（机械工程专业论文）基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 现代化生产日益向着大规模化、系统化、自动化方向发展，数控技术的应用越来越 受到重视。随着我国汽车工业的迅速发展，对于汽车关键零件缸体的加工也备受重视， 而缸套孔止口深度加工的精度直接影响到发动机的工作性能，所以机体加工中止口孔深 度及位置精度要求都相当高。 本文在分析了缸体止口深度加工的基础上，具体介绍了数控系统及数控加工理论， 并重点针对探头在数控补偿加工方案中的设计进行探讨及研究。在加工d 11 4 型号发动 机缸体时使用了全闭环数控系统，不仅提高了滑台的定位精度，而且大大提高了滑台的 移动速度。而且采用一次装卡完成精铣缸体顶面、精镗缸体套孔和止口孔三道工序的加 工工艺，工作效率是传统的加工的两倍。同时在驱动装置上增加触发式位置检测探头用 于测量缸体顶面位置，实现了以缸体顶面为基准的数控补偿加工。最终通过三坐标检测 结果证明了使用新工艺后止口深度的加工精度从0 0 6 m m 提高到0 0 1 5 m m 。此外本 文还详细介绍了系统的调试过程及相关问题的解决与分析。 本文利用数控技术有效的控制住缸体加工中的关键工位，尤其是止口深度的m - v 时 采用探头进行测量补偿控制技术，有效的保证了加工的质量及稳定性，实现了预期的目 标。 关键词：探头；缸体止口；数控 基于误差自动补偿的缸体止口深度加1 二工艺研究 s t u d yo np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h em o u t hd e p t ho ft h ec y l i n d e r b a s e do ne r r o ra u t o c o m p e n s a t i o n a b s t r a c t m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt ou s en ct e c h n i q u eb e c a u s eo fm o d e mi n d u s t r y sg r e a ts c a l e s y s t e m a t i z e da n da u t o m a t i o n a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc a r i n d u s t r yi no u rc o u n t r y ， m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h em a c h i n i n ga b o u tt h ec y l i n d e rw h i c hi st h ek e yp a r ti nt h ec a r ， a n dt h ep r e c i s i o no fd e p t hm a c h i n i n ga b o u tt h em o u t ho ft h ec y l i n d e rc a ne f f e c tt h ew o r k c a p a b i l i t yo ft h ee n g i n e ，8 0w h e nm a c h i n i n ga b o u tt h ec y l i n d e r ，t h ed e p t ho ft h em o u t ho f c y l i n d e ra n dp o s i t i o np r e c i s i o nh a v eh i g hr e q u i r e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ed e p t hm a c h i n i n ga b o u tt h em o u t ho ft h ec y l i n d e r ，t h e n cs y s t e ma n dt h et h e o r yo fn c m a c h i n i n ga r ei n t r o d u c e dc o n c r e t e l y ，a n dt h ek e ys u b j e c t s a r ed i s c u s sa n dr e s e a r c ho ft h ed e s i g nf o ru s e dt h ep r o b ei nt h en cc o m p e n s a t em a c h i n i n g w h e nc y l i n d e ro ft h et y p eo fd1 14i sm a c h i n e d ，u s e dt h ec l o s e dl o o ps y s t e m ，n o to n l y i m p r o v et h eo r i e n t a t i o np r e c i s i o no ft h es l i p w a y ，b u ta l s oi m p r o v et h em o v i n gs p e e do ft h e m a c h i n e t of i n i s hm i l l i n gh e a df a c eo ft h ec y l i n d e r 1 f i i l i s hb o r i n gt h eh o l ea n dm o u t ho ft h e c y l i n d e ri no n et i m em a c h i n i n g t h ew o r ke f f i c i e n c yi st w i c eo ft