（机械设计及理论专业论文）基于pmac的球头立铣刀数控加工方法研究.pdf

摘要 随着数控机床在我国制造业的普及，球头立铣刀的需求量越来越大特别是在模 具加工中，球头立铣刀的加工量占全部加工量的7 0 8 0 。而作为一种新型韵刀具， 球头立铣刀的设计及加工都有其特殊性，它的设计复杂，对加工机床的要求很高，往 往保证了加工精度却提高了生产成本，降低了生产成本却保证不了加工精度，因此 寻找一种以较低成本较高加工精度加工制造和重磨球头立铣刀的新型加工方法已成 为制造业的迫切需要。本课题在已有球头立铣刀加工方法研究工作的基础上开发基 于p m a c 可编程多轴运动控制器的加工软件来控制球头立铣刀的加工刃磨。 本课题通过对球头立铣刀刃形曲线的研究建立球头立铣刀加工数学模型，根据 加工原理制定运动实现方案。应用p a c 可编程多轴控制器对刃磨过程中的机床运动 状态、砂轮运动状态及工件( 铣刀) 的运动状态进行控制和实时监控，并完成球头 立铣刀曲面的加工。通过v b + s q l s e r v e r 2 0 0 0 + p a m c 运动控制卡的有效集成，开发了 相关球头立铣刀数控加工软件。 关键词：p m a c ；球头立铣刀；数控；刃磨 本项目由贵州省科技攻关计划资助。 贵州大学硕士研究生学位论文 j j a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fn cm a c h i n et o o li nt h em a n u f a c t u r i n gf i e l di nc h i n a ， t h e r ei sa ni n c r e a s i n gd e m a n df o rt h eb a l l n o s ee n dm i l l i n gc u t t e ge s p e c i a l l y7 0t o8 0 p e r c e n to fm a c h i n i n ga m o u n ti nd i em a c h i n i n gf i e l di sd o n eb yt h eb a l l n o s ee n dm i l l i n g c u t t e lb e i n go n en e wt y p eo fc u t t e rw i t hc o m p l i c a t e dd e s i g n ，t h eb a l l n o s ee n dm i l l i n g c u t t e rh a si t ss p e c i f i cr e q u i r e m e n t sf o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g u s u a l l y ，i ti sn o t e a s yt og e tb o t ho f t h eh i g hp r e c i s i o na n dt h el o w c o s ta tt h es a m et i m e t h e r e f o r e ，h o wt o m a n u f a c t u r ed e v i c eo rm a c h i n ew i t ht h eh i 曲p r e c i s i o na n dl o wc o s tu s e dt og r i n d i n g b a l l n o s ee n dm i l l i n gc u t t e rh a sb e c o m ei m m i n e n t t h es o f t w a r eu s e dt om a k eb a l l n o s e e n dm i l l i n gc u t t e rb a s e do np m a ch a sb e e nc o m p i l e df o rt h em a c h i n i n go ft h eb a l l n o s e e n dm i l l i n gc u t t e ri nt h ep a p e r w eb u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb a l l n o s ee n dm i l l i n gc u t t e rb a s e do nt h e r e s e a r c ho fi t sc u t t i n ge d g ec u r v ea n dm a k es o l u t i o n sf o rb a l l n o s ee n dm i l l i n gc u t t e r p r o d u c i n g p m a ct e c h n o l o g ya r eu s e d t oc o n t r o lm o v i n gp l a t f o r ma n dm o n i t o rr e a l t i m e l yt h em o t i o ns t a t u so ft h ed e v i c eo rm a c h i n e ，t h es o f t w a r ef o rp r o d u c i n gb a l l - n o s e e n dm i l l i n gc u t t e rh a sb e e nd e v e l o p e db yi n t e g r a t i n gv b ，s q l s e r v e r2 0 0 