（机械制造及其自动化专业论文）基于ipc的旋转锉数控刃磨系统的开发与研究.pdf

天津大学硕| 学位论文 摘要 作为一种新型刀具，硬质合金旋转锉广泛应用于模具加工和其他钳工工作中。 由于刀齿较多、形廓复杂，且品种规格繁多，它的刃磨加工便成为一个难题。为 解决这一问题，本文以天津大学自行研制的四坐标旋转锉刃磨机床为控制对象， 开发了一套基于工业控制计算机( i n d u s t r i a lp c ，简称m o 的数控系统。根据旋转锉 刃磨运动模型，该系统通过软件与硬件结合进行多坐标联动控制，实现了硬质合 金旋转锉的数控刃磨加工。 本文先介绍了两种四坐标旋转锉刃磨机床的总体结构，并进行了对比分析。 然后，结合机床结构，在分析研究了旋转锉四坐标刃磨的可行性之后，建立了十 五种形式的旋转锉刃磨运动数学模型。根据旋转锉刃磨的功能需求，结合当前开 放式数控系统的发展状况，决定采用i p c 机一运动控制器一驱动器一步进电机控 制方案。依照此方案，对所需硬件进行了选型，并完成了各硬件模块之间的连接。 同时，确定了数控系统软件设计方案，并完成了旋转锉数控刃磨系统软件的程序 编制工作。 制定出旋转锉加工工艺方案后，使用本数控系统，在四坐标旋转锉刃磨机床 上进行多坐标联动控制，对各种形式的旋转锉做了大量实际刃磨试验。通过实际 刃磨，验证了给出的旋转锉刃磨运动模型的正确性和可行性。目前，由天津大学 机械工程学院研制开发的首台基于i p c 的旋转锉数控刃磨机床已经投入实际使用。 关键词：旋转锉刃磨运动模型工业控制计算机数控系统 多坐标联动控制 天津大学硕士学位论文 a bs t r a c t a san e w - - t y p ec u r e gt u n g s t e n - c a r b i d e r o t a r y b u r r si s w i d e l yu s e d i nm o u l d m a c h i n i n ga n do t h e r b e n c hw o r k i tb e c o m e sad i f f i c u l tp r o b l e mt om a c h i n et h i sk i n do f c u t t e rd u et oi t sl l a o r ec u t t e rt e e t h ，c o m p l e xc o n t o u r sa n dm o r eb r e e d s i no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e m ，an c s y s t e mb a s e do ni p c ，w h i c h i su s e dt oc o n t r o lg r i n d i n gm a c h i n eo f t h e4 - a x i sr o t a r yb u r r s ，i sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h eg r i n d i n gm o t i o nm o d e l so ft h e r o t a r yb u r r s ，t h eg r i n d i n g o ft u n g s t e n - c a r b i d e r o t a r y b u r r si sr e a l i z e d t h r o u g ht h e c o m b i n a t i o no f h a r d w a r e sa n ds o f i w a r e st oc o n t r o lt h em 1 1 l t i a x i ss i m u l t a n e o u sm o t i o n b yc o m p a r i n g t h es t r u c t u r eo f t w ok i n d so f t h e4 - a x i sn c r o t a r yg r i n d i n gm a c h i n e ， t h ep o s s i b i l i t yo f4 - a x i sn c g r i n d i n g i s a n a l y z e da n dt h ef i f t e e nt y p e so fg r i n d i n g m o t i o nm o d e l sa l eb u i l tu p a c c o r d i n gt of u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h ed e v e l o p m e n to f o p e nn cs y s t e m ，t h e s eh a r d w a r ec o m p o n e n t ss u c ha si p c ，m o t i o nc o n t r o l l e r , d r i v ea n d s t e p p e rm o t o ra r es e l e c t e da n dc o n n e c t e d a tt h em e a n t i m e ，t h ep r o g r