h et r a d i t i o n a lm a c h i n i n g i n t h es a m et i m e ，a d d e dt h ep r o b eo ft o u c hs y s t e mw i t hp o s i t i o nm e a s u r ei nt h ed r i v et om e a s u r e t h ep o s i t i o no ft h et o po ft h ec y l i n d e r ，r e a l i z e dn c c o m p e n s a t em a c h i n i n ga b o u tm a r k i n gt h e r e f e r e n c eo nt h et o po ft h ec y l i n d e r f i n a l l yt h er e s u l to ft h r e ec o o r d i n a t ed e t e c ti su s e dt o p r o v et h a tt h ep r e c i s i o no ft h ed e p t hm a c h i n i n ga b o u tt h em o u t hi si m p r o v ef r o m 0 0 6 m m t o o o15 m m i na d d i t i o n t h es y s t e md e b u gp r o c e s sa n dt h er e s o l v ea n da n a l y s i so f c o r r e l a t i v ep r o b l e ma r ei n t r o d u c e dp a r t i c u l a ri nt h i sp a d e r i nt h ea r t i c l eu s e dt h en ct e c h n i q u ec a l le f f e c t i v e l yc o n t r 0 1t h ek e yp o s i t i o ni nc y l i n d e r m a c h i n i n g i np a r t i c u l a rt h ed e p t hm a c h i n i n gi su s e dt h ep r o b et oc o m p e n s a t em e a s u r e ， e f f e c t i v e l ye n s u r et h eq u a l i t ya n ds t a b i l i z a t i o no f t h em a c h i n i n ga n da c h i e v e dt h ee x p e c ta i m k e yw o r d s ：p r o b e ；m o u t ho ft h ec y l i n d e r ；n u m e r i c a lc o n t r o l i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丝至! 墨兰鱼堑茎生垡塑垂兰垡垒里塑盘丝兰三竺研吃 作者签名：查选童丝! 訇日期_ 2 竺芝年上月丝日 大连理工大学硕+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部f - 3 或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 学位论文题目：兰至兰至薹亟亟垒主篮塑：垒垒圭里墨垒垒兰兰兰纽盎 作者签名：之益塑! 主1 日期：2 丝至年l 月丑日 导师签名：兰丝垒堑主 日期：j 珥年l 月生日 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1问题的提出 近年来，随着我国汽车工业的不断发展，汽车业已成为国民经济的支柱产业。全国 年产发动机数百万台，汽车数百万辆，市场的需求巨大。各汽车制造厂在不断提高质量、 性能的同时，对发动机关键零件的加工工艺也在不断地进行探索，以保证发动机的高性 能。 而缸体是发动机的关键零件之一，柴油机缸套孔止口深度加工的精度直接影响到柴 油机的工作性能，止口深度太深会引成气缸盖压不紧气缸套而造成漏气、漏水、充气缸 盖垫等故障；止口深度太浅会造成装配后气缸套、气缸盖应力太大而损坏气缸套、气缸 盖、气缸垫等零件，所以机体加工中，缸体中缸套孔尺寸、粗糙度、止口孔深度及位置 精度要求都相当高，尤其是止n t l 深度公差较难控制。 高效率、高质量、高可靠性是在自动生产线上进行大批大量生产时面临的主要问题 之一，解决这一问题行之有效的技术手段是在关键工位、尤其是精加工工位上采用测量 补偿控制技术。 以国民经济支柱产业之一的汽( 轿) 车工业为例，镗削往往是；y l 力h 工中最主要的精 密加工工艺手段，而孔加工又往往是汽车关键零件自动生产线上最重要和最主要的工 序，特别是缸体的止口深度加工。由于刀具磨损与调整、机床磨损及其它工艺条件变化 等确定或不确定因素的存在，极大地影响了镗孔精加工的质量、效率及可靠性；因此， 作为一项先进的功能部件，具有测量补偿的数控加工系统就成为开发或改造此类自动生 产线所必需的关键核心技术。 随着此项技术的成功应用，解决了缸体止口深度加工一直依赖国外进口设备的局 面，为国内机床的制造打开了新的局面，必将有着广泛的经济发展空间。 1 2 缸体止口简介 发动机是汽车的核心零件，发动机是由缸体、缸盖、曲轴、联杆等零件组成，缸体 则是发动机的主体部分，见图1 1 所示。 在缸体加工中，缸体中缸套孔尺寸、粗糙度、止口孔深度及位置精度要求都相当高， 尤其是止口孔深度公差较难控制。