（机械工程专业论文）om3卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究.pdf

趸 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 印e o 年6 其妒b 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 7 l q 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：益- 节平导师签名：圣栏枝如。年多月咱 p 一 k 7 气 一 o m 3 卧式五轴联动加工中心 数控系统改造研究 摘要 本文针对o m 3 卧式五轴联动加工中心老系统不能正常运行且功能与现 时制造生产的要求相比出现了较大差距的状况，对其进行了基于西门子 8 4 0 d 数控系统的数控改造研究。， 文中重点介绍了0 m 3 2 1 ：1 工中心数控系统的设计方案，阐述了系统硬件设 计，p l c 控制程序编制和刀库控制系统设计，以及进给轴伺服系统的数学模 型分析等研究内容。此次改造采用精度高的滚珠丝杠和齿轮传动机构，数 控系统为西门子s i n u m e r i k 8 4 0 d ，配置s i m o d r i v e 6 1 1 d 驱动器和伺服电机， 以m p i 总线、驱动设备总线通讯的m i d c 、n c u 与p l c 等各部接口连接；对进给 轴伺服系统数学建模，系统的响应速度、定位精度、稳定性等控制性能进 行分析；编制面板、轴运行、液压冷却、设备安全等p l c 控制程序和故障、 操作报警文本；重新设计刀库控制系统，提高换刀的可操作性和可靠性； 同时进行数控系统的安装和机器参数的设置。 经过调试运行，调整数控系统的机器数据，对数控系统进行整定，使 整个控制达到最优，完全达到预定功能要求，完成了对加工中心的数控系 统改造。 关键词：s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统s i m o d r i v e 6 11 dp l c 报警信息刀库 机器数据 r e t r o f i t t i n gs t u d yo nn u m e r i c a l c o n t r o lsy s t e mo fo m 3h o r i z o n t a l 5 a sm a c h i n i n gc e 】n t e r a bs t r a c t t h i ss t u d ya i m sa tt h es t a t u st h a tt h eo u t d a t e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo f t h eo m 3h o r i z o n t a lf i v e a x i sl i n k a g em a c h i n i n gc e n t r ec a n tn o r m a l l yr u na n d i t sf u n c t i o n sc a n ts a t i s f yt h en e e d so ft h ea c t u a lm a n u f a c t u r e a n dc a r r i e so nt h e c n c c h a n g es t u d yb a s e do nt h es i e m e n s8 4 0 ds y s t e m s i t b r i n g sf o r w a r dap r o je c tf o rt h eo m 3n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m e m p h a t i c a l l y ，e x p o u n d st h es t u d yo ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，p l cc o n t r o l p r o g r a mc o m p i l i n ga n dt o o l m a g a z i n es y s t e md e s i g n ，a l o n g w i t ht h e m a t h e m a t i c sm o d e la n a l y s i sf o rt h ef e e ds e r v os y s t e m t h i sa l t e r a t i o na d o p t st h e p r e c i s i o nb a l lb e a r i n gl e a d i n gs c r e wa n dt h eg e a rp o w e r t r a n s m i s s i o n ，a p p l i e s t h es i e m e n ss i n u m e r i k8 4 0 dc n c 、t h es i m o d r i v e611d d r i v ea n ds e r v o m o t o rt ot