c 。 ( 1 ) n c 板插入p cn c 板插入p c 中，这种数控系统是将数控的核心功能插卡化， 并将其插入p c 中。p c 将实现用户接口、文件管理以及通讯功能等，n c 插卡将全面 负责机床的运动控制和开关量控制。这种数控系统通常由厂家选用通用p c 的功能 部件，将其集成到c n c 中，p c 与c n c 之间采用专用的总线进行快速数据传输。这种 数控系统的制造商不愿意放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富 的软件资源，由此而开发了这种数控产品。这种数控系统尽管具有一定的开放性， 但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用 户无法进入数控系统的核心。 ( 2 ) p c 板嵌入c n c 中( p c + 运动控制器) 这是目前采用较多的一种结构形式， 这种结构形式采用“p c + 运动控制器 形式建造数控系统的硬件平台，其中以工 业p c 为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用p c 总线形式，同时以多 轴运动轴控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运动控制器通 常以p c 硬件插件的形式构成系统，完成机床运动控制、逻辑控制等功能。p c 作为 系统的主处理器，主要完成系统管理、运动学计算等任务。这种c n c 是一种折中 方案，是在数控技术上已取得一定优势的公司出于利益的考虑，不愿放弃其成熟 技术的表现。但随着计算机技术的发展，硬件的标准化和成本的降低，这种方式 很可能只是一种过渡形式。 ( 3 ) 软件c n c 软件c n c 可以理解为用p c 的概念和手段实现c n c 的功能。这种c n c 装置的主体是p c 机，充分利用p c 机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性 能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。 1 2 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现，除了支持数控上层软件的 用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。同时， 软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并力图使数控技术成为先进制造上层应用 的标准的设备驱动代理。这种结构形式的数控系统，其主要功能部件均表现为应 用软件的形式，这是实现形式上的一种技术变革。可以预见，随着计算机技术的 发展，这种形态的机床控制器将具有很强的价格优势和可扩展性，有广阔的应用 前途。 2 、向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。机床向高速化方向发展，可 充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低成本，而且还 可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、 低成本生产有着广泛的适用性。从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ， 是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级 ( l o n m ) ，其应用范围日趋广泛。 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性 能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新 技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要 求也越来越高。为了满足用户的需要，近l o 年来，普通级数控机床的加工精度已 由1 0 m 提高到5 聊，精密级加工中心的加工精度则从3 5 m 提高到 1 1 5 聊。 3 、向智能化、网络化方向发展 随着人工智能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： ( 1 ) 应用自适应控制技术；数控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，达到改进系统运行状态的目的。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 引入故障诊断专家系统； ( 4 ) 智能化数字伺服驱动装置：可以通过自动识别负载，而自动调整参数， 使驱动系统获得最佳的运行。 网络数控就是把数控系统网络化，通过i n t e r n e t i n t r a n e t 技术将制造单元 和控制部件相连，以实现网络制造和资源共享为目标，支持各种先进制造环境。 网络数控系统( n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是随着网络技术的发展新出现的概 1 3 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 念。它是一种以通讯和资源共享为手段，以车间乃至企业内的制造设备的有机集 成为目标，支持i s o o s i 网络互联规范的自主数控系统1 3 j 。网络数控作为全球 制造的基础，已从通信向生产管理转移，注重和e r p 、m r p 等管理系统的集成，一 个完善的网络数控系统是集加工制造、生产管理、工艺设计、设备调度和网络 控制为一体的，具有开放式体系结构的集成化制造控制和生产管理系统。在数控 网络系统中，可以有效利用企业局域网乃至广域网进行信息共享，实现企业的经 营管理和生产操作的无缝结合。数控系统的网络功能是传统数控功能的延伸，网 络化是数控系统开放性内在的要求，它促进了数控系统的发展。网络化数控系统 的组成形式如图2 6 所示。 图2 - 6 网络化数控系统 4 、数控装备的绿色化 如果我们把机械数字化控制系统和机械装备统称为机电一体化系统则机电 一体化技术的功能可归结成以下6 条，即： ( 1 ) 提高机械系统的性能，完成传统机械系统不能完成的功能； ( 2 ) 提高机械系统的智能化程度，使人在更舒适的环境中工作； ( 3 ) 提高机械系统的可回收性； ( 4 ) 降低机械系统的原材料消耗； ( 5 ) 降低机械系统的能耗； ( 6 ) 降低机械系统对环境的污染。 