缸体止口孔是缸体顶面和缸套孔前端之间的圆孔，刀 具所在处即为缸体止口，见图1 2 所示。 缸套孔止口深度加工的精度直接影响到发动机的工作性能，止口深度太深会引成气 缸盖压不紧气缸套而造成漏气、漏水、充气缸盖垫等故障；止口深度太浅会造成装配后 基于误差自动补偿的缸体止口深度加t 丁艺研究 气缸套、气缸盖应力太大而损坏气缸套、气缸盖、气缸垫等零件，所以采用数控补偿技 术才能更好的保证止口深度加工的精度。 图1 】缸体示意图 f 培11 s k e t c ho f t h ec y l 【i n d c r 纡 ， 鬯 图12 缸体止口示意图 f i g12 s k e t c ho f t h e m o u t ho f t h ec y l i n d e r 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 缸体止口深度加工的分析 当前国内外止口深度的加工精度一般在0 0 2 r a m 。而国内能生产用于止- t l ) n 工的组 合机床，主要是大连机床集团和沈阳机床集团。但由于企业间的技术保密，各企业间的 加工工艺各有不同。在传统止口深度加工中，缸体以底面定位，精铣顶面后缸体的高度 公差范围一般是0 1 m m ，而止口深度公差要求在0 0 2 r a m 以内，所以很难保证止口 深度的公差要求。也有采用浮动主轴结构加工止口深度，虽然精度可以保证，但在机床 工作中，由于浮动主轴结构，主轴箱和套筒间存在间隙，所以镗轴在高速旋转中产生振 动，影响镗缸孔尺寸精度和粗糙度。本文结合实例提出一个新的解决方法，即在缸体项 面增加触发式位置检测探头，通过数控技术进行以缸体顶面为基准的补偿加工。整套控 制系统的成功应用为缸体止口深度加工提供了可靠的技术保证。 本文的研究目标在于开发一个具有自主知识产权的精密镗铣、误差自动测量补偿的 先进功能部件产品，填补我国在该产品上的空白。 本文所提出的工艺方法主要用于具有严格要求的大批量精密- t l 力n 工，它能自动地、 稳定地保证和提高加工精度和效率。 这一技术的成功解决，将改变国内相关行业对这一技术完全依赖于进口的局面，同 时，能为国内的设备供应商提供有力的技术支持，以提高其相关自动生产线的开发、配 套及改造能力。 1 4 本文主要研究内容 本文首先分析加工发动机缸体时止口孔深度公差较难控制且工艺复杂的原因。进而 提出基于误差自动补偿的控制方法和加工工艺。结果表明本文利用数控技术有效的控制 住缸体加工中的关键工位，尤其是止口深度的加工时采用探头进行测量补偿控制技术， 有效的保证了加工的质量及稳定性，实现了预期的目标。 本文的研究工作主要包括： ( 1 ) 分析发动机缸体时止m - t l 深度的现有加工工艺及其存在的问题。 ( 2 ) 综述国内外文献的基础上，提出在缸体顶面增加触发式位置检测探头，通过数 控技术进行以缸体顶面为基准的补偿加工的控制方法，并通过实验验证其方法 的合理性。 ( 3 ) 建立新的发动机缸体的止1 2 1 孔深度加工工艺，实现了自动、稳定力n - r _ 并保证和 提高加工精度和效率。 基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 2 研究理论基础 2 1 数控探头简介 2 1 1 数控探头的基本概念 在数控加工中，为了及时了解工件的实际尺寸精度，以便正确的调整机床和刀具， 需对工件进行两种检测，一是工件变化时，需要根据新的零件尺寸精度来调整机床和刀 具，这时可先把己加工好的零件再三坐标测量机上进行测量。三坐标测量机精度很高， 并由计算机系统进行数据处理，将测量结果通过c r t 显示或在打印机上打印出测量结 果，根据测量结果对机床、刀具进行调整，这种测量可称离线检测；二是在加工过程中， 为了随时掌握零件的加工精度，及时机床、刀具进行调整，需要在加工中对零件进行检 测，也就是要在线检测。这种在零件不卸下来的情况下通过数控检测探针完成的测量补 偿加工方式，对大型复杂零件的加工显得十分重要。 2 1 2 探头的分类 探针( 亦称探头) 本质是一种简单的高灵敏度开关，当探针头触到一个物体表面时， 就会产生出相应的信号传送到数控装置中去，探针头所在地位置数据就会被自动的记录 下来。探针头是用耐磨和稳定性极好的红宝石做的，探针杆是用轻质陶瓷材料制成的空 心管。这样可以减少高速及加速运行时的触发误差，在出现故障的情况下还可保护价格 昂贵的探针本体。探针部分可换装各种型号，以适应不同的几何外形测量的需要。 根据信号传输方式的不同分为三种传送方式： ( 1 )电缆传送方式检测信号通过电缆传输。 ( 2 ) 感应传送方式即电磁耦合传输。 ( 3 ) 光感应即红外线辐射传输，优点是可以在工作区域之外自由接受位置信号。 2 1 3 探头的功用 探头的功用分为： ( 1 ) 道具的精度调整 ( 2 ) 零件的检测 ( 3 ) 数字化扫描 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 探针对零件的检测功能是通过程序来完成的。它有专门的编程指令，不同的数控系 统及探针及其编程的指令和方式也不相同，必需严格地按照说明书的规定使用。本文使 用r e x r o t h 系统对探针检测零件进行编程【1 1 。 2 2 数控系统简介 2 2 1 数控的基本概念 数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代 表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床 大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控的工作母机是国家工业现代化的重 要物质基础之一。 