h es y s t e mc o n t r o ，a n dp u t su pt h ed e s i g no ft h er e l e v a n ti n t e r f a c ew i t h t h ed r i v ea n dd e v i c eb u se o m m u n i c a t i o nf o re a c h p a r t s ，e s t a b l i s h e s t h e m a t h e m a t i c sm o d e l i n go ft h ef e e ds e r v o s y s t e ma n da n a l y s e s t h er e s p o n s e r a p i d i t y 、t h eo r i e n t a t i o np r e c i s i o na n dt h es t a b i l i t yc a p a b i l i t y ；c o m p i l e st h ep l c c o n t r o lp r o g r a m sc o m p r i s i n gp a n e lc o n t r o l l i n g ，a x i sm o v i n g 、h y d r a u l i cc o o l i n g ， d e v i c e s e c u r i t y ，a l a r m a n do p e r a t i o n m e s s a g e s ；r e d e s i g n s t h e t o o l m a g a z i n e c o n t r o ls y s t e m ，e n h a n c et h et o o l e x c h a n g em a n e u v e r a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ；a n d c a r r i e st h r o u g ht h ec n c i n s t a l l a t i o na n dp a r a m e t e r ss e t t i n g t h ec n cs y s t e mh a sb e e na d j u s t e da n dl o c a t e dt o o p t i m i z et h ew h o l e c o n t r o lo ft h em a c h i n eb ya d j u s t i n gt h em a c h i n ed a t ao fc n c ，a n dr e a c h e s s c h e d u l e dm a n u f a c t u r e sn e e d s t h u st h es t u d yo f a m e l i o r a t i n gt ot h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mo ft h em a c h i n i n gc e n t r em a k e s g o o dw i n n i n g ； 。 ， 气y “ 气 睁 k e yw o r d s ：t h es i n u m e r i k8 4 0 dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；t h e s i m o d r i v e611d ；p l c ；a l a r mm e s s a g e ；t o o lm a g a z i n e ；m a c h i n ed a t a i i i ， - c 、 扑、 l ， 弘 l p - 目录 第一章绪论1 1 1 数控机床的发展与现状1 1 1 1 国内五轴数控技术发展2 1 1 2 玉柴数控机床的概况3 i 2 数控技术介绍3 1 2 1 数字控制的基本概念3 i 2 2 数控机床的组成4 1 2 3 计算机数控系统的工作原理4 1 2 4 数控机床的分类5 1 3 课题来源与意义6 1 3 1 课题的来源6 1 3 2 数控改造研究的意义7 1 4 课题研究主要内容7 1 4 1 改造方案的设计原则与技术要求7 1 4 2 主要研究内容8 第二章机床数控系统配置设计9 2 1 西门子8 4 0 d 数控系统9 2 2 机床数控系统总体结构设计1 0 2 2 1 硬件设计l o 2 2 2 软件设计1 7 2 3 接口设计：1 9 2 3 1 单元模块的接口1 9 2 3 2 系统的接口连接一2 1 2 4 进给伺服系统分析一2 2 2 4 1 x 轴进给伺服系统数学模型与传递函数2 2 2 4 2 进给轴伺服系统性能分析2 4 2 4 3 技改前后系统的性能对比2 7 第三章p l c 控制系统设计：2 9 3 1p l c 介绍2 9 i v 气h n q t 3 1 1p l c 的结构与工作原理二2 9 3 1 28 4 0 d 数控系统中p l c 编程要点3 1 3 2p l c 控制系统设计3 2 3 2 1i o 地址分配：3 2 3 2 2p l c 程序结构：3 3 3 2 3 控制程序的编制3 5 3 3 报警系统与保护功能3 8 3 3 1 报警系统的设计3 8 3 3 2 机床保护功能的开发。