曲线磨床数控系统总体上可分为专用式和开放式两类：专用式多为硬件式数 控系统。这种系统的控制功能是由专用逻辑电路实现的，具有专用性。其主要优 点就是结构相对简单，维护程序化，操作方便，专业化程度高。缺点就是扩展能 1 4 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 力差，没有通用性，开发成本高，且无法实现资源共享和硬件互换。随着现代计 算机技术的不断发展，利用通用计算机技术组成的c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 系统，可采用微机作为控制单元，利用p c 的高速数据处理能力，可将 原由硬件完成的n c 功能由软件来实现，而且借助于p c 技术可方便地实现图形界 面、网络通讯，紧跟计算机技术发展而升级换代，并具有良好的开放性。因此， 数控系统作为工业控制器中的一种典型产品，采用p c 机作为主控制器己成为当 前的一种发展趋势。 2 6 1 数控系统国内市场主要品牌 目前，数控系统国产品牌主要有：南京的“华兴数控、成都的“广泰数控 、 广州的“广州数控一、北京的“凯恩帝数控 、武汉的“华中数控。国内市场主 要的进口品牌主要有：日本的“发那科( f a 舢c ) 、“三菱 、德国的“西门子 ( s i e 肛n s ) 一、西班牙的“发格( f a g o r ) 、美国的“d y n a 等数控系统。 在众多控制系统中，经过厂家应用综合比较发现在高精度数控磨床上适合 应用系统主要有f a n u c 和s i e m e n s ，在两大系统中能够满足三轴联动又适合磨床 的精度要求的型号分别为f a n u co i - m a 和s i e m e n s - 8 4 0 d 。在f a n u co i - m a 和 s i e m e n s - 8 4 0 d 的综合比较过程中，我们发现在使用性能上两者几乎没有什么差 别，在硬件配置上f a n u c 追求实用，而s i e m e n s 则考虑到更多的方便，比如f a n u c o i - m a 就没有手持编码器，而只有一个手动脉冲。在系统的稳定性上，f a n u co i - m a 具有更强的环境适应性、在价格上f a n u co i m a 相对便宜。因此，在综合性价比 上f a n u co i - m a 具有明显的优势。经过实用性、经济性、系统稳定性等综合评定， 我们认为对于这种类型的数控曲线磨床应该选用f a n u co i - m a 系统。 2 6 2f a n u c0i - m a 数控系统的引入 五轴曲线磨床对数控系统技术规格要求主要有： c n c 可控制5 个轴( 其中4 个联动轴，1 个旋转定位轴，) ： 位控分辨率达到o 0 0 0 01 n n ： 可连接交流模拟驱动器i n 舢： p m c 可处理输入输出点为1 0 2 4 1 0 2 4 个以上： p m c 用户程序存储容量要求在1 2 8 k 以上： p m c 具有丰富的标准功能： c n c 系统必须有较快的运算速度，以满足x - c 轴联动的实时计算，要 求3 2 位c p u ： 第二章五轴曲线磨床的结构分析及数控化方案 直线插补和圆弧插补功能。 暂停功能 消除空程功能 两个坐标系选择：工件坐标系( 可漂移) 、砂轮坐标系 可带主动测量仪、对刀仪 自动和手动返回参考点 自动设定坐标系 跳动功能 磨削固定循环( 6 个) 砂轮固定循环( 3 个) 砂轮圆周面修整斜砂轮修整 ，砂轮下端面修整 恒线速控制 斜角度控制 砂轮数据管理 砂轮修整自动补偿 镜像( 对称) 砂轮过载保护和卡盘禁区保护 快速退回 具有r s 一2 3 2 接口 公英制转换 录反功能 用户宏程序 根据设计要求，本机床的控制系统应实现五轴可控，除刀架定位轴b 外的四 轴中的任意三轴联动，而北京发那科机电有限公司( b e i j i n g - f m j c ) 生产的f a n u c o i - m a 数控系统均能满足上述技术规格要求瞰3 ，又因为五轴联动数控机床系统价 格十分昂贵。为使整个系统应具有较好的经济性和稳定性，比较分析现有的资料 后，暂选北京发那科机电有限公司( b e i j i n g - f a n u c ) 生产的f a n u co i - m a 作为本 机床控制系统，此系统最大轴数为4 ，比设计要求控制轴数少l 轴，但己能适应 加工要求，若本机床用于实际生产中时，对控制系统提出更高要求，可另行选择。 1 6 第三章曲线磨床控制系统分析 3 1 系统硬件结构 第三章曲线磨床控制系统 数控机床总体上可分为数控系统和机床本体两大部分。数控系统是其核心， 主要由计算机数控装置( 或称c n c 装置) 、可编程控制器( p 蛐c ) 、伺服驱动装置、 位置检测装置和接口电路等组成。如图3 - 1 所示。 程序 ， i 输出设备输入设备 i h 计算机数字控制装置( c n c 装1 ) i 可编程控制器 1 if l 速度控制单元 主轴控制单元 i i 篓置检测 进给电动 圭轴电动机 机 i 11 机床 图3 1f a n u c 数控系统装置基本组成 1 7 第三章曲线磨床控制系统分析 3 2 系统硬件配置 3 2 i 控制单元 f a n u co i - m a 系统硬件结构为共享总线型。这种结构以总线为中心，把c n c 装置内各功能模块划分成主模块和丛模块。所有的主、丛模块都插在标准系统总 线上。其控制单元由两大部分组成，即主板和i o 板。 主板部分主要包括c p u 、内存、p m c 控制、i ol i n k 控制、伺服控制、内存 卡i f 、l e d 显示。 o 板部分主要包括电源p c b ( 内置) i ) c - d c 转换器、d i d 0 、阅读机穿孔 机i f 、m i ) i 控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制。 f 删co i - m a 系统功能介绍 ( 1 ) 、全部控制轴数 ( 2 ) 、控制轨迹数 ( 3 ) 、基本联动轴 ( 4 ) 、通过p m c 控制的轴数 + ( 5 ) 、最小输入单位 ( 6 ) 、最小指令单位 3 2 2 伺服单元 4 个轴( 加工轴) 可控轨迹数为1 4 个轴 最多同时控制4 个轴( 不包括c s 轴) 0 0 0 01 m m ( 直径编程) 0 0 0 0 0 5 , , , n ( 直径编程) 伺服模块接受从控制单元发出的进给速度和位移指令信号并将他通过执行 机构转换为实际位移。伺服模块对控制单元传送过来的数据作一定的转换和放大 后，驱动伺服电动机，从而驱动机械传动机构，驱动机床的执行