数值控制( 简称“数控 或“n c ”) 的概念是把被加工的机械零件的要求，如形状、 尺寸等信息转换成数值数据指令信号传送到电子控制装置，由该装置控制驱动机床刀具 的运动而加工出零件。而在传统的手动机械加工中，这些过程都需要经过人工操纵机械 而实现，很难满足复杂零件对加工的要求，特别对于多品种、小批量的零件，加工效率 低、精度差。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标 数控铣床。控制装置由2 0 0 0 多个电子管组成，约一个普通实验室大小。伺服机构采用 一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。其插补装置采用脉冲乘法 器。这台n c 机床的研制成功标志着n c 技术的开创和机械制造的一个新的、数值控制 时代的开始。 现代c n c 系统的功能、性能大大提高，故障率已降至0 0 1 次( 月台) 。以f a n u c 公司为例，1 9 9 1 年开发成功的f s l 5 系统与1 9 7 1 年开发的f s 2 2 0 系统相比，体积只有 后者的十分之一，而加工精度提高了1 0 倍，加工速度提高了2 0 倍，可靠性提高了3 0 倍以上。现在，n c 技术己成为先进制造技术的基础和关键技术。 2 2 2 数控的关键技术 n c 技术的发展已有5 0 多年历史，它是在多种技术交叉的基础上发展起来的。这里 主要介绍十种关键技术。 ( 1 ) 电子元件技术的发展 微电子技术的发展，对数控技术起着极大的推动作用。日本f a n u c 公司在1 9 5 6 年开始采用电子管研究n c ，1 9 5 9 年就采用锗晶体管组成n c ，1 9 6 3 年采用硅晶体管研 制出f s 2 2 0 、f s 2 4 0 等系统，1 9 6 9 年又采用中小规模i c 更新了f s 2 2 0 、f s 2 4 0 等系统。 一5 一 基丁误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 2 0 世纪7 0 年代，开始采用3 s i 推出了f s 5 、f s 7 、f s 3 、f s 6 、f s 0 、f s l 8 、f s l 6 、f s 2 0 、 f s 2 1 、f s l 5 等一系列c n c 系统，从4 位的位片机( f s 7 ) 到1 6 位的8 0 8 6 ( f s 6 ) 和3 2 位的 8 0 4 8 6 ( f s 0 ) 。1 9 9 6 年，f a n u c 采用最新专用芯片3 5 2 p i n 的微电子工艺b g a 封装及采 用m c m 工艺生产的微处理器，推出了小型化高性能的i 系列数控系统，大小只有原有 系统的1 4 ，大大减小了占用的空间，提高了系统的性能及可靠性。 ( 2 ) 软件的应用 在1 9 7 0 年的芝加哥展览会上，首次展出了由小型机组成的c n c 数控系统。大约 在同时，英特尔公司发明了微处理器。1 9 7 4 年，美、日等国相继研制出以微处理器为核 心的c n c ，有时也称为m n c 。它运用计算机存贮器里的程序完成数控要求的功能。其 全部或部分控制功能由软件实现，包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。 采用半导体存贮器存贮零件加工程序，可以代替打孔的零件纸带程序进行加工，这种程 序便于显示、检查、修改和编辑，因而可以减少系统的硬件配置，提高系统的可靠性。 采用软件控制大大增加了系统的柔性，降低了系统的制造成本。 ( 3 ) 数控标准的引入 随着n c 成为机械自动化加工的重要设备，在管理和操作之间，都需要有统一的术 语、技术要求、符号和图形，即有统一的标准，以便进行世界性的技术交流和贸易。n c 技术的发展，形成了多个国际通用的标准：即i s o 国际标准化组织标准、i e c 国际电工 委员会标准和e i a 美国电子工业协会标准等。最早制订的标准有n c 机床的坐标轴和运 动方向、n c 机床的编码字符、n c 机床的程序段格式、准备功能和辅助功能、数控纸带 的尺寸、数控的名词术语等。这些标准的建立，对n c 技术的发展起到了规范和推动作 用。最近，i s o 基于用户的需要和对下一个5 年间信息技术的预测，又在酝酿推出新标 准“c n c 控制器的数据结构”。它把a m t ( 先进制造技术) 的内容集中在两个主要的级 别和它们之间的连接上：第一级c a m ，为车间和它的生产机械：第二级是上一级，为 数据生成系统，由c a d 、c a p 、c a e 和n c 编程系统及相关的数据库组成。 ( 4 ) 伺服技术的发展 伺服装置是数控系统的重要组成部分。2 0 世纪5 0 年代初，世界第一台n c 机床的 进给驱动采用液压驱动。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力( 约 为2 0 ：1 ) ，惯性小、反应快，因此当时很多n c 系统的进给伺服为液压系统。7 0 年代初 期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，美国g e t t y s 公司开发出直流大惯量伺服电动机，静力矩和起动力矩大，性能良好，f a n u c 公司很 大连理工大学专业学位硕士学位论文 快于1 9 7 4 年引进并在n c 机床上得到了应用。从此，开环的系统逐渐被闭环的系统取 代，液压伺服系统逐渐被电气伺服系统取代。 电伺服技术的初期阶段为模拟控制，这种控制方法噪声大、漂移大。随着微处理 器的采用，引入了数字控制。它有以下优点： 无温漂，稳定性好。 基于数值计算，精度高。 通过参数对系统设定，调整减少。 容易做成a s i c 电路。 