3 9 第四章刀库控制系统设计：。4 0 4 1 刀库和主轴换刀操作4 0 4 2 刀库自动控制4 1 4 2 1 刀号4 1 4 2 2 刀具控制指令：4 1 4 3 报警表和操作信息4 2 第五章机床调试与运行4 5 5 1n c 、p l c 的总清4 5 5 2o m 3 加工中心运行调试4 6 5 2 1p l c 调试4 6 5 2 2n c 调试4 6 5 3 轴的运行调试与优化5 5 5 4 系统精度5 8 5 5 数据备份与恢复6 1 第六章结论：6 3 参考文献6 5 致谢6 8 在读硕士学位期问发表的学术论文6 9 v h 小 g q p 、 b _ 广西大掌工程硕士掌位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 第一章绪论 1 1 数控机床的发展与现状 在1 9 4 8 年，美国帕森斯公司( p a r s o n s c o ) 研制加工直升机浆叶轮廓样板的机床 时，提出研制数控机床的最初设想。1 9 4 9 年在美国空军部门的支持下，帕森斯公司展开 与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始数控机床的研究，并于1 9 5 2 年成功研制出 世界上第一台具有信息存储和处理功能的三坐标数控铣床。德国和日本也先后从1 9 6 0 年陆续开始生产数控机床。从2 0 世纪8 0 年代开始，随着电子技术、数控技术和计算机 技术的飞速发展，不断形成了一批闻名全球的数控系统专业生产厂家。例如德国的 s i e m e n s 、b o s h 、r e o d e r s ，日本的m i t s u b i s h ie l e c t r i c 、f a n u c ，法国的n u m ，西班牙 的f a g o r 等数控系统。从而推动了数控机床的发展。 从美国帕森斯公司研制出第一台数控机床以来，随着计算机技术、电子技术、自动 控制、精密测量和软件技术等相关技术的发展，数控机床也在快速发展，并且不断地更 新换代。基本上数控机床的发展先后经历了六个阶段。 第一阶段：1 9 5 2 1 9 5 9 年采用电子管元件电路的专用数控装置( n c ) 。 第二阶段：从1 9 5 9 年开始采用晶体管电子电路的n c 系统。 第三阶段：从1 9 6 5 年开始采用小、中规模集成电路的n c 系统。 第四阶段：从1 9 7 0 年开始采用大规模集成电路的小型电子计算机数控系统 ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，简称c n c 。 第五阶段：从1 9 7 4 年开始采用微型电子计算机控制的数控系统( m i c r o c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，简称m n c 。 第六阶段：到2 0 世纪9 0 年代后期，出现了p c + c n c 智能型数控系统。以p c 机用为 控制系统的硬件部分，w i n d o w sn t 作为p c 机的操作系统平台，然后在p c 机上安装n c 系统，即为加工中心的控制系统n 1 。 、 进入二十一世纪，随着电子技术和软件技术的发展，数控系统更是飞速发展，数控 机床也相应发展更新。 1 9 5 8 年，北京机床研究所和清华大学等单位也开始涉足研制数控机床，并成功试制 出我国第一台电子管数控机床。1 9 7 2 年到1 9 7 9 年期间是我国生产和使用数控机床的阶 段。从8 0 年代初开始，随着我国实施对外开放政策，先后从日本、德国、美国等国家 引进先进的数控技术，开展了大量的消化和吸收工作，提高了我国数控机床产品的质量 、1 小 l d 广西大掌工程硕士学位论文 o m 3 卧量。匠轴联动加工中心数控系统改造研究 和可靠性，从此数控机床在我国形成批量生产。但是对于中高档的数控系统还得依靠进 口，7 0 的数控机床依靠进口。目前我国开发比较成功的数控系统有华中i 型、中华i 型、航天i 型、蓝天i 型四个数控系统平台，以华中i 型为例，是典型的p c + c n c 系统1 。 1 1 1 国内五轴数控技术发展 现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、信息技术、成组技术与现代控制技术、 传感检测技术、网络通讯技术、光机电技术、液压气动技术于一体，是现代制造业的基 础。数控技术的发展和运用，使制造技术进入了新时代，使世界制造业的水平发生了巨 大变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质基础，它的广泛使 用又对机械制造业的产业结构、生产方式、管理方式带来深远的变化。数控产业是关系 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，同时，数控技术水平高低 是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。 