（机械电子工程专业论文）汽轮发电机线圈铜排数控铣孔机的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 汽轮发电机转子线圈铜排通风孔的加工质量，直接影响到发电机的温升，特别是 3 0 万千瓦以上发电机组，故对铜排通风孔的加工质量要求很高。传统的线圈铜排通风 孔的加工采用冲压加工或多台机床铣削加工，加工效率低且满足不了通风孔的工艺质 量要求，通风性能低，易引起发电机转子发热，降低发电机的出力效率、性能和寿命。 本文提出的基于开放式数控系统结构的线圈铜排数控铣孔机床，可以简化机床结构， 提高传动精度并实现高速高效精密加工，以实现通风孔高性能的要求。 本文通过对线圈铜排铣孔机要求的分析，研究了数控铣孔机包括其整体结构、控 制软件和硬件系统。文章简述了国内外线圈铜排铣孔工艺设备的研究现状，介绍了开 放式数控系统的发展背景，提出了利用开放式数控系统二次开发专用数控铣孔机的思 路；对数控铣孔机床机械整体结构、系统硬件结构、系统软件设计三个方面进行了探 讨；根据铣孔机的控制要求，设计了铣孔机的硬件结构；根据加工的具体工艺过程， 在华中i 型c n c 提供的软件开发接口上开发了特定的人机交互界面，并根据电气控 制的要求，编制其系统控制软件及p l c 程序。实际应用表明利用数控铣孔机的四组动 力头，同时加工两组铜排，一次装夹，可同时完成铣孔、倒角、去毛刺三道工序，既 保证了加工质量，又提高了加工效率，而且可以在同一台铣孔机上完成3 0 万千瓦、 3 2 5 万千瓦、6 0 万千瓦及9 0 万千瓦等不同发电机组转子线圈铜排通风孔的加工。该 机床为国内同行业首台数控铣孔机，它的研制为国内进一步研制新型数控铣孔机拓展 了思路。 最后，对全文进行了总结，并为后续的研究工作提出了一些展望。 关键词：数控系统开放式体系结构铣孔机通风孔 发电机转子线圈 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e w o r k i n gq u a l i t yo f t h e t u r b og e n e r a t o r sc o i ls t r i pw e n t d i r e c t l ya f f e c tt h ee l e v a t e d t e m p e r a t u r eo fg e n e r a t o rr o t o r ，e s p e c i a l l yf o rg e n e r a t o rs e ta b o v e3 0 0 m k w ，i t sc o i ls t r i p q u a l i t yr e q u e s tt ob ev e r yh i g h m o s tm i l l i n gm a c h i n ei no u rc o u n t r ya r es t i l lm e c h a n i c a l l y w o r k e dw i t hl o w w o r k i n ge f f i c i e n c y ，a n di ti sd i f f i c u l tt os a t i s f y t h ep r o c e s sr e q u i r e m e n to f t h et u r b og e n e r a t o r w h i l eu s e dc n c s y s t e m ，t h em a c h i n e sc a l la c h i e v eh i g hs p e e d , h i g h a c c u r a c y ，h i g hp r o c e s s i n gq u a l i t y ，a n de a s yt o r e a l i z et h e p r o c e s sr e q u i r e m e n to ft h e v e n t i l a t e db o r e i nt h i s p a p e r , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o no ft h em a c h i n i n g d e v i c ea n do p e nc n c s y s t e m si nt h em a c h i n i n go ft h et u r b og e n e r a t o r sc o i ls t r i pv e n t ， p r e s e n t st h et h o u g h to fd e v e l o p i n gt h ee x c l u s i v ec n cm a c h i n i n gd e v i c e sf o rv e n to nt h e b a s eo fo p e nc n cs y s t e m f i r s t ，i ts u m m a r i z e st h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h e m a c h i n i n g d e v i c e sf o rv e n t t h e ni tp r e s e n t st