对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、 数字控制取代模拟控制、或者称为软件控制取代硬件控制。2 0 世纪9 0 年代，许多公司 又研制了直线电动机，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。 ( 5 ) 自动编程的采用 编程的方法有手工编程和自动编程两种。据统计分析，采用手工编程，一个零件的 编程时间与机床加工之比，平均约为3 0 ：1 。为了提高效率，必须采用计算机或程编机代 替手工编程。自动编程需要有自动化编程语言，其中麻省理工学院研制的a p t 语言是最 典型的一种数控语言，它大大地提高了编程效率。从7 0 年代开始出现的图象数控编程 技术有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、 走刀过程的仿真显示、验证等，从而推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。 ( 6 ) d n c 概念的引入及发展 d n c 概念从“直接数控 到“分布式数控 的变化，其内涵也发生了变化。“分 布式数控表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模 式扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。从通信功能而言，可以在c n c 系统中增 加d n c 接口，形成制造通信网络。网络的最大特点是资源共享，通过d n c 功能形成网 络可以实现： 对零件程序的上传或下传。 读、写c n c 的数据。 p l c 数据的传送。 存贮器操作控制。 系统状态采集和远程控制等。 ( 7 ) 可编程控制器的采用 在2 0 世纪7 0 年代以前，n c 控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行。6 0 年 代出现了半导体逻辑元件，1 9 6 9 年美国d e c 公司研制出世界上第一台可编程序控制器 基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 p l c 。p l c 很快就显示出优越性：设计的图形与继电器电路相似，形象直观，可以方便 地实现程序的显示、编辑、诊断、存贮和传送：p l c 没有继电器电路那种接触不良，触 点熔焊、磨损、线圈烧断等缺点。因此很快在n c 机床上得到应用。目前，在n c 机床 上指令执行时间可达到0 0 8 5us 步，最大步数为3 2 0 0 0 步。而且，使用p l c 还可以大 大减少系统的占用空间，提高系统的快速性和可靠性。 ( 8 ) 传感器技术的发展 一台n c 系统与机械连结在一起时，它能控制的几何精度除受机械因素的影响外， 闭环系统还主要取决于所采用的传感器，特别是位置和速度传感器，如可测量直线位移 和旋转角度的直线感应同步器和圆感应同步器、直线和圆光栅、磁尺、利用磁阻的传感 器等。这些传感器由光学、精密机械、电子部件组成，一般分辨率为0 0 1 o 0 0 1 m m ， 测量精度为0 0 2 , - - , 0 0 0 2 m m m ，机床工作台速度为2 0 m m i n 以下。随着机床精度的不 断提高，对传感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于是出现了具有“细分”电路 的高分辨率传感器，比如f a n u c 公司研制的编码器通过细分可做到分辨率为1 0 7 r 。 利用它构成的高精度数控系统为超精控制及加工创造了条件。 ( 9 ) 开放技术的产生 1 9 8 7 年美国空军发表了著名的“n g c ( 下一代控制器) 计划，首先提出了开放体 系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规 格( s o s a s ) 。美国空军把开放的体系结构定义为：在竞争的环境中允许多个制造商销 售可相互交换和相互操作的模块。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件 和软件构成自己的系统。当前在市场上开放系统基本上有两种结构： c n c + p c 主板：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板主要运行非实 时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 p c + 运动控制板：把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作实时控制用，而p c 机主要作非实时控制。 为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用方案，即在不改变原系统基本 结构的基础上增加一块p c 板，提供键盘使用户能把p c 和c n c 联系在一起，大大提高 了人机界面的功能。典型的如f a n u c 公司的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 系统。有些厂家也把这种 装置称为融合系统( f u s i o ns y s t e m ) ，由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商 的欢迎，成为n c 技术的发展趋势之一。 ( 1 0 ) 制造技术的发展 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c n c 机床的发展建立在n c 技术、机械构造技术和制造技术的基础上，这三种技 术的进步和发展也互相推动。