众所周知，为了提高国家的电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事 工业的技术，五轴联动数控机床是迫切需要的关键加工设备。国际上甚至把五轴联动数 控技术作为一个国家工业化的一个重要标志。从1 9 9 9 年开始，国内的五轴数控机床产 品不断在c i m t 、c c m t 等国内的一些机床展览会上亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐 打开，国际数控机床巨头也不断将产品输入国内，使得国内五轴数控机床的使用品种和 数量逐年上升。 在c i m t 9 9 、c i m t 2 0 0 0 展会上分别推出3 台国产五轴联动机床；而c i m t 2 0 0 1 国际机 床展览会上，桂林机床股份有限公司和北京第一机床厂分别展出了主轴转速达 1 0 0 0 0 r m i n 的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的五轴高速立式加工中心主轴转速 高达1 5 0 0 0 r m i r a 大连机床厂的串并联机床d c b _ 5 l o ，其数控系统则由清华大学开发， 而其他部分则自行开发，该机床通过并联机构来实现x 、y 、z 轴的直线运动，通过串联 机构来实现a 、c 轴的旋转运动，从而实现机床的五轴联动，其直线快速进给速度可以 达到8 0 m m i n ；清华大学与昆明机床股份有限公司则联合研制，其x n z 6 3 机床采用标准 s t e w a r t 平台结构，能够实现六自由度联动。展会上的这些机床均已跟上国际先进水平， 体现出我国机床制造工业的水平在不断地提高，研究水平也上升了一个台阶。中国机床 制造工业的飞速发展，并利用自己研制的高、精、尖产品不断参与国际市场的竞争，打 破了国际上对数控技术的垄断，国际数控机床巨头们不愿失去中国市场，于是把他们的 高端产品也“送上门来 ，国外展团共展出8 台五轴加工中心、1 台五轴车铣加工中心、 5 台五轴数控刀具磨床。 于是在c i m t 2 0 0 5 展出五轴及五轴以上加工机床接近3 0 台，其中大约半数为国产精 品。展品结构出现形式各异，形式多样，精彩纷呈。带动了我国数控机床行业的发展， 2 卜 l 、 6 l 4 广西大学工程硕士学位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 已经有2 0 多家企业可以设计生产五轴联动机床。在c c m t 2 0 0 6 上展出了一批五轴联动机 床，而宁江机床集团股份有限公司展出的n j - 5 h m c 4 0 五轴联动加工中心，主轴转速甚至 达到4 0 0 0 0 r m i n ，该加工中心是目前国产主轴转速最高的机床。 从展品的五轴数控机床总体水平看，国内五轴数控机床的关键技术、关键部件和整 机的可靠性与国外展品还有比较大的差距，其多数技术还需要依靠国外进口，企业在自 主知识产权与核心技术、创新性产品自主研发能力以及向市场提供商品化批量产品的能 力方面，还需要努力，才能解决我国五轴数控机床设计制造所欠缺的水平。并且高效高 速高精度的五轴数控机床基本上全部需要依靠进口解决，价格也相当昂贵。此外，目前 我国五轴数控机床应用还主要集中在宇航与军工企业，数量比较有限，一般民用中小企 业大多数尚未使用，也不具备维护能力。 1 1 2 玉柴数控机床的概况 玉柴公司从九十年代初引进美国福特公司的二手设备，开始大量使用数控机床来加 工柴油机，随后又从德国进口了曲轴数控加工设备，并引进了几台加工中心用来生产模 具。进入二十一世纪后，玉柴由于生产扩大的需要，引进了大量数控设备，以加工中心 为主。主要是日本m a z a k 和德国h e l l e r 公司生产的加工中心。玉柴公司拥有3 0 0 多台 套高精度、大型、重型稀有、进口、数控设备，近2 5 0 台套1 0 0 万以上设备，而其重型 机加工柔性生产线基本由加工中心组成。在玉柴公司的数控机床中，。数控系统主要以西 门子公司的为主，系统也从单轴的w s 7 2 0 ，到s i e m e n s 3 ，8 8 0 ，8 0 2 s ，8 0 2 c ，8 1 0 d ， 8 4 0 c ，8 4 0 d ，几乎就是西门子数控系统的发展史。其次就是日本的f a n u c 、m a z a k 的m 6 4 0 系统。还包括一些国产的经济型数控系统，如南京易可得数控，广州数控，成都广泰数 控。 可以看出，随着西门子公司的数控系统不断发展，玉柴公司使用的西门子数控系统 也在同步发展，同时又注重引进其他系统的设备，这种引进设备的方式易于对数控技术 的掌握，有利于对数控机床的维修。 1 。2 数控技术介绍口卅 1 2 1 数字控制的基本概念 数控是数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l 缩写为n c ) 的简称。数控技术作为一种自动 控制技术，就是用数字化信号对控制对象进行控制的一种技术。 模拟控制的控制信号是模拟量，数字控制的控制信息是数字量。