a m m i n go ft h e s y s t e m i sc o m p l e t e d a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do fs o f t w a r e d e s i g n a f t e rt h ep r o c e s so fg r i n d i n gi sf i n i s h e d ，t h en cs y s t e mi su s e dt or e a l i z et h e n m l t i a x i ss i m u l t a n e o u sm o t i o nc o n t r o lo ft h eg r i n d i n gm a c h i n e al o to ft r i a l so fa l l k i n d so f t h e r o t a r yb u r r sa r ec a r r i e do n a sar e s u l t ，t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i vo f m o t i o n m o d e l sa l ep r o v e d t h eo p e nn c g r i n d i n gm a c h i n eo f r o t a r yb u r r sb a s e do ni p c ，w h i c h i sd e v e l o p e d f i r s t l yb yt h es c h o o lo f m c c h a n i ce n g i n e e r i n gt i a n j i nu n i v e r s i t y , h a sb e e n p u t i n t op r a c t i c es u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：r o t a r y b u r r s g r i n d i n gm o t i o n m o d e li p cn c s y s t e m m u l t i a x i ss i m u l t a n e o u sm o t i o nc o n t r 0 1 i i 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，也不包含为获得墨盗盘茎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。 学位论文储繇型辱签字吼沙牛年，月沪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫叠盘茎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： 才i z 勿芦锡， ：一司 签字日期：枷印年，月矿日 导师签名： 签字目期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题国内外的研究动态及存在问题 在机械制造业中，工具技术有着举足轻重的作用，刀具的性能好坏直接影响 到机床加工效率的高低和产品加工质量的好坏。随着现代模具、汽车、航空航天 等高新技术的发展，为适应多种加工的需要，产生了许多具有各种复杂形面的特 殊刀具，如各种球头铣刀、旋转锉、群钻等。传统工艺已跟不上时代的步伐，数 控技术在复杂形面刀具的磨削工艺及加工技术上的应用已成为必然。 国外对刀具的数控刃磨技术及数控工具磨床研究开始于2 0 世纪7 0 年代。较 为知名的生产厂商及其产品有：德国w a l t e r ( 瓦尔特) 公司的h e l i t r o n i c p o w e r c n c 工具磨床，其控制为五轴五联动，使用w a l t e r 公司自己开发的专用数控系统 h m c 4 0 0 及其软件；美国s t a r ( 时达) 公司的a t g 6 a cc n c 工具磨床，为六轴 六联动，采用a l l e nb r a d l y8 2 0 0 控制系统；日本m a k i n os e i k i 公司的c n v 2 5 0c n c 工具磨床，为五轴控制。但由于这些技术均被视为专利技术或保密技术， 研究成果鲜有发表。 我国对数控工具磨床的研究、开发起步较晚，自2 0 世纪8 0 年代中后期才开 始。近年来，很多高等院校机械工程系的专家教授已经将“刀具的数控刃磨技术” 作为其主要的研究方向之一，进行了大量的理论研究。如研究了球头立铣刀的几 何模型原理、特种回转面刀具的成型原理等。在n c 刃磨设备方面，也有几个厂家 研制出数控工具磨床，如营口机床厂的( 0 0 2 型数控工具磨床，武汉机床厂 m h 6 0 3 0 型刀具磨削中心等。但由于其c n c 系统都从国外引进，使得机床造价大 大提高。且因大多属于仿制，没有独立自主版权，加之软件不齐全，配套技术跟 不上等原因，目前尚处于样机试制或单台极少量试生产阶段，远远不能满足生产 发展的需要。天津大学研制的多坐标工具磨床也有待于进一步完善 1 ，2 3 。 