而且，n c 本身的发展也是建立在机械的发展基础上。 机械方n - r _ 速度和精度的提高，要求n c 系统的功能不断扩大、改进和完善，特 别是高速高精加工的要求产生了高速高精控制系统，包括快速程序输入、高速高精插补、 控制及输出。 机械结构的简化与改进及新加工功能的完善，要求n c 的软件功能越来越复杂， 元部件性能越来越高。比如，采用宽调速、高速、大转矩的进给系统和大功率的主轴系 统以简化机械结构和提高机床的2 j n - r 效率及精度。 机械加工的连续运行、连线、协调，要求n c 系统可靠性不断提高，加工和系 统信息不但可以控制、处理、传送、管理而且通过网络可以共享瞪1 。 2 3 交流伺服系统简介 2 3 1伺服系统的基本概念 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺 服系统主要指各轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自c n c 装置的进给脉冲， 经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带 动刀架，通过几个坐标轴的综合连动，使刀具相对于工件生产各种复杂的机械运动，加 工出所要求的复杂形状工件。 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组 成部分。它包含机械、电子、机电( 早期产品还包含液压) 等各种部件，并涉及到强电 与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使部件相互配合协调工 作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。在现在 技术条件下，c n c 装置的性能已相当优异，并正在迅速向高水平发展，而数控机床的 最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标，往 往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能。数控机床的故障也主要出现在伺服系统 上。可见提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发 高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 位置控制系统通常分为开环和闭环控制两种。开环控制不需要位置检测与反馈；闭 环控制需要有位置检测与反馈环节，它是基于反馈控制原理工作的。 基丁：误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 2 3 2 伺服系统的组成 数控机床伺服系统的一般结构如图2 1 所示。它是一个双闭环系统，内环是速度环， 外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度 控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各 部分组成。位置环是由c n c 装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈 控制等各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标进行控制，轴控制是要求最高的位 置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时， 还要求各移动轴有很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。 c s c - | 一速度控制单元_ - 卜机床 图2 1 伺服系统结构 f i g 2 1 f r a m eo fs e r v os y s t e m 2 3 3 伺服系统的分类 ( 1 ) 开环伺服系统 开环伺服系统即无位置反馈的系统，其驱动单元主要是功率步进电机或电脉冲马 达。这两种驱动单元工作原理的实质是数学脉冲到角度位置的变换，它不用位置检测元 件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个数；运动速度由进 给脉冲的频率决定。 开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于 轻载负载变化不大或经济型数控机床上。 ( 2 ) 闭环伺服系统 火连理工人学专业学位硕士学位论文 由于开环控制的精度不能很好地满足机床的要求，为了提高伺服系统的控制精度， 最根本的办法所采用闭环控制方式，即不但有前方控制通道，而且有检测输出的反馈通 道，指令信号与反馈信号项比较后得到偏差信号，实现以偏差控制的闭环控制系统如图 2 2 所示。 图2 2 闭环系统结构 f i g 2 2 f r a m eo fm ec l o s e dl o o ps y s t e m 移测量 在闭环控制中，对机床移动部件的移动用位置检测装置进行检测并将测量结果反馈 输入端与指令信号进行比较。如果二者存在偏差，将此偏差信号进行放大，控制伺服电 机带动机床移动部件向指令位置迸给，只要是正确设计系统校正环节的结构与参数，就 能实现数控系统所要求的精确控制。 从理论上讲，闭环控制系统位置伺服的精度取决于测量装置的测量精度。自然，机 床结构及传动装置的精度也不可忽视，如传动间隔的非线性因素亦将影响到系统的品 质。 闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的误差，是c n c 输出的位置命 令和( 或刀架) 实际位置的差值。