数字控制比模拟控 制具有许多优势：用不同的字长表示不同精度的信息，用数字化信息进行数学运算、逻 辑运算等复杂信息的处理工作，尤其是用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改 卜 西 l q 广西大掌工程硕士掌位论文0 m 3 卧茸。匠轴联动加工中心数控系统改造研究 动电气硬件电路或机械机构，使机械设备具有很大的“柔性 。因此数字控制广泛用于 机械系统的开关量控制和机械运动的轨迹控制，如机器人控制、机床控制等。 国际信息处理联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i f i p ) 第五技术委员会，对数控机床作出定义如下：数控机床是一种装了程序控制系 统的机床。该系统能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。这个程 序控制系统，就是数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 。 数控系统作为一种自动控制系统，能自动输入载体上事先给定的数字信息，再进行 译码，然后进行必要的信息处理和运算，通过必要的硬件对机床动作控制并加工零件。 数控系统最初是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着计算机技术和软件技术 的发展，基本上已不采用硬件数控系统，目前普遍使用的是计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，简称c n c 系统。在c n c 系统中，计算机承担数控中的命令发生器 和控制器，计算机的软件来进行数字信息的处理过程，还可以处理硬件逻辑电路难以处 理的复杂信息，所以数控系统的性能就大大提高了。 f 2 2 数控机床的组成 数控机床大体都由控制介质、计算机数控系统、伺服系统和机床本体所组成，如图 卜1 所示。图中实线部分表示开环控制系统，虚线部分包含位置反馈构成了闭环控制系 统。 愀h 群一浆 装卜l 装置i 1 一 图1 1 数控机床的组成 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fc n cm a c h i n e 控制介质：控制介质是用来记录加工零件所需要的各种信息的载体； 计算机数控系统：是数控机床的核心部件，接受控制介质送来的零件加工信息，经 过计算和逻辑判断处理后去控制机床的动作； 伺服系统：是数控系统和机床本体之间的电气驱动环节。包括驱动控制系统、伺服 电动机和位置检测与反馈装置等； 机床本体：完成各种切削加工的机械部分，以及机床其他部分。 1 2 3 计算机数控系统的工作原理 1 输入：输入给数控系统的信息包括零件加工程序、系统控制参数和补偿数据等。 4 、 6 q 广西大掌工程硕士掌位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 2 译码：输入的零件加工程序含有零件的轮廓信息( 起点、终点、直线或者圆弧等) 、 加工速度、主轴转速以及其他辅助信息( 换刀、主轴换档、冷却液开关等) 。数控系统 使用译码程序来识别这些信息，将零件加工程序进行翻译后，变成数控系统内部能识别 的语言。 3 数据处理：数据处理程序一般包括加工速度计算、刀具半径补偿和辅助功能的处 理。加工速度计算就是计算出加工该数据段的刀具运动速度。刀具半径补偿是把零件轮 廓轨迹转化为刀具中心轨迹。另外，换刀、主轴换档、冷却液开关等辅助功能亦在这个 程序段中实现。 4 插补：就是根据给定的曲线类型( 如直线、圆弧或高次曲线) 、起点、终点以及 速度，按照某种算法在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统由软件来实 现插补计算。主要的插补方法有两种：一是脉冲增量插补法，每次插补运算结束产生一 个脉冲；二是数字增量插补法，插补运算在每个插补周期进行一次，再根据指令进给速 度计算出一个微小的直线数据段。 5 伺服控制：将数控系统输出的位置进给脉冲数量或进给速度指令，经过转换和放 大后输出到各轴伺服系统控制伺服电机( 步进电机) 的转动，从而带动机床工作台移动， 进而实现零件的加工。 6 管理程序：当开始对一个数据段进行插补时，功能程序就准备下一个数据段的读 入、译码和数据处理。并调用各个功能子程序，保证一个数据段加工过程中同时将下一 个程序段准备就绪。如果本数据段加工完成，就开始下一个数据段的插补。这样周而复 始执行程序就完成了整个零件的加工。 1 2 4 数控机床的分类 数控机床的分类方法有很多种，如被控机床的运动轨迹、联动坐标轴数、伺服运动 的控制方式、数控系统的功能水平等。下面按伺服运动的控制方式进行分类。 1 开环控制系统( o p e nl o o pc o n t r o ls y s t e m ) 开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制系统。由于系统没有位置检测和反馈， 进给传动链的误差不能进行校正补偿，因此控制精度较低，位置精度通常为 o 0 1 0 0 2 r a m 。