1 2 工业控制计算机与开放式数控系统【3 6 1 1 2 1 工业控制计算机的应用 进入二十一世纪后，工业控制计算机( i n d u s t r i a lp c ，简称i p c ) 在控制领域中的 影响越来越大。i p c 最初进入工业应用是在监控和数据采集方面。目前i p c 已逐渐 第一章绪论 进入工业控制的5 层功能( 控制层，监控层，调度层，管理层，决策层) 。因为i p c 的性能和可靠性、抗干扰性、易维护性等高于普通计算机并能方便地进行功能扩 展，目前无论是化工、冶金、电力等连续性生产，还是加工、安装等离散化生产 或者储藏、运输等管理方面的应用都有i p c 的身影。 在监控和数据采集应用中，多数商用自控软件包提供了非常丰富的监控和数 据采集功能，各种p l c 和智能仪表的接口功能，开放网络接口( 如t c p i p 协议， i n t e r n e t ，i n t r a n e t 等) ，通用数据库接口( 一般都支持s q l 调用和o d b c 连接) 。通 过购买成熟且价格合理的监控和数据采集软件包和o e m 控制设备，如p l c 和各 种智能仪表、i o 信号处理板卡和网络集线器等，用户可以构成功能很强的工业 计算机系统1 4 1 。 在直接控制领域，软p l c ( s s 编程逻辑控制) 和软d e s ( 分散控制系统) 正在逐步 流行起来。所谓的软p l c 就是用软件和p c 兼容的硬件来实现p l c 的功能。而软 d c s 则是通过p c 机及网络系统来实现传统d c s 的操作员站的i o 信号处理和输 出、一些简单的回路调节功能则由分散的智能仪表或回路调节器实现。如美国奥 林( o l i n ) 公司的化工厂，从1 9 8 6 年开始用4 8 6 p c 机直接控制生产过程。据介绍， 一个有2 5 9 2 个模拟输入，4 8 4 个模拟输出，6 5 6 个数字输入及1 0 8 8 个数字输出的 系统，如用传统的d c s 则需约2 2 0 万美元，而用p c 机( 4 8 6 ) 为基础的控制网络进 行直接控制，包括软件在内仅需5 0 万美元，其投资比为4 ：1 。这是一个很大的突 破，说明p c 机全面参与集散控制的时代来到了嘲。 i p c 给n c 技术带来的变化也极为突出，机械部分成本比重目益下降，专用集 成器件和软件比重上升。世界主要计算机及控制元件厂家，如美国的i b m ，a b ， d y n a n a t h ，日本的f a n u c ，德国的s i e m e n s 等公司以其先进的控制技术跻身机床 工业，加速了数控系统的发展。 1 2 2 工业控制计算机系统及其特点 绝大多数工业控制计算机系统是实时系统，主要特点为： 1 实时性 实时性有几层意思，首先是系统的各种操作的优先级是不同的，高优先级的 操作应该首先得到处理。此外有的系统还具有抢占调度功能，既在正常的工作情 况下，如果高优先级的任务得到满足，系统将中断正常的运行而去执行高优先级 的任务。 2 现场信号的输入与控制输出能力 计算机系统需要直接从工业现场采集各种信号，对这些信号变量进行处理， 2 第一章绪论 然后再把结果输t r i b a l 显示器上或输出给执行机构进行直接控制。 3 高可靠性 一般的实时工业计算机控制系统总是直接控制着工业过程的操作。一旦计算 机系统发生故障，如果没有相应的冗余措施，将会造成重大的损失。我们在设计 系统时，要充分考虑到硬件系统的合理性，器件的筛选，高水平的生产工艺和提 前老化等问题：而在软件的设计上，则要作到结构清楚，无错误且稳定性好，抗 干扰性强。 4 可维护性 ( 1 ) 结构合理，便于维修。例如一些常用的总线系统都把各种模扳从侧面插入 机笼，如果系统出了故障，只要打开机柜侧门，就可以把模板抽出来，再把好的 模板换上，只需几分钟的时间。 ( 2 ) 系统所用的板级产品的一致性好。既使更换模板，系统的运行状态和精度 也不会受到影响。 ( 3 ) 能够带电拔插模板。 ( 4 ) 软件和硬件的诊断功能强，这样可以大大减少故障查找时间。 1 2 3 开放式数控系统及i p c 在n c 机床中的应用 在机械制造系统向着f m s ，c i m s ，i m s 等方向发展的今天，开发具有良好丌 放性和联网通信能力的数控系统，显得非常必要。目前对开放结构含义的理解还 存在较大争议，但是，可以肯定地说，一个开放体系结构的系统必须具备以下基 本条件： 1 以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构 造应该是可移植的和透明的。 2 ，根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途可实 现c n c 、p l c 等在内的控制功能。 3 开放式体系结构中各模块相互独立，在此结构系统上，厂家和最终用户都 可很容易地把一些专用功能或者其它有个性的模块加入其中。 4 要具有一种较好的通信和接1 ：3 协议，以便各相对独立的功能模块通过通信 实现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求。 传统的数控系统，不论是以日本f a n u c 为代表的专用芯片和大印刷板相结合 的体系结构，还是以美同a _ b 公司为代表的总线式体系结构，开放性均不好。