闭环系统运动执行元件不能反映运动的位置，因此 需要有位置检测装置。该装置测出实际位置量或者实际所处位置，并将测量值反馈c n c 装置，与指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。 由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈装置精度高，所以系统传动链的误差，环内各 元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精 度。目前闭环系统的分辨率多数为1um ，定位精度可达o 0 1 0 0 0 5 m m ；高精度系 统分辨率可达0 1pm 。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。 ( 3 ) 半闭环系统 基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部 件的位置转换，称为间接测量。亦即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，在环 外的传动误差没有得到系统的补偿，因而这种伺服系统的精度低于闭环系统。 半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点只是闭环系统环内包括较多的机械 传动部件，传动误差均可被补偿。理论上精度可以达到很高。但由于受机械变形、温度 变化、振动以及其它因素的影响，系统稳定性难以调整。此外，机床运行一段时间后， 由于机械传动部件的磨损、变形以及其它因素的改变，容易使系统稳定性改变，精度发 生变化。因此，目前使用半闭环系统较多。只在具备传动部件精密度高、性能稳定、使 用过程温差变化不大的高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统【引。 2 3 4 伺服系统的发展动向 电力电子的发展以及新的电力电子器件的开发，微电子技术的发展以及现代控制理 论的发展，促进了交流伺服电机的快速变化。目前的发展动向主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 矢量变换控制不断完善 矢量控制技术中，由于在运动中转子电阻的变化将会引起控制误差，为了克服之一 问题，提出了磁能模型和参数自适应等控制技术。它可以对转子电阻变化进行精确推算， 并以此对系统参数进行修正。 还有一种控制方案是强迫系统沿着一个预先设定的参数模型的轨迹滑动，而与电机 参数及负载转矩无关，这就是滑模变结构控制技术。 在解决调速系统理论问题时，常常为了简化问题，突出主要矛盾，往往都将系统的 非线性特征忽略。而实际上，非线性的存在，对系统影响有时又是不能忽略的，特别是 对高技术性能的控制系统。于是出现了变结构控制方法。如低速时采用速度开环控制， 高速时改为转速闭环控制；或低速时采用电流模型控制，而在高速时改为电压模型控制 等。 ( 2 ) 提出了直接转矩控制法概念 这是交流调速控制理论的又一突破。它可以直接在定子坐标上计算电机的转矩和磁 通，并能使转矩响应时间控制在一个节拍内，且无超调。这就既避开了矢量控制系统的 复杂计算，又比矢量控制优越。所以这是一个颇有发展前途的控制新概念。在日本，已 据此开发出一种新型交流调速系统，调速范围从1 ：3 0 0 0 0 - - - 5 0 0 0 0 扩展到l ：1 0 0 0 0 0 0 。 ( 3 ) 开发出全控型大功率快速电力电子器件 一种绝缘门极双极晶体管1 1 r b t 的参数已达到1 0 0 0 v ，2 5 a 。它将是今后一段时间 内变频器功率元件的主流。 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 变频器主电路的优化 从硬件上看，将不可控整流电路改为晶体管可控整流器，这样可实现电动机向电网 的回馈制动。解决了泵升电压问题。系统功率因素进一步提高。 从软件方面进一步改进s p w m 的调控和控制方法。如采用可编程p w m 以及空间 电压矢量控制，它将变频器和电动机当成一个整体，以“整体最佳”为前提来确定p w m 的波形，这是系统论在控制系统上的一个应用。 微型机及微处理器在系统中大量应用 这就进一步提高了系统的功能，如系统具备自诊断功能，可将现行运转状态记录和 刷新，一旦出现故障，可以将这些记录作为事故分析的依据，并向自动排除故障、自行 修理等智能化方向发展。 微机的采用，为全数字化控制系统开辟了道路，是交流调速系统的发展方向。其硬 件采用模块化公用总线结构，能使系统任意扩展；软件也采用标准模块形式。设计人员 只需要设计出总的系统框图，选用标准硬件与软件单元，进行简单的连接，即可构成多 微机控制交流调速系统口1 。 2 4 伺服电机及伺服放大器简介 2 4 1 伺服电机 永磁交流伺服电动机伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的u 脶三相电 形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器， 驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编 码器的精度( 线数) 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展， 永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电 动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系 统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。