但开环系统结构和控制简单、运行平稳、成本低、使用维修容易， 常见于精度要求不高的经济型数控系统中，还用于旧机床的数控化改造中。 2 半闭环控制系统( s e m i - c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ) 半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机轴端或丝杠轴端装有角位移检测装置，通 过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移和速度，反馈给数控装置的比较 器，与输入指令位移量进行比较，用差值来进行控制。现在角位移检测装置多采用脉冲 o 6 镊 矿 - 广西大学工程硕士学位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 编码器，滚珠丝杠螺母副具有很好的精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向运 动间隙的结构，以及采取补偿措施，完全可以满足绝大多数数控机床用户的精度需要。 因此，在实际运用中，半闭环控制系统成为首选的控制方式被广泛采用。 3 闭环控制系统( c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ) 闭环控制系统是在工作台安装位置检测装置，直接将测量到的位移或角位移反馈给 数控装置的比较器，与输入指令位移量进行比较，用差值来进行控制。位置检测传感器 常用直线型光栅、磁栅、感应同步器等。速度检测传感器常用测速发电机、脉冲编码器 等。闭环控制系统的主要优点是将机械传动机构的全部环节都包括在闭环之内，因此从 理论上分析，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置精度，而与机械传动机构的 误差无关，其位置精度超过半闭环控制系统。但实际运用中，机床传动机构的一些非线 性因素，如机床结构、传动装置，传动间隙等，都会影响加工精度，严重的还会使闭环 伺服系统的品质下降；调试时，其系统稳定状态很难达到，还可能引起振荡。 4 混合控制系统( m i x e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ) 这类控制系统混合了开环、半闭环和全闭环的控制方式，互相取长补短，实现大型 数控机床的高速度、高精度。 目前常见的有如下两种混合控制系统： ( 1 ) 开环补偿型控制数控系统：基本控制仍然为开环控制系统，再附加一个补偿( 校 正) 伺服电路。这样就保留了开环控制的优点，又较好地解决了步进电机运动中丢步和 过冲问题，同时补偿机械传动系统引起的误差，提高了开环控制的控制精度。 ( 2 ) 半闭环补偿型控制数控系统：它仍采用半闭环进行基本驱动，再在工作台上安 装直线位移检测装置实现全闭环，用半闭环和全闭环的差值同时进行控制，因此这种系 统可以快速获得稳定的控制特性，还可以获得高精度。这种控制系统主要用在高速度高 精度的大型数控机床上。 1 3 课题来源与意义 1 3 1 课题的来源 本次技改的加工中心是上世纪九十年代，玉柴公司从美国引进的二手o m 3 卧式五轴 联动加工中心，该加工中心是美国7 0 年代末8 0 年代初的机床，在美国时是航天航空工 业用来加工零部件。由于其数控系统电气设备十分陈旧，机床到玉柴时已经无法正常使 用。由于数控系统已经损坏，没办法进行修复，所以一直闲置没有使用。考虑到该机床 的机械精度和刚性都处于较好状态，只需要对数控系统以及伺服驱动系统进行改造，就 可以恢复机床的加工功能。 6 l q 广西大掌工程硕士掌位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 随着上世纪冷战的结束，以及中国多家数控企业纷纷推出国产五轴联动数控机床系 统，从而打破了西方工业发达国家的技术封锁，使得发达国家的五轴联动数控系统出口 许可证制度有所松动。2 0 0 4 年，由西门子广州子公司代向当时的国家外经贸委申请担保， 保证o m 3 卧式五轴联动加工中心不用于军事目的，向德国政府备案申请8 4 0 d 五轴联动 数控机床系统的软件出口许可证，玉柴公司投入5 0 多万元，进口了一套8 4 0 d 五轴联动 数控机床系统，使得采用8 4 0 d 五轴联动数控系统改造o m 3 卧式五轴联动加工中心成为 可能。 s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统是德国西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的功能强大的数控 系统，与同系列的其他数控系统相比，内部结构和操作界面都进行极大的改变， s i n u m e r i k8 4 0 d 是具有高度的模块化以及规范化的开放式数控系统，具有在运行状态下 就可以通过r s 2 3 2 接口与内部p l c 或用西门子专用p l c 编程器进行数据通讯的能力。还 具有优于其它系统的动态品质和控制精度。 在同一时期，其他数控系统生产厂家也有与西门子8 4 0 d 功能结构相当的数控系统， 由于公司以前引进和技改的设备大多采用西门子数控系统，对西门子系列数控系统的构 成、硬件设置、参数设置及p l c 的开发应用等方面都拥有相当的经验，有利于本课题研 究的顺利进行。