h et h o u g h to f s e c o n d a r ye x p l o i t a t i o nb a s e do n o p e nc n cs y s t e m a n dt h e ni tg i v e st h ed e s i g no ft h ew h o l ec o n f i g u r a t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h ew h o l es y s t e mf r o mt h r e ea s p e c t ss u c ha st h ef r a m e w o r ko f h a r d w a r es y s t e m ，s o f t w a r es y s t e ma n dt h es t r u c t u r eo f m a c h i n e e s p e c i a l l y ，i td e s i g n st h e h a r d w a r es y s t e ms o f t w a r es y s t e mo f t h ec n cb a s e do nt h eh u a z h o n g i o p e n c n c s y s t e m ， i nt e r m so ft h em a c h i n em o t i o nt h e o r y ，m a c h i n i n gw a ya n dt e c h n i c s s p e c i a l t y o ft h e s t a n d a r dt e c h n i c a lp a r t sa n dt h er e q u i r e m e n to fd e v i c e s a n da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t o ft h ee l e c t r i c c o n t r o l ，t h ep l cs y s t e ma n ds o f t w a r ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w t h a tw ec a nf i n i s hm i l l i n gv e n t ，c h a m f e r i n ga n d t r i m m i n ga tt h e s a m et i m e 、i mf o u rs p i n d l eo ft h ec n c m i l l i n gm a c h i n e t h i sm e t h o dg u a r a n t e e st h e p r o c e s sq u a l i t ya sw e l la se l e v a t i n gt h ew o r k i n ge f f i c i e n c y i ta l s oc a np r o c e s st h ev e n to f d i f f e r e n tc a p a c i t yt u r b og e n e r a t o rs u c ha s3 0 0 m k w ，3 2 5 m k w ，6 0 0 m k w , 9 0 0 m k w t h i s m a c h i n ei st h ef i r s tc n c m i l l i n gm a c h i n ei no u rc o u n t r y ，a n di t sd e s i g na l s oo p e no u ta n e w w a y t ot i f f sf i e l d k e y w o r d s ：c n c o p e n a r c h i t e c t u r es y s t e m m i l l i n gm a c h i n e v e n t g e n e r a t o r sc o i ls t r i p i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 躲弘车 日期：如霹午月2 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回： ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名； 日期：印蛑月 豫乏车 厶日 i 指导教师签名：考甜 日期：歹辫钐月2 彩日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 汽轮发电机转子线圈铜排铣孔机的状况及要求 汽轮发电机是一种高速机械，其发电机转子的转速绝大多数为3 0 0 0 r r a i n ，或 3 6 0 0 r m i n ( 当6 0 h z 电网时) 。经过1 0 0 多年的发展，汽轮发电机的单机容量已经从最 初的1 0 0 k v a 提高到现在的1 5 0 万k v a 左右，且汽轮发电机是一个非常紧凑、细长结 构的机械，其长径比很大，可达3 7 。