0a n dp m a c - k e y w o r d s ：p m a c b a l l n o s ee n dm i l l i n gc u t t e r ；n c ；g r i n d i n g t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yg u i z h o us c i & t e c h p l a n 贵州大学硕士研究生学位论文 1 1 1 第1 章绪论 1 1 球头立铣刀加工技术的发展现状 球头立铣刀是数控机床上加工复杂曲面的一种刀具，在模具制造、汽车制造、 航天航空、电子通讯产品制造等行业被广泛使用，随着数控机床在我国制造业的普 及，球头立铣刀的需求量越来越大，特别是在模具加工中球头立铣刀的加工量占全 部加工量的7 0 8 0 。作为一种新型的刀具，球头立铣刀的设计及加工都有其特殊性， 它的设计复杂，对加工机床的要求很高。寻找较为简单的数学加工模型的方法，成 了近年来国内的一个研究热点。 目前有许多关于球头铣刀的研究，包括对球头立铣刀前、后刀面的数学建模、 几何参数的优化以及刃磨加工技术的实现等。国内许多专家学者也在对其结构进行 研究，期望找到一种合理的数学模型，使其在一般的数控加工机床上得以实现。虽 然研究方法很多，但归结起来主要有以下三种方法；一是球头立铣刀的刃形模型是 正交螺旋面和球面的交线，为“s ”形。石琳等i l “，比较系统的阐述了以正交螺旋 面和球面的交线为球刃的球头立铣刀的结构模型，实现了周刃前刀面与球刃前刀面 的光滑连接。从理论上来说，这种结构是比较理想的，但是加工起来就有些困难。 第二种方法是使刃磨砂轮在铅垂面内偏摆一个角度，铣刀的回转中心或砂轮的回转 中心偏离球心转动，同时球头铣刀绕其轴线转动形成球刃前刀面这是最常见的也是 研究较多的前刀面形成方法。 第三种是等螺旋角加工。此方法将刀具中的螺旋角设计成等螺旋角，能使切屑 的流向保持一致，不产生紊乱，使切屑顺着螺旋槽流出，从而起到散热、减小阻力、 防l l ：切| | j 擦伤已加工的工件表面等作用。等螺旋角加工理论也用于球头立铣刀的修 肼，郧噼璎等【5 i 基于等螺旋角加工原理，提出了在三轴数控万能工具磨床上实现球 头立铣刀修磨的方法。 以上三种数学模型从理论上基本解决了球头立铣刀的结构设计和理论加工建 模，但对于加工实现来说，还存在一些问题主要表现为球刃前刀面与周刃前刀面不 能光滑连接和刃磨运动过于复杂。 贵闸大学硕士研究生学位论文 1 2 运动控制技术的发展现状、趋势 1 2 1 运动控制技术简介 运动控制技术包括轨迹控制、伺服控制两大基本技术。是计算机、微电子、传 感器与测试、自动控制、电力电子和机电一体化等技术综合应用的产物。随着自动 化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制装置( 步进、交 流、直流) 已越来越多地用于工业自动化设备的控制。过去这类伺服电机控制装置 的制造一直为少数大公司所垄断。由于各公司的控制策略不同，造成各公司的数控 设备开放性差，升级、扩展和维护困难。随着c n c 技术更多地进入分布式控制系统 和f m s ，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备开放性、互换性 和扩展性方面的需要，运动控制技术就是在这种情况下为解决这些问题而提出的【6 7 1 。当然，传统的机电装置也有运动控制的问题，但是在传统的机电装置中，实现 运动控制的功能需要针对具体的装置设计专用的硬件和软件，通用性不强。作为开 发者而言，需要花大量时间研制底层的电机控制电路和软件，开发效率低。p c + 运 动控制器+ 伺服电机”的开放式结构是机电产品的发展方向，在这种结构中，计算机 ( p c ) 的主要功能是根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制， 其软件是通用的。而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制器 就是根据上层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服 电机的运动。所以运动控制器是计算机与伺服电机的连接桥梁1 8 j 。 1 2 1 ，1 运动控制技术研究状况、发展及其应用 9 - 1 2 1 运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片 ( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作 为核心处理器的丌放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专 川运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运 动控制技术。基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控制器逐步成为自动 化控制领域里的主导产品之一。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充 分利用d s p 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更 复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳。 