也有利于今后对机床保养维护。因此决定采用s i n u m e r i k8 4 0 d 五轴联 动数控系统、西门子6 1 1 d 伺服系统进行o m 3 卧式五轴联动加工中心的技术方案。 1 3 2 数控改造研究的意义 此次数控改造研究的意义如下： 1 西门子8 4 0 d 五轴联动数控系统改造之后，机床恢复了全部加工功能，对于维修 更加方便容易。 2 改造投入了5 0 多万元，就使一台旧五轴联动加工中心投入使用，改造后机能够 加工更加复杂的零件，其经济效果明显。 3 通过进行改造，掌握了五轴联动加工中心电气设计、安装和调试技术。 1 4 课题研究主要内容 1 4 1 改造方案的设计原则与技术要求 对于o m 3 五轴加工中心的数控系统改造项目，结合使用设备的实际情况，设计原则 如下： 1 前期数控系统选型中尽量采用成熟、可靠的定型产品和技术，保证数控系统基于 良好的硬件、软件平台； 2 采用标准软硬件产品，以减少技改工程量，节省投资，提高机床的可维护性； 7 广西大学工程硕士掌位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 3 机床硬件的设计要方便安装，其选用硬件要便于维修备件的统一管理； 4 应用软件开发设计结构合理，通用性，灵活性高，当工艺进一步改变时，仅做少 量调整便能满足生产需求； 5 通讯设计必须采用统一的标准协议和标准接口，保证整个系统的开放性和包容 性。 基于以上设计原则，通过比较各种数控系统的功能之后，选用西门子的s i n u m e r i k 8 4 0 d 五轴联动数控系统、6 1 l d 伺服系统构成o t d 3 机床的数控系统。 改造后的机床应能完全适应现代生产需求，在保留原有功能基础上，还应具有： 1 具有友好的人机接口界面，机床操作方式多样，操作方便； 2 n c 程序和p l c 控制程序的编制与改动灵活，方便机床数据备份和恢复； 3 可安全手动自动换刀，刀库刀具管理清晰明确； 4 编写丰富的报警信息、提示信息和故障诊断程序提供给操作者和维修人员，可以 方便快捷地解决机床使用中出现的各种问题； 5 加工精度高，还有各种保护功能，保证机床运行平稳可靠。 1 4 2 主要研究内容 在本项目中，研究的主要内容如下： 1 电气控制系统研发。它包括电气控制原理分析设计、系统软硬件选配等。 2 p l c 控制程序的设计开发。利用西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的内部p l c 完成 逻辑控制及信息处理。根据机床的控制设计要求，确定p l c 的输入输出点数，以及电源 电路设计，分析设计各种接口电路，并根据机床控制、操作及加工要求编制控制程序。 使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间能够协调一致工作。 3 设计刀库管理与刀具交换系统。以自动和手动两种方式对刀库系统的操作、管理 进行控制。 4 整个数控系统的安装调试。根据数控系统的安装要求和机床的控制要求，调整系 统参数，使数控系统正常可靠地工作，机床达到设计要求。 8 o i v 广西大掌工程硕士掌位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研究 第二章机床数控系统配置设计 2 1 西门子8 4 0 d 数控系统叫霸 西门子s i n u m e r i k8 4 0 dc n c 系统是德国西门子公司推出的功能强大的数控系统， 与西门子公司其他c n c 系统相比，其内部结构和操作界面都进行了极大的改变。8 4 0 d 数控系统是开放式的数控系统，高度的模块化以及规范化。在运行状态时就可以通过 r s 2 3 2 接口与p l c 或西门子专用p l c 编程器进行数据通讯。它的突出之处在于其不断扩 展的特性，还具有强大的网络功能，使实现现代化管理成为可能。 s i n u m e r i k8 4 0 d 、s i m o d r i v e6 11 n 和s i m a t i cs 7 系统，为机床的自动化提供了全 方位的解决方案：全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分 辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。 该系统具有高度模块化、开放性的结构特点，适于操作、编程、监控及维护。它采 用了当今非常先进的控制概念，适用于控制铣削、钻削以及车削和磨削机床加工，是一 种适于各种控制领域不同要求的数控系统。 相对于西门子前几代系统以及其它厂家的数控系统，8 4 0 d 数控系统具有下面几个特 点： 1 数字化驱动：在8 4 0 d 数控系统中，数控和驱动的接口信号采用数字量的方式， 通过驱动总线接口，连接各轴驱动模块。 2 轴控规模大：最多可以控制3 1 个轴( 其中最多1 0 个主轴) 。 3 五轴联动功能：可以实现x 、y 、z 、a 、b 五轴的联动加工，能加工任何三维空 间曲面。 