近 几年来在数控领域内出现了一个值得重视的的发展趋势：i p c 大举进入数控领域， 并取得了较大的成功，i p c 的引入使开放式n c 系统普遍应用成为可能。国外已有 3 第一章绪论 人将这种现象称为新一代数控已经诞生，认为它对数控领域的发展具有深远意义。 i p c 应用的主要意义在于：可以方便地解决人机界面问题，采用i p c 后可以方 便地实现人机交互、汉字显示、三维动态仿真加工过程等功能；便于c a d c a m 软件的使用，可直接应用于数控系统；p c 的通信、联网、电子邮件、语音、视频 等多种功能可由附加的扩展槽方便地实现；可以及时地应用p c 技术的最新硬、软 件发展成果：系统功能扩展和升级方便，可以减少开发基础支持平台的人、财、 物消耗，使研究人员致力于关键控制软件、控制模板和人机界面的开发，可以缩 短产品的研制周期，充分提高系统的可靠性和通用性：便于联网，组成f m s 乃至 c i m s 等：便于向智能数控系统发展。 近几年来，许多国家纷纷采取措施，投入大量人力、财力对开放式n c 系统进 行研究开发。如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军领导的“下一代工作站机床控 制器体系结构”n g c ( t h e n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) ；欧共体 的“自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ；日本的o s e c ( o p e n s y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r 、 计划等。这些研究成果己逐步得到应用，例如c i n c i n n a t im i l a c r o n 从1 9 9 5 年开始 在其所生产的加工中心、铣床、车床及激光加工等设备中采用了开放式体系结构 的a 2 1 0 0 系统( 应用双处理器组成，w i n d o w s n t 操作系统的多任务、多过程、多 功能的开放式系统) 。 1 3 课题的提出 硬质合金旋转锉是模具加工和其他钳工工作中广泛使用的一种刀具，主要用 来修整或精加工零件成型表面，近年来在医疗行业中作为牙钴也获得广泛应用。 它的尺寸虽然不大，但由于刀具形廓复杂，齿数多，且品种规格繁多，给刃磨工 作带来很大的困难。目前国内多数生产厂家仍使用传统的刃磨方法，即在万能工 具磨床上利用各种辅助机械装置，并辅之以一定的手工操作来完成。其精度主要 取决于操作者的技术水平和熟练程度，不仅效率低、成本高，且加工质量难以保 证。 采用多坐标n c 工具磨床，可以解决旋转锉刃磨中的有关品种、质量和效率方 面的问题。国内已有一些专业生产厂家，进口了整套旋转锉n c 刃磨设备。但前期 投资太大，多数厂家难以接受，且这些进口机床的相关的成型原理及软件方面的 技术资料都受到封锁，只能按外方规定的有限品种进行生产。 近几年来，国内也有少数专家教授对旋转锉的数控刃磨技术进行了一些几何 4 第一章绪论 模型和成型理论方面的研究。天滓大学对该课题领域的研究较早，于1 9 8 6 年就成 功地研制出一台微机控制的五坐标旋转锉刃磨机床。 随着开放式数控系统概念的深入，以及工业控制计算机( i p c ) 、运动控制器 的广泛应用，为旋转锉的数控刃磨技术研究带来新的机遇。基于天津大学机械学 院对该课题领域研究的深厚积累，和我近年来在数控技术、计算机技术方面的学 习与摸索，计划在本院已有研究成果和设备基础上，编制多坐标联动数控系统专 用软件，应用i p c 与运动控制器实现对旋转锉刃磨机床的控制。 1 4 本课题的主要研究内容 1 研究并验证旋转锉四坐标刃磨的可行性。利用x 、y 、a 、c 四坐标联动实 现数控刃磨。 2 建立刃磨运动模型。按照g b 9 2 1 7 8 8 中的规定，为每一种旋转锉分别建立 刃磨运动模型。 3 多坐标插补的实现：( 1 ) 各坐标分别与基坐标两两插补的方式；( 2 ) 分段多坐 标插补方式。 4 编制控制软件，使用工控机和运动控制器实现多坐标插补。 t 5 本文主要内容 全文共分六章，各章主要内容如下： 第一章介绍了本课题国内外的研究动态及存在问题，工业控制计算机与开放 式数控系统的基本概念和特点，提出了课题，并指出了本课题的主要研究内容。 第二章介绍了两种四坐标数控旋转锉刃磨机床总体结构，分析旋转锉四坐标 刃磨的可行性，建立了十五种形式的旋转锉刃磨运动数学模型。 第三章介绍了旋转锉数控刃磨系统硬件设计过程。确定了控制系统总体方案 后，对主要硬件进行了选型，并分析了所选硬件的基本性能。然后，介绍了硬件 模块之间的总体连接及运动控制器与驱动器、驱动器与步进电机的连接方式。 第四章介绍了旋转锉数控刃磨系统软件开发过程。在介绍了数控系统软件设 计的总体原则及软件设计的总体方案之后，对g t - 4 0 0 一s g 运动控制器工作原理、 面向对象技术的v b 语言这些基础内容进行了简介。随后讲述了数据处理方法、插 补算法，以及软件设计过程及程序的实现等内容。 第五章介绍了旋转锉刃磨验证及分析等内容。 第六章得出了结论，并对本课题今后的研究工作提出了一些设想。 