在美国，运动控制器产品的应用遍布从数控机床、大规模集成电路焊接设备、 磁盘驱动、包装机械、纺织机械到木材加工设备等多个领域。9 8 年美国有2 0 0 多家 公司从事运动控制器软硬件产品的制造。运动控制器产品的年销售额已超过2 0 亿美 贵州大学硕士研究生学位论文 2 元。最著名的运动控制器制造商有d e l t a t a u ，g a l i l ，d m c ，a e r o t e c h ，t e c h 8 0 等。 开放式运动控制器在美国被誉为新一代的工业控制器。在日本，开放式运动控制器 被认为是将来的第三次工业革命，并预测其应用的普遍性将与目前广泛应用的p l c 类似。美国还专门成立有美国运动控铺4 器工程师协会( a i m e ) ，由此也不难看出运 动控制器技术的重要性。这也是美国运动控制产品能占有世界运动控制器市场份额 8 0 以上的主要原因。与国外相比，我国从事运动控制技术的及产品的研究开发的 单位为数不多，而我国每年从美国进口的运动控制产品的费用约6 0 0 0 万元。这些产 钻大多数是和数控机床配套。另外，许多机床、机电一体化产品等的数控改造以及 新型非标准机电产品的开发也需要运动控制器。因此运动控制器产品在我国具有良 好的应用前景。 1 2 1 2 软件伺服驱动技术的发展。”“3 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法 采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：( 1 ) 无温漂，稳定性好。 ( 2 ) 基于数值计算，精度高。( 3 ) 通过参数对设定，调整减少。( 4 ) 容易做成a s i c 电 路。7 0 年代，美国g a t t y s 公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流 电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：( 1 ) 电 动机容量、最高转速、环境条件受到限制：( 2 ) 换向器、电刷维护不方便。交流异 步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在数 控系统上得到应用。随着电力电子技术的发展，1 9 7 1 年，德国西门子的b l a s c h k e 发明了交流异步机的矢量控制法；1 9 8 0 年，德国入l e o n h a r d 为首的研究小组在应 用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从7 0 年代末，数控 机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行“里翻外”的处 理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置， 这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。 从8 0 年代丌始，永磁无刷电机逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了 实现更高的加工精度和速度，9 0 年代，许多公司又研制了直线电机。它由两个非接 触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接， 没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由全 数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大， 发热，漏磁及造价也影响了它的广泛应用。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、或者把它称为 软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控 贯州大学硕士研究生学位论文 机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技 术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是d s p 的应用，使系统的计算速 度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性 提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 1 2 2 基于p k a c 的运动控制技术 p m a c 多轴运动控制器是美国公司的产品，是一个拥有高性能伺服运动的控制 崧。它借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理器，可同时控制l - 8 个轴，即可单独执行存储与其内部的程序，也可执行运动程序p l c 程序，并可进行 伺服环更新及以串口总线两种方式与上位机进行通信。用户可自由选择恒定加速， 纯s 曲线加速或两者的任意组合，运动控制器还能够利用最小冲击来平衡高的加速 度从而提供了优良的加减速控制。p i d 控制算法和阶式滤波在系统模型未知的情况 下也能有效保证精度。p m a c 所提供的三次样条曲线插补和p v t 模式更是保证了运 动轨迹的精确性【1 6 ”】。 在实际的开发过程中，将p m a c 卡的四个通道分别连到x ，y z 和一个辅助进料 的回转轴电机驱动器上，采用输出脉冲和方向电平模式来驱动步进电机，实现电机 的正反转和加减速。