4 操作系统视窗化：采用w i n d o w s 作为操作平台，操作简单、灵活，易学习掌握。 5 软件功能强大：可以实现加工( m a c h i n e ) 、服务( s e r v i c e s ) 、参数设置 ( p a r a m e t e r ) 、诊断( d i a g n o s i s ) 及安装启动( s t a r t - u p ) 等几大软件功能。 6 具有远程诊断功她b g ：如现场用p c 适配器、m o d e n 卡，用电话线就可实现s i n u m e r i k 8 4 0 d 与异域p c 机通信，进行修改p l c 程序和监控机床状态等远程诊断功能。 7 保护功能健全：分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等七个软件和 参数保护等级，用密码和钥匙开关来进行保护，使系统更加安全可靠。 8 硬件高度集成化：大量采用超大规模集成电路，提高了硬件系统可靠性。 9 模块化设计：软硬件系统根据其功能和作用划分为不同的功能模块，使系统连接 9 “ 广西大学工程硕士学位论文0 m 3 卧声。匠轴联动加工中心数控系统改造研究 更加简单，维护更加方便。 1 0 内装大容量的p l c 系统：最多可以配置2 0 4 8 点输入和2 0 4 8 点输出，并且采用 p r o f i b u s 现场总线和m p i 多点接口通信协议，从而大大减少了现场布线。 本课题设计考虑到8 4 0 d 数控系统的诸多良好性能，尤其是公司前期数控改造大多 采用西门子数控系统，对西门子系列数控系统的构成、硬件设置及p l c 的设计应用等方 面都己有了相当的经验，为本次改造研究提供了保障。各种硬件设备相同或相似，也方 便以后对机床的维护保养。基于此，便确定采用s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统、s i m o d r i v e 6 1 1 d 驱动系统和s i m a t i cs 7 可编程序控制器一起，共同构成全数字控制系统，以实现 机床数控改造的技术方案。 。 2 2 机床数控系统总体结构设计 o m 3 五轴加工中心的数控系统改造设计主要包括图2 - i 中的内容。 图2 一l 机床设计组成 f i g 2 - 1s t r u c t u r ef o rm a c h i n ed e s i g n 2 2 。1 硬件设计 1 s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统的组成 8 4 0 d 数控系统主要由数控单元n c u ( n u m e r i cc o n t r o lu n i t ) 及驱动单元s i m o d r i v e 6 1 1 d ，m m c ( m a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ) 和p l c 模块三部分组成，数控系统的各项不同 功能可以在这三部分中分别独立完成，并通过三部分的协同工作来完成数控系统的整个 控制功能。 l o 广西大学工程硕士学位论文0 m 3 卧式五轴联动加工中心数控系统改造研3 ；已 图2 28 4 0 d 系统组成 f i g2 - 2t h es t r u c t u r eo f8 4 0 ds y s t e m 2 模块单元功能 ( 1 ) m m c 是人和数控系统进行信息交流的通道。包括：o p ( o p e r a t i o np a n e l ) 单元、 m m c 单元、m c p ( m a c h i n ec o n t r o lp a n e l ) 三部分。删c 作为人一机通讯的接口，主要 作用就是控制整个系统的操作和显示，以及与外部进行交换数据，还实现数控系统启动、 程序编辑、模拟加工显示、加工程序的输入输出、c n c 系统的自诊断及其他服务。 0 p 单元一般包括l o 4 t f t 显示屏和n c 键盘，o p 单元和m m c 共同建立起s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统与操作者之间的交互界面。用户可以选择不同的0 p 单元，本次技改研究 选择o p 0 3 1 。8 4 0 d 数控系统应用了m p i ( m u l t i p l ep o i n ti n t e r f a c e ) 总线技术，传输 速率达到1 8 7 5 k 秒，o p 单元只是这个总线网络中的一个节点。 m m c 单元从功能上看就是一台计算机，拥有自己独立的c p u ，可以带相应的硬盘和 软驱。o p 单元的显示屏就是这台计算机的显示器，而西门子m m c 的控制软件就安装在这 台计算机中。根据设计需要，8 4 0 d 选用姗c 1 0 3 。 m c p 就是专门为数控机床而配置的操作面板，通过m p i 总线技术连接于数控系统。 数控机床需要的各类硬操作就是通过m c p 硬功能键来完成。m c p 的硬功能键分为6 个操 作区： 操作模式键区：有j o g 、m d a 、a u t o 和t e a c hi n 等4 种操作模式供机床操作者选