发电机中产生的各种损耗，必须用冷却介质带 走，方能保证发电机的正常运行，由于汽轮发电机的结构非常紧凑，这一问题变得特 别突出，发电机的冷却总是离不开气体，为使冷却气体按需要在发电机内流动，即需 要有相应的风路结构。现在汽轮发电机基本上采用整机径向多流通风冷却系统，而内 冷转子绕组采用气隙取气或径向一轴向通风系统冷却方式。 冷风从位于磁极中心线的转子线圈铜排上的进风孔( 由铜排上通风孔沿径向一轴 向形成螺旋风道) 进入，沿铜排中的两条风道切向前进，达到线圈铜排的转弯处，将 两条风道中的气体并入其中一条风道，同时在另一条风道上开设有进风孔，并从此处 补入冷风与前一风道中的气体平行前进，进入转子本体槽部第一出风区后，从槽楔的 甩风斗甩入气隙达到冷却效果。所以汽轮发电机线圈铜排通风孑l 的加工质量，直接影 响发电机转予的温升和整机性能，特别是3 0 万千瓦以上发电机组，其铜排铣孔加工 质量要求更高，加工设备多为专用设备。 中小容量的汽轮发电机转予线圈铜排的加工，采用的是机械凸轮顺序结构专用机 床或冲压加工，加工的线圈铜排通风空为长方形结构，通风孔跟部无平滑过度，通风 孔问距、节距尺寸精度不能保证，无倒边去毛刺功能，线圈装配好后通风效果差，转 子线圈温升较影响机组效率和性能。 现在随着汽轮发电机单机容量的提高，对转子线圈通风冷却要求越来越高，特别 是3 0 力千瓦以上汽轮发电机对转子散热问题，目前世界上著名的发电机生产厂如： 同本三菱公司、日立电机、德国西门子、美国通用等公司都是采用自主研发的专用数 控机床柬加工线圈铜排通风孔，而且价格都在1 0 0 万美圆左右。国内发电机三大制造 厂过去基本上采用机械凸轮顺序结构多台专用机床或冲压加工，但在引进生产6 0 万 千瓦以上发电机时，因国外同行制造工艺封锁，都在按各自工艺要求研制专机。哈尔 l 华中科技大学硕士学位论文 滨电机目前仍然采用机械凸轮结构和p l c 控制的多台专机加工线圈通风孔，无去毛刺 1 ：能，加工质量不能完全达到要求，正在根据自己的工艺特性研制数控设备来提升加 工能力和质量。上海电机目前根据其工艺特点，采用铜排立式单孔加工，也需多台机 床分别完成铣孔、倒角、去毛刺等工能，效率较低。东方电机利用开放式c n c 技术， 结合自身线圈铜排通肛i , t l 的工艺特点，研制四动力头同时加工且每只动力头可对完成 通风孔的多道工序加工。该专用设备数控化后，可以充分利用数控系统对转子线圈铜 排铣孔机进行精确地控制，同时大大简化专机结构，提高专机的柔性。 1 2 开放体系结构数控系统综述 数控技术是先进制造技术中柔性制造系统( f m s ) ，计算机集成制造系统( c i m s ) 和工厂自动化( f a ) 的重要的基础技术，也是当今世界制造业发展过程中的新一代生 产技术。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合实力水平的重要基础 产业，数控技术是振兴国家机床工业，增强制造国际竞争能力的基础。世界各国都在 大力发展数控技术，并把之作为实现机械工业技术革新的战略重点，作为提高各国机 械制造业综合实力和竞争力的重要源【l 】【3 】【4 。 随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统的设计发生了根本性的变化。从 分立元件、中小规模集成电路，经过基于微处理器芯片和微处理机模扳的封闭型、 嵌入式设计，发展到今天基于微型机系统的机箱级的开放型、嵌入式设计，特别是开 放型的设计，数控系统共经历了三个阶段，即硬件数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 、计算机 数控( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 和基于通用p c 的数控( p cn c ) 1 1 1 4 0 1 1 4 ”。 从本世纪五十年代初美国推出第一代数控系统到1 9 7 0 年，数控系统的发展经历 了电子管、晶体管、集成电路三代，这三代数控系统都是利用逻辑电路来实现控制的 功能，因而被称为“硬件”数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，因而限制着 其进一步的发展与应用。 1 9 7 4 年，微处理器的出现又给数控系统的发展带来了机遇，出现了采用内藏式微 处理器芯片的第四代n c 系统，真正实现了计算机数字控制，进一步缩小了体积，降 低了成本，且由于c r t 的应用，简化了编程和操作。随着计算机技术的不断发展， 数控系统的功能更为完备，但是，由于主客观原因的影响和实际技术应用的考虑，数 控系统的发展一直落后于计算机技术的发展，数控系统体系结构的发展往往自成体 2 华中科技大学硕士学位论文 系，致使计算机体系结构的成果运用到数控系统中有较长的滞后期，因而在某中程度 上影响了数控系统的发展川h j 。 进入九十年代后，随着通用p c 机的发展和普及，特别是开放型计算机的发展， 数控系统由此进入p c - - n c 的时代，即第五代n c 系统。