p m a c 丰富的i o 口还可用来实现部分p l c 功能，如机床行程 限位控制，检测各轴回零信号。利用其提供的后台p l c 程序的功能，还可以检测各 种开关量，实现面板操作，以控制运行和机床的手动调整。p m a c 还可自动对任务 优先级进行判别。从而实行多任务处理。这一功能使得它在处理时间和任务切换俩 方面大大减轻了主机和编程器的负担，可以大大提高整个控制系统的运行速度和控 制精度1 1 8 。 基于p m a c 数控技术发展是拥有高性能伺服运动功能的运动控制技术发展的代 表之一，因此数控技术的发展与运动控制技术的发展紧密相连不可分割。 1 2 2 1 p m a c 运动控制技术与数字控制技术 计算机数控系统( c n c ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术，它是 综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等技术而形成的一 门边缘学科。数控技术是计算机集成制造系统( c i m s ) 和工厂自动化( f a ) 的基 础之一，也是振兴国家机床工业、增强制造业国际竞争力的基础。数控系统经过了5 代电子元器件的更新：电子管、晶体管、中小规模集成电路、小型计算机数控和微 型电子计算机数控，这些发展更新大大丰富了系统的控制功能，提高了数控系统的 贵州大学硕士研究生学位论文 4 可靠性、经济性【i 。现在，计算机数控系统已经进入第6 代开放式计算机数控 系统。计算机数控系统中起着关键作用是计算机数字控制装置和伺服系统。计算机 数字控制装置和伺服系统决定了系统的计算速度、实时性、伺服更新速度、资源管 理能力、数字通信、精密控制、微量进给等性能计算机数控装置，也就是运动控制 单元，是数控系统的核心单元模块，数控系统的性能、精度程度上依赖于运动控制 单元的快速控制能力，完成数控系统中实时性要求比较高的插补、位置控制、开关 最i o 控制任务，实现c n c 系统中多轴联动的插补计算、位置控制等功能。 我国的数控技术发展从发明到现在，已有近5 0 年的历史。从体系结构的发展， 可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的c n c 数控系统， 后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺 服电机驱动的闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。 人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐 希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊 的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、 诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面 和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统【2 。 机床制造商可以在该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。 目前。开放系统有两种基本结构： ( 1 ) 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 板主要运行实时 控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 ( 2 ) 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。 开放结构在9 0 年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第 ( 2 ) 方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，像 p c 机7 f = 1 1 】：的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。 j ：这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维 修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生 产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用( 1 ) 方案， 即在不变化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，且工作可靠，界面开放，越来越受到机 床制造商的欢迎【2 ”2 1 。 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l e a x i s c o n t r o l l e r ) 就是在这种大背景下，由美国 的d e l t a t a u 公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制 贵州大学硕士研究生学位论丈 5 器ap m a c 运动控制器将极强的处理能力和高度的通用性结合起来，可适应多种总 线结构，多种电机类型、多种反馈元件、多种命令数据结构。