5 篁兰童塑整丝璺坐堡型堕墨垫塑兰塑型 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 2 ，l 四坐标数控旋转锉刃磨机床简介 在进行四坐标数控旋转锉刃磨机床设计时，先后采用了两种方案，图2 1 所示 为方案一的结构简图。 a 轴电机 工件 圆工作台 纵向工作台 c 图2 - 1四坐标数控旋转锉刃磨机床结构简图( 方案一) y 轴电机 轴 工作台 机 其各坐标定义如下： x 机床纵向工作台移动坐标； y 机床横向工作台移动坐标。 a 旋转锉绕自身轴线转动坐标； c 机床圆工作台绕轴线转动坐标； 机床各坐标轴的作用是：x 和y 方向的移动，是为了使刀具( 金刚石砂轮) 切削点相对于工件( 旋转锉) 的运动轨迹与工件齿底轴截面外廓相吻合；工件绕 自身轴线的转动，即a 轴，是为了形成螺旋刀齿的螺旋角并兼具分度功能；c 轴的 转动是为了使运动模型简化，从而可减小加工行程，并使软件设计变得容易，即 6 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 编程时可不考虑刀具偏置及刀具半径补偿，这也是该机床的设计较之其他n c 工具 磨床的一个独到之处。该机床在制造和装配中有一个要点：为保证旋转锉的刃磨 精度，机床要求a 、c 二个转动轴线严格相交于一点，且绕各自轴线回转不偏心， 其偏差不大于0 0 l m l t l 。 上述机床的四个运动坐标分别由四个功率步进电机驱动。其中，x 、y 二个移 动坐标分别由二个步进电机与滚珠丝杠连接，将步进电机的回转运动交为直线运 动；a 、c 二个转动坐标通过步进电机与蜗杆蜗轮副连接，将步进电机的回转运动 经减速变为圆工作台和工件的转动。 在方案一的基础上，加以改进，设计出了新型的机床结构。图2 2 所示为方案 二的结构简图。 图2 - 2 四坐标数控旋转锉刃磨机床结构简图( 方案二) 与方案一相比较，方案二具有以下特点： 1 将移动部件由工作台、主轴体两部分简化为工作台一个部分 2 主轴体在主轴支座上可以绕其轴线摆动； 3 总体尺寸减小。 带来的优点有： 1 主轴支承稳定可靠，刚性明显提高； 2 由于切削点位置在水平方向上可调，x 轴设计行程减小； 3 机床体积及总重减小。 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 2 2 四坐标刃磨的可行性分析1 1 1 本节就以圆柱形球头旋转锉( c 型，外形见图2 - 6 ) 螺旋刀齿为例，来分析四 坐标刃磨的可行性： 旋转锉等回转体刀具中螺旋角的作用是变间断切削为连续切削，使得切削平 稳，加工精度高；同时改变切屑流向，使切屑顺着螺旋槽流出，从而起到散热、 减小切削阻力、防止切屑擦伤已加工表面等作用。在圆柱部分，为了获得良好的 切削性能，使得切屑的流向保持一致，刀齿宜设计成等螺旋角的。 在实际刃磨圆柱部分刀齿时，为获得一定的螺旋角1 3o ，应使砂轮工作面与旋 转锉轴线成bo 角，即主轴摆动角b = bo 。这只需在刃磨前手动调整主轴摆动角( b 坐标) 即可，刃磨过程中b 坐标始终保持不变，不参加联动。以下将证明，在刃 磨球头螺旋刀齿时，砂轮的这个位置仍保持不变。 球面螺旋线就是球面上一点沿球面上一条母线匀速移动，同时绕与该母线共 面的球面轴线作匀速转动，所形成的运动轨迹。 s 厂心 八门， 。减搿心。 g ? k| i 影 u r t q ， r 。 = ( r l r 2 ) s i n 口一s i n ( a c ，) 】 y = ( r l r 2 ) c o s ( a c 1 ) 一c o s o i d ：坠1 n l k 2 七：l 一墨血 r 1 图2 - 1 0d 型旋转锉的运动关系图 、f ：i 丁s i n ( 口一c ，) + ( 1 一七) ( 1 + c o s ( 舀一c ，) ) l 一后2s i n ( o c 【) 一( 1 + k ) o + c o s ( o c 。) ) 2 3 4 椭圆形旋转锉( e 型) 如图2 1 1 所示，e 型旋转锉可以分为三 部分：前弧、大圆弧和小圆弧。e 型旋转锉 的运动关系如图2 一1 2 所示，参照前面d 型 旋转锉的模型分析，即可以得到三部分的 刃磨运动模型。 2 3 5 弧形圆头旋转锉( f 型) ( 2 1 2 ) 图2 - 1 1e 型旋转锉外形图 如图2 - t 3 所示，f 型旋转锉可以分为两部分：大圆弧部分和圆头部分。其运 动模型分析可参照c 型旋转锉的球头部分。 1 6 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 阁2 - 1 2e 型旋转锉的运动关系图 剀2 - 1 3 f 型旋转锉的运动关系图 f 型旋转锉的已知参数为：大端半径r 。，圆头半径r 2 ，有效长度l 。由以上参 数可以求出： 大圆弧圆心角a ： 口：t a l l 一i 鱼二鱼 三 大圆弧半径r ，： r l = r o t o + ( l 一固c o t a 圆头圆心角o2 ： 疗 乜2 = 。：一口 将参数r i 、a 、r 2 代入公式( 2 1 0 ) 即可得到f 型旋转锉大圆弧部分的刃磨 运动模型： x = ( r 1 一r 2 ) s i n 口一s i n ( a c ) 】 y = ( r 1 一r 2 ) c o s ( a c ) 一c o s 口】 口：坠1 n 1 一尼2 七：1 一墨盘 尺， r 二i 丁s i n c + ( 1 一j ) ( 1 + c o s c ) 。