a m p r oc o m p u t e r 公司的策略 发展部行政副总裁p i c kl e h r b a u m 提出了“利用p c 机的体系结构，设计新一代嵌入 式应用”之后不久，s o f t w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e m 的j a m e ss c h a l l e n g e r 又提出“w i n d o w 和嵌入式计算机技术的融合”，数控系统的设计发生了历史性的变化，将嵌入式和开 放型结合起来川3 l 。 p c 机拥有广阔的技术资源，足够的技术平台，并能提高基于p c 机操作系统的开 放式体系结构，利用通用p c 机的体系结构，并以此为基础设计新一代的嵌入式数控， 使数控系统不会制约在某一特定的软件和硬件平台之上，能够充分利用通用p c 机的 软硬件资源，当数控系统需增加新功能时，可以方便对系统进行改造升级。当前随着 个人计算机技术和计算机体系结构的发展，研制和开发基于p c 的数控系统，已成为 数控行业发展的最显著的趋势 7 - 1 3 2 】。 从基于p c 机的c n c 系统开发的角度，利用通用p c 机设计设计新一代开放式数 控系统基本上有两种典型的结构：一种是p c + n c 结构，采用这种结构的数控系统是 将通用p c 机与n c 系统连接在一起构成的前后台结构，形成的前后台结构，形成的多 机、多过程数控系统。在该结构，p c 作为前端机主要完成人机交换任务与并与处于后 端的n c 系统进行通信，从而实现对机床运动的控制。另一种是p c - - b a s e d 结构，采用 这种结构的数控的系统是将数控专用模板插入到p c 机中构成的单机数控系统 1 4 1 。 ( 1 ) p c - b a s e d 结构数控系统 将数控专用模板插入通用p c 机形成的单机系统构成了p c b a s e d 结构的数控系统 的硬件结构和相应的软件平台。该结构中出现的驱动接口模板是专用模板之一，通过 该模板可以构成开环或者闭环控制系统。 丌环控制是指通过输出脉冲串和方向信号驱动步进电机或者数字式交流异步电 机构成丌环控制装置。闭环控制指通过输出模拟信号或脉冲串加方向信号驱动直流或 交流伺服驱动及电机构成闭环控制，其中通过输出脉冲串加方向信号构成位置闭环控 制，通过输出模拟信号构成速度闭环控制。 在闭环控制中，无论是脉冲串输出，还是d a 输出，其反馈信号是相同的。i o 接口板也是专用模板。在单机数控系统中，其它模板都是通用p c 机的通用板，或插 3 华中科技大学硕士学位论文 在p c 机的i o 槽中，或集中在p c 机主板( a l l i n o n e ) 上吐 ( 2 ) p c + n c 结构数控系统 将通用p c 机嵌入式到数控系统之中构成的典型的前后台结构，构成了p c + n c 的硬件结构及相应的软件平台。在该结构中，n c 既可以是传统的专用n c ，也可以是 p c - - b a s e dn c 。这种典型的前后台结构就是在单机数控系统( p c b a s e dn c 或传统 的n c ) 的基础上实现的，其中的单机c n c 通过高速通信模板与通用p c 机进行通信。 近年来，以p c 机为平台开发c n c 系统已得到大部分数控开放商的共同认可，出 现了许多成熟的产品。例如国外有美国a u t o c o n 、c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司的 a c r a m a t i c 2 1 0 0 系统，德国s i e m e n s 的8 4 0 d 系统，意大利f i d i a 的m 3 0 系统；国内有 航天数控集团的航天i 型c a s n u c 9 1 1 t c 瓜i c 系统，中国科学院沈阳计算机技术研究 所的8 5 4 0 系统等，特别是华中科技大学华中数控有限公司推出的华中i 型及h n c 2 1 数控系统就是典型的p c - - b a s e d 结构数控系统【5 】 8 1 。 1 3 本文研究的主要内容及创新点 本文以东方电机生产6 0 万千瓦汽轮发电机时，研制转子线圈铜排数控铣孔机为 背景，对开放体系结构数控系统进行了研究，针对线圈铜排通风孔工艺加工特性进行 分析，设计出机床结构，在所了解较深的华中i 型数控系统的开放性基础上，设计铣 孔机的控制系统。主要工作如下： ( 1 ) 铣孔机总体方案的设计 主要对机床的结构和加工过程进行分析说明，研讨了机床数控系统的硬件及软件 系统的组成。 ( 2 ) 数控系统的硬件系统的设计 分析了数控系统的硬件结构华中i 型开放式硬件结构的基础上，实现铣孔机数控 系统的硬件体系。 ( 3 ) 数控系统的软件开发 利用华中i 系统的软件结构，然后根据铣孔机的特点，编制了交互式工件参数程 序和p l c 程序、设计特定的人机界面。 ( 4 ) 铣孔机整机调试及线圈铜排的加工 机床调试过程和加工状况以及机床实际工作特点和效果。 4 华中科技大学硕士学位论文 本文的创新点：利用数控系统的灵活性，研制的线圈铜排数控铣孔机具备特定人 机界面并采用四组动力头，同时加工两组铜排，一次装夹，可完成铣孔、倒角、去毛 刺三道工序，既保证了加工质量，又提高了效率，并且在同一台实现了3 0 万千瓦、 3 2 5 万千瓦、6 0 万千瓦及9 0 万千瓦以上核电等不同发电机组转子线圈铜排加工，为 国内同行业首台数控铣孔机，为国内同行研制同类铣孔机拓展了思路。 一 5 华中科技大学硕士学位论文 2 线圈铜排数控铣孔机总体设计 本章首先刺机床的结构和加工过程进行分析说明，研讨了机床数控系统的硬件及 软件系统的组成。 