9 0 年代以后，世界各国已经 商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装 置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点 有： ( 1 ) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ( 2 ) 定子绕组散热比较方便。 ( 3 ) 惯量小，易于提高系统的快速性。 ( 4 ) 适应于高速大力矩工作状态。 基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 ( 5 ) 同功率下有较小的体积和重量。 自从德国的r e x r o t l l 公司的i n d r 锄a t 分部在1 9 7 8 年汉诺威贸易博览会上正式推出 m a c 永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用 化阶段。到2 0 世纪8 0 年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场 都转向了交流系统。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电 动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统呤1 。 2 4 2 伺服放大器 伺服放大器由磁放大器、触发器、可控硅交流开关线路和电源组成，前置磁放大器 将输入给定信号p 和位置反馈信号f i n 比较并予以放大，伺服放大器所得直流输出送后 级触发器，使触发器产生脉冲而触发可控硅整流器s c r 使其导通，伺服放大器以足够 的功率输出驱动伺服电机转动。输入给定信号p 和位置反馈信号f i n 比较的极性改变使 两套可控硅整流器s c r 交替导通，实现伺服电机正、逆两方向运转盼1 。 2 5 光栅尺简介 2 5 1 光栅尺基本原理 光栅尺即位移传感器，是由一对光栅中的主光栅( 即标尺光栅) 和副光栅( 即指示 光栅) 进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间( 或明暗相间) 的 规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白( 或明暗) 相同的条纹转换 成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为9 0 度 的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。 2 5 2 光栅尺安装方式 光栅尺的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。光栅尺基本结构见图2 3 所示。 一般将主尺安装在机床的工作台( 滑板) 上，随机床走刀而动，读数头固定在床 身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及 油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增 加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时 输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上( 如滑板) 【4 】。 - 人连理上大学专业学位硕士学位论文 联轴8h 描i 34 a d l j r 标r 外 孽墓 密封g谴# *蟊垣密篝唇 图23 光栅尺结构 f i g2 3 f r a m eo f t h e l i n e a r m e a s u r i n gs y s t e m 基于误差自动补偿的缸体止口深度加工工艺研究 3 缸体止口深度加工的方案设计 3 1 缸体止口的加工过程 d k _ x0 0 7 机床是由大连机床集团为上柴发动机厂设计制造的精铣六缸体顶面、精 镗缸孔和精车止口的精密级数控组合机床自动线。所需加工的六缸d 1 1 4 型发动机的缸 体型号为9 d f 。机床首先精铣缸体顶面，公差要求 4 - 0 0 4 5 m m ，接着精镗缸孔，最后精 车止口，止口深度公差要求o 0 1 5 m m 。镗缸孔和车止口动作循环，如图3 1 所示。 图3 1 动作循环图 f i g 3 1 d i a g r a mo fa c t i o nc y c l e 机床详细动作本文不做研究。机床加工六个缸孔，由工作台移动分别加工，所以每 个工位到位精度要求比较严格，而且为了满足缸体止口的精度就必须增加探头和闭环伺 服系统来保证加工的精度。当前国内外止口深度的加工精度一般在0 0 2 r a m 。而国内 大连理工大学专业学位硕士学位论文 能生产用于止孔加工的组合机床，主要是大连机床集团和沈阳机床集团。但由于企业间 的技术保密，各企业间的加工工艺各有不同。大连机床集团的加工工艺主要采用浮动套 筒主轴结构或采用半闭环数控系统控制加工，浮动套筒主轴结构由于主轴与套筒之间的 间隙而在主轴高速旋转时产生振动，影响了镗缸孔的精度和粗糙度，而半闭环控制方法 只能用于粗加工，所以大连机床集团以前的加工工艺都存在着问题。所以本文引用全闭 环数控系统进行尝试，在保证了镗缸孔精度的基础上，增加了位置检测探头，进行检测 缸体顶面的止口补偿加工工艺。本工艺过程主要应用数控技术保证缸体的加工精度。 在机床用户的生产协议中，缸体的缸孔、止口的精度要求严格，