1 。s 。i 。n 。c 1 。- 。( 。1 。+ 。k 。) 。( 。1 。+ 。c o s c ) ( 2 1 3 ) 将参数n2 代入公式( 2 1 1 ) 得到圆头部分的刃磨运动模型： “：墼c ( 2 - 1 4 ) s i n 口 1 7 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 2 3 5 弧形尖头旋转锉( g 型) 如图2 1 4 所示，弧形尖头旋转锉 的切削部分齿底曲线可近似为大圆弧 进行处理。其运动模型分析可参照c 型旋转锉的球头大圆弧部分。 2 3 7 火炬形旋转锉( h 型) 图2 1 4 弧形失头旋转锉的外形图 如图2 - 1 5 所示，火炬形旋转锉可以分为三部分：前弧( a b 段) 、大圆弧( b c 段) 和小匮 弧( c d 段) 。可将火炬形旋转锉看作拉长了的椭圆形旋转锉，其运动 模型分析可参照e 型旋转锉。 一 vj 叫 图2 1 5 h 型旋转锉示意图 2 3 8 锥形尖头旋转锉( m 型) 锥形尖头旋转锉的运动关系分析 如图2 - 1 6 所示。其己知参数为：圆锥。 大端直径d o ，圆锥顶角a ，刀齿螺旋 角6o 。 可以求出圆锥大端齿底半径： r ：拿 圆锥母线长度l ： r o 茹 分析其运动关系，需要沿圆锥母 1 8 图2 - 1 6 m 型旋转锉的运动关系图 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 线方向( x 轴) 的移动和工件绕自身轴线的转动( a 轴) 二个坐标的运动来合成。 工件的初始位置应调整至齿底母线与机床x 轴方向一致。 考察圆锥母线上任意一点p ，该点距磨削起点为x ，该点处的回转半径值为： 。= ( 半弦 过p 点作截面垂直于圆锥轴线，耿微小长度d x ，并将母线长度为d x 的短圆 锥近似为圆柱。仿圆柱型旋转锉运动模型，有如下函数关系： t a n 肛瓦v a = 竿 民嘉 可写成： 出：塑壁! ：圭l r o l x 对上式两边积分，得： 口：墅鱼：墨r 生 r o m 一x 可写为： a = 半 1 n l - l n ( ) 】 ( 2 - 1 5 ) 式( 2 - 1 5 ) 就是锥形尖头旋转锉的刃磨运动数学模型。分析该模型可以看出，刃 磨m 型旋转锉时，仅需a 、x 二个坐标联动。 2 3 9 锥形圆头旋转锉( l 型) 如图2 1 7 所示，l 型旋转锉可以分为 两部分：圆锥部分和圆头部分。 v 其圆锥部分刃磨运动数学模型为： 以：掣n n l _ 1 n ( 三一x ) 】( 2 - 1 6 ) 1 0 圆头部分则与c 型旋转锉球头的小圆 弧部分类似。如图2 - 1 7 所示，只需用半锥 角的余角曼兰代替原小圆弧圆心角n2 ， z 即可得出刃磨运动模型如下： 1 9 图2 - 1 7 l 型旋转锉的运动关系图 蔓三里堡堑丝巴坐堡型堕堕塾垫堂塑型 口一兰堂c ：t a n b 竺c ( 2 - 1 7 ) s i n f 下”- - g t c 。s 罟 一 由式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 可知，l 型旋转锉的刃磨首先按式( 2 - 1 6 ) 关系对a 、x 二个坐标进行抛物线插补控制机床运动刃磨圆锥部分，然后再按式( 2 1 7 ) 关系进 行插补控制机床运动刃磨圆头部分。 2 3 1 06 0 。和9 0 。圆锥形旋转锉( j 和k 型) 如图2 1 8 所示，j 型( 图a ) 和k 型( 图b ) 旋转锉是锥形尖头旋转锉的特例， 它们的运动模型与m 型旋转锉相同。 e 珍 ( a ) ( b ) 图2 - 1 8j 型和k 型旋转锉外形图 2 , 3 1 1 倒锥形旋转锉( n 型) 倒锥型旋转锉的运动关系分析与 锥形尖头旋转锉类似，如图2 1 9 所示。 其已知参数为；圆锥大端直径d o ，圆 锥小端直径d 2 ，圆锥顶角n ，刀齿螺 旋角00 。 可以求以下参数。 圆锥大端齿底半径： 氐：娶“ 圆锥母线长度l ： ，r o a s m = 圆锥小端半径： 2 0 图2 1 9n 型旋转锉的运动关系 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 r ：堡 。 2 x 轴进给长度l o ： 上：三一生 s i n 兰 2 其运动关系应由沿圆锥母线方向( x 轴) 的移动和工件绕自身轴线的转动( a 轴) 二个坐标的运动合成。 考察圆锥母线上任意一点p ，p 点距磨削起点为x ，该点处的回转半径值为： 咋：l - l ，o + x r 。 有： t a n 肛毒= 半r 。塞 可写成： 出：! 竺鱼：墨杆 k o ( l l o + 爿) 对上式两边积分后，可得： 一半 1 n ( l - l o + x ) 也旷训( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 就是倒锥形旋转锉的刃磨运动数学模型，刃磨时仅需a 、xm + 9 标联动。 2 3 1 2 弧形尖头圆柱旋转锉( x i 型) 如图2 - 2 0 所示，x 1 型旋转锉可以分为二 部分：圆柱和大圆弧。