2 1 线圈铜排铣孔机运动关系描述 i 一1 f r r 5 伺服电机2 - - ：作台3 - 左铣头斗动力头 5 右铣头6 _ 滑台座7 壤珠丝杆8 _ 床身 图2 1 铣孔机示意图 铣孔机出床身、工作台、主轴刀具系统、液压系统、驱动系统、测量系统、操作 站组成，见示意图2 1 。 工作台装夹线圈铜排，可前后、左右移动，前后移动由液压系统实现，左右移动 由伺服电机拖动，伺服电机与工作台进给滚珠丝杆直接连接，丝杆螺矩为6 m m ，移动 驱动系统为西门子6 s c 6 1 i a 交流伺服系统，电机为1 f t 5 电机，2 7 n m ，1 2 0 0 r p m ，带 2 0 0 0 脉冲转编码器。 主轴刀具系统由交流异步电机拖动，每套主轴系统由2 台交流电机带2 把刀，即 每套主轴系统上有前后圆盘铣刀，成形铣刀，倒角铣刀4 把刀具。交流电机型号为： y 1 0 0 l 2 - 4 。主轴刀具系统电机的开停由c n c 系统通过p l c 进行控制，刀具系统的上 升下降由液压系统实现，分工进和快进，各头均由霍尔渐近开关进行检测，经过p l c 输入点进入c n c 系统进行控制。 测量系统分为工作台进给位置测量，由与丝杆同轴连接的1 f t 5 所带的编码器实 6 华中科技大学硕士学位论文 现进入c n c 系统位置环极。工作台前后移动到位，刀具系统上升下降、工进、快进到 位测量由霍尔式渐进开关检测进入p l c 输入点，均为直流2 4 v 开关量。 液压系统提供各所需液压传动，其执行由p l c 输出点控制各头电磁阀实现，电压 为2 2 0 v a c 。 操作站由控制操作面板、c n c 系统、显示器、c n c 键盘、伺服系统装置组成。 在央紧铜排后，设备根据所制定的加工程序，首先铣第一排孔，由伺服电动机驱 动工作台移动，寻找加工基准点，然后寻找到第一排孔的第一个孔的加工位置，工作 台停止移动后，由程序控制四个动力头中的某一铣头进行铣孔，铣头的升降由液压系 统带动。第一排孔加工完后，工作台移动，重新寻找加工基准点，找到后，动力头向 前移动，然后重复上述动作进行铣第二排孔。在第一面加工完后，将铜排翻面，重复 上述动作进行铣第二面孔。如此反复，个铜排上需加工1 0 0 多次的孔。 2 2 机床主要参数及伺服电机的验证 ( 1 ) 机床主要参数如表2 1 ： 表2 ，l 机床参数表 机床( 主机) 外廓尺寸( l b x h )1 1 1 5 0 1 7 0 0 x 1 9 5 0 ( r a m ) 机床总重 3 0 t i ：作台纵向( x 轴) 行程2 0 0 0 r a m x 轴快速进给速度5 0 0 0 m m m i m 动力头4 组 横向纵向最大行程 4 5 0 m m 滑台横向最大工作行程6 0 r a m 卧式装刀直径中2 2 ( 铣孔刀) 巾2 4 ( 倒角刀) 铣孔最大工作行程5 0 i n l l ( 倒 电机功率3 k w 角) 主轴 调速范围 1 0 0 0 2 0 0 0r m i n x 4 立式装刀直径巾4 6 士毛 最大工作行程6 0 m m 刺主 电机功率3 k w 轴 4 转速1 5 0 0 3 0 0 0r m i n 两动力头中心距1 5 8 4 1 6 2 5 6 胎具尺寸( l b h )8 0 0 0 2 0 0 x1 5 0 定位精度每米长 0 0 1 i n t o 定位精度全行程0 0 5 i l n l 重复定位精度o 0 2 m l 1 动力头上两卧式主轴中心距误差0 0 5 m m 动力头上两卧式主轴平行度误差0 1 0 m m 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) x 轴交流交流伺服电动机的验证： 设计参数：工作台 重量g = 3 0 0 0 k g 脉冲当量6 = 0 0 0 2 5 m m 滚珠丝杆 长度l = 2 3 0 0 m m ，直径d = 5 0 m m ，导程s = 5 m m 主传动齿轮齿数z = 15 ，模数m = 4 ，齿宽b = 2 5 m m 从传动齿轮齿数z = 3 0 ，模数m = 4 ，齿宽b = 2 5 m _ m 工作台最大快进速度v = 5 0 0 0 m m m i n 交流伺服电动机型号1 f t 50 7 6 1 a c 7 1 转速n = 2 0 0 0 r p m 额定扭矩m o = 1 8 5 n m 转子转动惯量j m = 5 0 9 k g c m 2 说明：以上设计参数引用该设备机械设计计算书，此处略 ( 1 ) 转动惯量计算 4 0 】 主传动齿轮 j 主= 7 8 1 0 - 4 d 4 b = 7 8 1 0 _ 4 ( m z 主) 4 b = 7 8 1 0 - 4 f 4 1 5 1 0 ) 4 2 5 2 2 5 2 7 ( k g c 一) f 2 1 1 从传动齿轮 j 从= 7 8 1 0 _ 4 d 4 b = 7 8 1 0 4 ( r n z 从) 4 b = 7 8 1 0 4 f 4 3 0 1 0 ) 4 2 5 = 4 0 4 3 5 ( k g c i n 2 ) ( 2 2 ) 滚珠丝杆 j 镕= 7 8 1 0 。