p m a c 可通过 r s - 2 3 2 r s 一4 2 2 串行数据口同计算机进行串行通信，或通过8 位宽数据的总线同计 算机进行通信。目前p m a c 技术已成功用于各种数控机车、印刷机械、包装机械、 自动生产线、物料装卸，自动焊接、硅片加工、激光切割等领域【2 32 4 1 。 1 2 2 2p m a c 运动控制的体系结构及特点 1 、p m a c 介绍 可编程多轴控制器p m a c 是美国d e l t at a u 公司的产品。p m a c 运动控制器是 一个拥有高性能伺服运动的控制器，它借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号 处理器，可以同时操纵1 8 个轴。它能够单独执行存储于其内部的程序，也可执行运动 程序和时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编程器的负担，提高了整个控制系 统的运行速度和控制精度。 在工业控制机( i p c ) 平台基础上，采用p m a c 多轴运动控制器和双端口存储器 ( d p r a m ) ，可构成数控系统的控制中心。工控机上的c p u 与p m a c 的c p u ( d s p 5 6 0 0 1 ) 构成主从式双微处理器结构，两个c p u 各自实现相应的功能，其中p m a c 主要完成机 床三轴的运动、控制面板开关量的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。为了实 现p m a c 多轴运动控制的功能，还需在p m a c 板上扩展相应的i op l c 程序，并可进 行伺服环更新及以串口、总线两种方式与上位机进行通讯。p m a c 还可以自动对任 务优先等级进行判别，从而进行实时的多任务处理，这一功能使得它在处理板、伺服驱 动单元、伺服电机、编码器等，最终形成一个完整的数控系统。控制系统硬件由主频 为2 3 3 m h z 的工业控制机、p m a c - l i t e l 5 运动控制器、i o 板、双端口r a m ( d p r h m ) 、伺服单元及交流伺服电机等组成。数控系统结构原理如图1 1 所示。 ( 1 ) p m a c 运动控制器与主机之间的通讯方式有两种。一种是总线通讯方式， 另利一是利用d p r a m 进行数据通信，主机与p m a c 运动控制器主要通过p c 总线通 讯至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过d p r a m 交 换信息。总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找p m a c 运动控制器，其中指定 的地址是由p m a c 的跳线确定。双端口r a m 主要是用来与p m a c 进行快速的数据 通讯和命令通讯。一方面，双端口r a m 在向p m a c 写数据时，在实时状态下能够快速 地将位置数据信息或程序信息进行重复下载；另一方面，双端口r a m 在用于从p m a c 中读取数据时，可以快速地重复地获取系统的状态信息。譬如，交流伺服电机的状态、 位置、速度、跟随误差等数据可以不停被更新，并且能够被p l c 或被p m a c 自动地 贵州大学硕士研究生学位论文 6 写入d p r a m 。如果系统中不使用d p r a m ，这些数据必须用p m a c 的在线命令( 如t 、p 、v 等) 通过p c 总线来进行数据的存取。由于通过d p r a m 进行的数据存取不 需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时间要少得多，因此响应的速度就 快得多。该数控系统利用d p r a m 进行数据的自动存取，提高了系统的响应速度和加 工精度，同时也方便了控制系统中各模块之间的快速通讯和地址表的设定，降低了编 程难度。 图1 1 数控系统结构原理图 ( 2 ) p m a c 系统的内置p l c 功能。 i o 接口的输入输出实现：在控制系统中，送入p l c 的输入信号主要有：操作面板 和机床上的控制按钮、选择开关等信号，各轴的行程开关、机械零点开关等信号，机床 电器动作、限位、报警等信号，强电柜中接触器、气动开关接触等信号，各伺服模块工 作状态信号等。这些信号是通过光电隔离以后送到智能u o 接口上，光电隔离有效地 将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部因素的干 扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。p l c 输出的信号主要有：指示灯信号，控制继 电器、接触器、电磁阀等动作信号，伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。这些 信号经i o 接口送到相应的继电器上，最终控制相应的电器。 2 、p m a c 核心技术 ( 1 ) s t e p n e 数据模型 贵州大学硕士研究生学位论文 7 s t e p n c 是为c n c 系统重新定义的数据标准，它在s t e p 的基础上面向对象的形 式将产品的设计信息与制造信息联系起来。s t e p n c 定义了一个新的s t e p 应用协议 ( a p 一2 3 8 ，尚在完善中) 作为c a m 与c n c 之间的数据交换规范。