参照前面c 型旋转锉 的模型分析，即可以得到二部分的刃磨运动 模型。 2 3 1 3 弧形圆头圆柱旋转锉( x 2 型) 图2 - 2 0 x 1 型旋转锉外形 如图2 - 2 1 所示，x 2 型旋转锉可以分为 三部分：圆柱、大圆弧和小圆弧。参照前 面c 型旋转锉的模型分析，即可以得到三 部分的刃磨运动模型。 2 1 图2 - 2 1x 2 型旋转锉外形示意图 第二章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 2 3 1 4 半球形旋转锉( x 3 型) 如图2 2 2 所示，x 3 型旋转锉切削部分为 半球形。其运动模型分析可参照d 型旋转锉的 前半球部分。x 3 型旋转锉的运动关系如图2 2 3 所示。 2 4 本章小结 图2 2 2x 3 型旋转锉外形示意图 图2 - 2 3x 3 型旋转锉的运动关系图 ( u ) 本章首先介绍了两种四坐标数控旋转锉刃磨机床总体结构，并进行了简要对 比分析。然后，分析研究了旋转锉四坐标刃磨的可行性，并建立了十五种形式的 旋转锉刃磨运动数学模型。 2 2 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 3 1 控制系统总体方案设计 根据旋转锉刃磨的功能需求，结合当前开放式数控系统的发展状况，决定采 用i p c 运动控制器一驱动器一步进电机控制方案。控制系统总体方案设计框图如 图3 1 所示。 i p c 作为整个系统的核心，担负系统资源的分配、任务的调度、人机交互及数 据计算等任务。运动控制器的作用是接收i p c 传送的数据，将其转化为数字脉冲 和方向信号输出到驱动器。再由驱动器控制步进电机转动，实现机床各坐标轴的 运刮j 。 图3 - 1 控制系统总体方案设计框图 3 2 硬件选型及硬件性能 系统硬件设计要遵循开放式数控系统标准化、模块化要求的原则，同时兼顾 整体系统的可靠性要求，各硬件模块之间必须完全兼容。本系统硬件设计的出发 点是：按照系统总体方案要求，考虑开放式数控系统设计原则，在满足精度要求 的前提下，保证整体系统的可靠性和工作过程的稳定性，同时兼顾经济性。 系统的主要硬件包括：工业控制机、运动控制器、端子板、驱动器及步进电 机。 2 3 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 3 2 1 工业控制机( i p c ) 经过几十年的发展，工业控制机的性能不断提高，种类逐渐增多，集成化程 度越来越高，同时价格大幅度降低，这为工业控制机的选择提供了充足余地。 工业控制机( i p c ) 是本数控系统的核心部件，它的作用是对输入的数据进行 分析和运算，将结果传送至运动控制器，控制执行机构的运动，它的品质直接影 响整体系统的可靠性和工作过程的稳定性。按照系统总体方案要求，并考虑经济 性，选用了研祥公司的普通箱式工业控制机i p c 一8 1 0 。基本配置为：i p c 一8 l o 型1 4 槽上架型机箱，i p c 6 1 1 4 p 4 底板，内设1 0 个i s a 插槽，4 个p c i 插槽( 见图3 2 ) 。 i p c 一5 8 6 d f 型全长c p u 卡( 见图3 - 3 ) ，i m e lp e n t i u mc p u ，主频2 6 6 m h z ，6 4 m 内存，4 g 硬盘。 图3 - 2i p c 8 1 0 型机箱及i p c 6 1 1 4 p 4 底板外观图 1 p c 一8 1 0 是一款标准1 9 ”工业计算机机箱，包括一个i p c 一6 1 1 4 p 4 型1 4 槽 i s m p c i p i c m g 无源底板和一个p s 一2 7 0 电源。机箱采用优质钢材及铝合金，经先 进工艺设计制造，结构合理，能够承受撞击、振动及温差变化等恶劣工作环境。 棉质的空气能防止灰尘和沙土进入机箱，保证了系统的可靠运行。另外设计有透 明门，即可保护内部的f d d 、c d r o m 及复位按钮和电源开关，又可观察l e d 显示，随时监测系统的运行状态。 如图3 3 所示，i p c 5 8 6 d f 型全长c p u 卡采用奔腾c p u 插槽( p e n t i u mc p u s o c k e t ) ，支持多种5 8 6 级处理器。扳上带有四个7 2 针s i m m 内存插槽( 7 2 p i ns l m m s o c k e t ) 、两个i d e 端口( p c ih d dp o r t ) 、一个f d d 端口( f d dp o r t ) 、一个并行 端口( p a r a l l e lp o r t ) 、两个串行端口( c o m t c o m 2 ) 、两个u s b 端口( u s b l u s b 2 ) 、 p s 2 键盘接1 3 ( p s 2k bc o n n e c t o r ) 与p s 2 鼠标接d ( p s 2m o u s ec o n n e c t o r ) 。可通过 i s a p c i 总线接口插入i p c - 6 1 1 4 p 4 底板的i s a p c i p i e m g 插槽中。 