4 d 4 l = 7 8 1 0 4 5 4 2 3 0 2 1 1 2 1 2 5 ( k g c m 2 ) ( 2 3 ) 工作台 j 一2 g ( s z ( 2 z ) ) 2 2 3 0 0 0 x ( 0 5 x 3 0 ( 2 3 1 4 1 5 ) ) 2 2 4 7 4 9 ( k g c m 2 ) ( 2 4 、 一 g 华中科技大学硕士学位论文 ! = ! 一= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = # = = j = = = ；= = = 一 则折算到电动机上的转动惯计算为 j l = j 主+ ( zt zh ) 2 0 从+ j 壤+ ji ) = 2 5 2 7 + ( 1 5 3 0 ) 2 x f 4 0 4 3 5 + 1 1 2 1 2 5 + 4 7 4 9 ) = 4 1 8 5 4 ( k g ，c m 2 ) ( 2 5 ) ( 2 ) 转矩计算 由于工作台在铣孔中不移动，因此只需计算工作台移动从零提速到最大快移速 度，既5 0 0 0 m m i n 时所需的启动扭矩。 按线性加速曲线加速时的加速转矩为 t f ( j l + j m ) ( 1 一e - k s t a ) ( 2 n t a ( 6 0 x 1 0 4 ) )( 2 6 ) 式中n m _ 一一电机的稳定速度( r m i n ) ，n 。= 2 0 0 0 r m i n t 。加速时间( s ) ，取t a = o 1 s j 。电机转子惯量( k g c m 2 ) ，j m = 5 0 9 蚝c m 2 j 厂负载惯量( 已折算到电机轴) ( k g c m 2 ) ，j l - 4 1 8 5 4k g c m 2 酶伺服位置环增益( s 。) ，取k s = 2 0s 4 则加速转矩为 t a - - ( 5 0 9 + 4 l ，8 5 4 ) x ( 1 - 2 7 1 8 。2 1 ) x ( 2 x3 1 4 x 2 0 0 0 ( 0 1 x 6 0 x 1 0 4 ) ) ( 2 7 ) = 1 6 8 0 ( n | m ) 电机额定扭矩m o = 1 8 5 n m 负载惯量j l 与电机转子惯量j m 之比为 j l j 。：4 1 8 5 4 5 0 9 = 0 8 2 2( 2 8 ) 所以所选交流伺服电机满足工作要求。 2 3 铣孔机专用数控系统的组成 c n c 机床一般由入机接口与通信接口、c n c 装置( 或称c n c 单元) 、伺服单元、 驱动装置( 或称执行机构) 、可编程控制器p l c 及电气控制装置、辅助装鼍、机床本 体、测量装置组成。图2 2 是铣孔机数控系统的组成框图。其中除机床本体之外的部 分统称为计算机数控系统( c n c ) 。该c n c 系统为半闭环系统，在输入指令的同时， 反馈检测机床工作台的实际位移量，反馈量与输入量在c n c 中进行比较，若有差值， 则c n c 控制机床向着消除误差的方向运动。 华中科技大学硕士学位论文 计算机数控系统 操作面板卜_ 叫p l c 人机接口 通信接口 计算机 数控装罨 输入输出信号 垂洹噩园斗匿受蕊 _ 压丽瓦爵甄卜一 进给伺服单元卜_ | 进给伺服单元 反馈系统 机 床 本 体 图2 2 铣孔机数控系统框图 下面分别介绍其中的主要组成部分： ( 1 ) 人机接口与通信接口 c n c 机床进行加工前，必须接收由操纵人员输入的零件加工程序，然后才能根据 输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。在加工过程中，操作人员需 要向机床数控装置输入操作命令，数控装置需要为操作人员显示必要的信息，如坐标 值、报警信号等。此外，输入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改和调试。以 上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，c n c 系 统中必须具备必要的硬件和软件，称这部分为人机接口。随着计算机技术的发展，可 以用通信的方式输入零件加工程序，数控系统要和计算机进行通信，也必须具备相应 的硬件和软件，即通信接口。 键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机接口，键盘是m d i 中最主要的输入设 备。显示器为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显 示的信息可以是正在编辑的程序，或是机床的加工信息。本系统配有c r t 显示器， 具有丰富的显示功能。由于系统为基于p c 的开放式平台，故可通过磁盘进行信息交 换。与纸带相比，磁盘存储密度大，存取速度快，存取方便。 该数控机床程序输入的方式除上述的键盘、磁盘外，还可以用串行通信的方式 输 】。随着c a d c a m ，c i m s 技术的发展，机床数控系统和计算机的通信显得越 来越重要。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) c n c 装置 c n c 装置( 或称c n c 单元) 是c n c 系统的核心，这一部分主要包括微处理 器c p u 、存储器、局部总线、外围逻辑电路等。其本质是根据输入的数据段插补 出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件( 伺服单元、驱动装置和机床) ，加工出 需要的零件。因此，输入、轨迹插补、位置控制是c n c 的三个基本部分( 即一般 计算机的输入一决策一输出三个方面) 。而所有这些工作是由在c n c 装置内的计 算机的系统程序( 亦称控制程序) 进行合理的组织，使整个系统有条不紊地进行 工作。 ( 3 ) 伺服单元和驱动装置 伺服单元接收来自c n c 装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成 机床工作台的位移和速度。因此伺服单元是c n c 和机床本体的联系环节，它把来自 c n c 的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同有脉冲 式和模拟式之分，而模拟式按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。本系 统的伺服单元如前面所述，为s i e m e n s1 f t 5 交流伺服单元。而驱动装置则采用2 7 n m 交流伺服电机。 ( 4 ) 可编程控制器p l c p l c 采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计数 和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械 或生产过程。可编程控制器都应按易于构成一个工业控制系统，易于扩展其功能的原 则设计。 c n c 和p l c 谐调配合共同完成数控机床的控制，其中c n c 主要完成与数字 运算和管理等有关功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。 p l c 主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受c n c 的控制代码m ( 辅助功能) 、s ( 主轴转速) 、t ( 选刀、换刀) 等顺序动作信息， 对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作， 如工件的装央、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它接受机床操作面 板的指令，一方面直接控制机床的动作，一方面将一部分指令送往c n c 用于加工 过程的控制a 本系统的p l c 负责机床顺序控制，是c n c 装置的一部分为内装式 p l c 形式。 数控机床用p l c 一般分为两类2 0 】：一类是c n c 的生产厂家为实现数控机床的顺 1 1 华中科技大学硕士学位论文 序控制，而将c n c 和p l c 综合起来设计，称为内装型( 或集成型) p l c ，内装型p l c 是c n c 装置的一部分；另一类是以独立专业化的p l c 生产厂家产品来实现顺序控制 功能，称为独立型( 或外装型) p l c 。本系统的p l c 是内装式p l c 。 ( 5 ) 测量装置 测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机 床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给c n c 供 c n c 与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。测量装置 是高性能数控机床的重要组成部分。本系统的测量装置为附在伺服电机上的光电 码盘。 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 铣孔机数控系统的硬件结构 前一章确定了铣孔机数控系统的总体结构，本章首先分析了数控系统的硬件结构 华中i 型丌放式硬件结构的基础上，实现铣孔机数控系统的硬件体系。 3 1 系统的硬件平台 目前，组成c n c 系统的硬件结构可有三类：专用型c n c 系统、个人计算机式 c n c 系统及混合型结构c n c 系统【2 i 】。 ( 1 ) 专用型c n c 系统 这类c n c 系统的硬件由各制造厂专门设计和制造。现代专用型c n c 系统一般采 用模块化结构。即将不同的功能设计到独立的功能板中，组成系统时，按照功能要求 将不同的功能板插入控制单元母板上，该单元母板一般为总线结构的无源母板，提供 模块削互连的信号通路。按对总线带宽的使用情况，模块化的c n c 系统一般有三种 结构方式：单总线独用型、单总线带宽分用型和多总线结构型【2 3 1 。 ( 2 ) 个人计算机式c n c 系统 近几年来，采用应用于工业环境的个人计算机( p c 机) 作为c n c 系统的硬件支 撑平台，诞生了个人计算机式c n c 系统，不同数控制造厂仅需往p c 中插入自己的控 制卡和提供在p c 上运行的c n c 软件即可构成c n c 系统，而无需设计其它构成基本 计算机系统的专门的硬件。 这类系统有两种组成方式：c n c 内藏式和全软件型c n c 2 4 】。 c n c 内藏式 c n c 内藏式是在通用p c 的扩展槽中加入专用c n c 卡而组成。