2 4 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 3 2 2 步进电机 图3 - 3i p c 5 8 6 d f 型全长c p u 卡外观图 步进电机是一种将电脉冲信号转变为相应直线位移或角位移的数模转换器。 步进电机具有控制方便、工作可靠及价格便宜等优点，在工业上得到了广泛应用。 1 选型 从步进电机角度考虑，通常希望步进电机的输出转矩大、启动和运行频率高、 步距角小、性能价格比高；从机构角度考虑，通常希望运动部件移动分辨率高、 运动速度快、带负载能力强等。但是，大转矩与快速运动、高性能与低成本之间 存在着一定的矛盾，实际选用时应全面考虑。 ( 1 ) 步进电机种类的选择 步进电机通常分为三种类型：永磁式、反应式和混合式，性能对比如表3 1 所示： 表3 - 1 步进电机性能对比表 断电时 启动和运 类型功耗 步距角适用场合 定位转矩行频率 精度和速度要求不高，断电后要求 永磁式较小有大较低 执行机构位置保持 精度和动态性能要求高的开环控制 反应式大无小高 系统 精度和动态性能要求高的控制系 混合式小有小较高 统，断电后要求执行机构位置保持 2 5 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 本系统为精度和动态性能要求高的控制系统，通过各项对比，选用混合式步 进电机。 ( 2 ) 相数的选择 选择相数应兼顾步进电机和驱动器的技术指标和经济性。通常，随着相数的 增加，步进电机的步距角变小，启动和运行频率响应提高，稳定性好，但相应驱 动器结构复杂，成本高。本系统选用两相步进电机。 ( 3 ) 步距角的选择 选择步距角时，应考虑脉冲当量和机械传动系统的传动比，兼顾系统精度和 速度方面的要求。根据系统要求，选择步距角为1 8 。 根据以上分析，选用8 6 b y g 4 5 0 e 0 1 型步进电机。 2 步进电机性能 ( 1 ) 基本技术参数 8 6 b y g 4 5 0 e 0 1 型步进电机的基本技术参数如表3 - 2 所示： 表3 - 28 6 b y g 4 5 0 e 一0 1 型基本技术参数 最大静 旧 步距角温升电流电压电阻电感定位转矩转动惯量 转矩 l 21 8 。6 5 k4 a3 6 v09 q3 8 m h4 n - m0 2 5 n m 1 9 k g c m ( 2 ) 矩频特性 矩频特性是步进电机的一个重要性能。根据8 6 b y g 4 5 0 e 0 1 型步进电机的矩 频特性可知，步进电机连续运行时，运行频率升高到一定值后，其转矩值急剧下 降。步进电机连续运行时所能接受的最高控制频率称为最高连续工作频率，记为 f m 。本系统在进行软件开发时，是根据矩频特性曲线设定步进电机转速的。 3 2 3 驱动器 驱动器的功能是接受来自控制机的脉冲及方向信号，进行脉冲分配及功率放 大，驱动步进电机转动。为使步进电机达到需要的输出，驱动器必须给步进电机 提供足够的电压和电流。 1 选型 根据所选步进电机的技术参数及性能，选用了满度电流为5 a ( 高于步进电机 的相电流4 a ) 的s h 。2 h 0 9 0 m 型两相混合式步进电机细分驱动器。 2 性能 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 ( 1 ) 电源电压：采用具有两组独立绕组的变压器提供a c l 6 v 1 a 、a c 4 0 v 1 3 a 两路电源。 ( 2 ) 细分运行模式： 驱动器采用细分运行模式后，不必改变步进电机内部结构，就可使步进电机 具有更小的步距角及更高的分辨率。细分型设计还可以减低步进电机固有的共振 及电磁声，使步进电机运行平稳。可通过驱动器上的三位拨码开关s l 、s 2 、s 3 来 选择细分数。 ( 3 ) 输入信号：输入的控制信号通过内置光电耦合隔离，采用共阳极接法。 ( 4 ) 输出电流：根据步迸电机的额定电流4 a ，可通过驱动器上的三位拨码开 关s 6 、s 7 、s 8 来设置输出电流。 3 2 4 运动控制器【2 4 】 运动控制器的作用是输出数字脉冲和方向信号经过驱动器控制步进电机转 动。本系统要求四坐标联动，选用固高科技的g t 一4 0 0 一s g p c i 运动控制器，它具 有如下主要特点： 1 可实现四轴联动或同时独立地对4 个轴进行控制，为每个轴提供步进脉冲 和方向信号，驱动步进电机转动。 2 看门狗实时监测d s p 的工作状态。 3 基于坐标系编程的连续轨迹控制，可实现空间直线、圆弧插补运动。 4 提供程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降 低主机通讯实时性的要求。 5 面向各控制轴实现点到点运动控制，具有可编程s 曲线、梯形曲线、速度 控制和电子齿轮运动控制方式。 6 使用3 2 位( 二进制) 有效数字计算，实现高精度的轨迹控制。 7 可编程设置采样周期。四轴采样( 插补) 周期为1 6 2 微秒。 图3 _ 4 g t - 4 0 0 s g 结构示意图 2 7 第三章旋转锉刃磨数控系统硬件设计 g t 4 0 0 一s g 是高性能的运动控制器，它可以同步控制四个运动轴，实现复杂 的多轴协调运动。其核心出数字信号处理器a d s p 2 1 8 1 和现场可编程门阵列f p g a 组成，实现高性能的控制计算。图3 - 4 为该板卡