专用c n c 卡完成 包括加工轨迹生成等几乎所有的c n c 处理功能。这种类型的优点是能充分保证系统 性能，软件的通用性强而且编程处理灵活。 全软件型c n c 所谓的全软件型c n c 是指c n c 的全部功能都由p c 完成，并通过装在p c 扩展 槽中的接口卡对伺服驱动等进行控制。其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性很 强。不足之处是在通用p c 上进行实时处理较困难，较难保证系统的性能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 混合型 混合型c n c 系统是在原有的c n c 系统中进行改进，通过改造原有c n c 系统的 接 ：1 ，使c n c 系统能和p c 互连，由p c 机承担c n c 的人机界面功能，原来的c n c 系统不作结构上的根本改变，这一方式混合了p c 机和原来c n c 系统的优点，构成了 一种新型的c n c 系统。混合型分为两种组成方式：p c 连接型c n c 和p c 内减式c n c 。 本数控系统采用的是全软件型的硬件结构，主要设计内容包括i ( 3 模块、位控模 块和电气回路，下面介绍华中i 型的开放式模块化硬件结构。 3 1 i 华中i 型数控系统的开放式硬件结构 华中i 型数控系统该数控系统是p c 直接数控，其硬件平台可以是通用p c 机或工 业p c 机。其体系结构如图3 1 所示。其中虚线框内为标准p c 机配置，其微处理器采 用8 0 4 8 6 或8 0 5 8 6 ，系统控制部件包括d m a 控制器( 外部设备如软盘与内存进行高 速数据传送) 、中断控制器、定时器等，外存包括硬盘和软盘或者电子盘( d o s 及系 统控制软件装入电子盘，信息不易丢失，系统稳定性高) ；由于工业型c n c 系统没有 使用标准p c 键盘，故键盘画在虚线框外。 内存 外存 系统控制部分 c r t 卜| | c r t 接口 键盘 c p u 器艮巫丞亘耻也匦 一虻 噩亟二卜( j 匝 二画匿口 百虿习 图3 1 系统体系结构 浚系统的位置单元接口根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法：当伺 服单元为数字式交流伺服单元时，位置单元接口则用位置环板；当用步进电机作为驱 动元件时，位罨单元接口则用多功能n c 接i ：3 3 1 板。下面介绍两种典型实现方法。 ( 1 ) 采用数字式交流伺服单元【2 2 2 32 6 1 采用数字式交流伺服单元的c n c 体系结构如图3 2 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = _ = = = = _ n j f 订 主机( 3 2 , 1 kp c ) 内存 外存 系统控制部分 c r t 接口 c o m 通讯 网络 四 出 口 板 操作面板 机床开关量i ，o 机床开关量i o 主轴单元 其他执行元件 其他执行元件 其他执行元件 主轴电机 煎n 鬻机床检测输入) 享玉p 裟机床继电器控制) 多 功 能 圭塾 弱丽翮蕊 主轴编码器 图3 2 采用数字式交流的c n c 体系结构 由于数字式交流伺服单元内部含有位置环和速度环，计算机算出的每个采样周期 的移动量，只需通过串口板送到相应的伺服单元即可完成位置控制和速度控制。串口 板采用台湾产m o x a c l 0 4 四串口板，其标准与p c 机r s 2 3 2 串口相同，只是口地址 不同，每个串口板有四个串口( p c 机只有两个串口c o m l 和c o m 2 ) ，可接四个伺服 单元，若控制轴数多于四轴，可用两块甚至多块串口板。位置反馈信息亦通过串口板 送回计算机，用于显示坐标轴当前位置、跟随误差等。 ( 2 ) 采用模块式交流伺服单元1 2 7 - 2 8 l 采用模拟式交流直流伺服单元的c n c 体系结构如图3 3 所示。 出于模拟式交流伺服单元内部只含有速度环而不含位置环，计算机算出的每个采 样周期的移动量，必须与测量装置检测的位置反馈值进行比较，经位置调节形成速度 指令后才能通过位置环板送到相应的伺服单元。每块位置环板可接三个伺服单元，若 控制轴数多于三个轴，可用两块甚至多块位置环板。位置反馈信息通过位置环板送回 计算机，不仅用于显示坐标轴当前位置、跟随误差等，而且更重要的是参与计算位置 环的输出速度指令。 华中科技大学硕士学位论文 i 主机( 标准p c ) 回l 腱兰至盛雪 厂丽亭 i _ 一环卜一鱼堕望重! 卜叫鱼墅皇垫! h l n 霸磊丽瓣利 l 板k r 面藕沅丁卜订百丽两百1 一 c r t l 刊c r t 接口 c o m 通讯 网络 输入h _ 开关量输入 输出卜卜开关量输出 多 功 能 圭塑 i 丽羽蕊 主轴编码器 幽3 3 采州模拟式交流直流伺服单元的c n c 体系结构 如上所述并根据铣孔机控制的特点，我们选择采用模拟式交流直流伺服单元的 c n c 体系结构 3 2 系统的硬件结构 因前述我们利用华中i 型c n c 系统的开放式结构，采用s i e m e n s 交流伺服单 元构成整个系统，其硬件结构图如图3 4 所示。工控主机( c n c 键盘、c p u 板、软驱、 显卡和显示器) 均为市场上标准的工