a p 一2 3 8 涵盖了产品 从概念到成品( 零件) 全过程所需的全部信息，其中包括三维几何信息( a p 一2 1 4 ) 、 工艺信息( 如铣、车、放电加工等) 、检测信息( a p 一2 1 9 ) 等。目前s t e p - n c 标准 草案( i s o d i s 一1 4 6 9 4 ) 已经形成。有关基本规则与铣削加工的标准( 草案) 已完成， 包括基本概念和规则( p a r t1 ) 、通用标准( p a r t1 0 ) 、数控铣削加工工艺( p a r t 11 ) 、铣削刀具( p a r t1 1 1 ) 等。正在制订的s t e p n c 标准有：数控车削加工( p a r t 1 2 ) 、放电加工( p a r t1 3 ) 、木材和玻璃加工( p a r t1 4 ) 、检测( p a r t1 5 ) 等。 如通用数据的一个简化模型，包括工件和工作计划两部分。其中工件指最终的成品， 工件上需要去除材料的区域由一系列加工特征定义。工作计划包括若干工作步骤( 如 平面、复杂曲面、孔等) 与具体操作联系起来。这里操作本身也是i s 0 - 1 4 6 4 9 中定 义的概念，设计加工方法、刀具、导轨、工艺策略等 ( 2 ) p m a c 运动控制器及其时基控制的应用 作为一种具有广泛用途的控制器，p m a c 运动控制器能应用于各种各样的设备， 从精密到小于百万分之一c m 的精密仪器到需要数百k w 的大型设备。它不但可以用 于车床、磨床、铣床，还可以用于机器人的控制等，以实现各种复杂控制。p m a c 运动 控制器提供了运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等基本功能。它借助 于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理芯片，可同时控制1 8 个轴，它的速度、 分辨率、带宽等指标远远优于一般的控制器。伺服控制包括p i d 加n o t c h 和速度、 加速度前馈控制。它甚至可连接m a c r o 现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动 控制。p m a c 最明显的特点是按运动程序中的顺序执行一个运动程序。当被告知执行 一个运动程序时，p m a c 一次执行程序的一个命令，进行该移动命令( 包括非移动的任 务) 的所有计算，从而为该运动的实际运行作好准备。p m a c 卡总是工作在实际运动之 前，当需要时，它总能正确地与即将执行的动作相协调。p m a c 会定期自动地执行资源 僻y i f “j 功能，以确认整个系统是处于正常的运行状态。这些功能还包括安全检查，例 蜘| | 她动误差限制，硬件超行程限制，软件超行程限制，放大器错误，通常还包括看门狗 计时器的更新。如果任何硬件或软件的问题使这些功能不能得到执行，则看门狗计时 器将会触发，从而使卡关闭。p m a c 可以在任何时间与主机通信，甚至是在一个运动序 列的中问。p m a c 任务是按优先级结构组织起来的，这可以使它们得以最优化，从而让 应用程序能有效、安全地运行。 1 2 2 3 p m a c 运动控制技术与开放式数控系统 贵州大学硕士研究生学位论文 l 、开放式数控系统的特点 目前，市场上的开放式数控系统主要有以下两种结构：专用数控加p c 前端的复 合式结构；通用p c 加实时控制单元的递阶式结构。通用p c 加实时控制单元的开放 式数控系统可以利用p c 机的w i n d o w s 环境形成良好的入机界面；利用p c 机的资源 优势，采用软件来实现现代控制技术；开放式结构平台( 运动控制器) 可以集成不 同开发商提供的软件并适合联网需要，且具有与硬件无关的特性，设备层高速度、 高可靠性，标准化的数字通讯，可满足用户私有要求且保证高性能、低成本。 开放式数控系统具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种设备，可灵活 配w ，随意集成；所采用的控制软件具有及时扩展和联结功能，可以顺应新技术的 发j 腰，) jj l a 各种新功能；不仅能适应计算机技术和信息技术的快速和更新换代，而 能仃效保扣 e j d 原有投资：操作简单，维护方便；遵循统一的标准体系结构规范， 模块之间具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。具体来说，开放式数控系统有 下面几个方面的优势： ( 1 ) 基于开放结构控制器平台的开放结构跨平台特性；通过开放结构控制器平 台软件，实现数控系统的跨平台运行。可重构性：用户可根据自己的设备特点和需 求，只需改变数控系统的软件拓扑结构，就可建立不同的数控系统。广泛的兼容性： 基于开放结构控制器平台的硬件无关性，用户可以选用符合自己需求的控制器，只 要采用控制器平台支持的操作系统即可。 ( 2 ) 标准化、模块化的硬件结构基于标准总线的模块化结构：开放体系结构的 c n c 系统硬件，建立在基于标准总线的模块化设计拓扑结构上，数控系统可以运行 在多种标准化总线上。伺服层的数字通讯：c n c 平台和机床驱动部分之间支持多种 国际标准数字通讯接口和通用协议来控制伺服轴、主轴和p l c i 0 接口。c n c 与伺 服系统之间通讯具有很高的可靠性，很大的信息容量和传输速率，使得同一硬件平 台上可以控制数量众多且不同种类的底层设备，进行多轴数控机床或数控生产线的 控制。 ( 3 ) 先进的人机交互功能友好的、开放的人机界面：基于w i n d o w s 环境的统一风 格的界面，具有界面可配置性和多种零件加工信息输入功能。动态图形仿真功能：可 以动态模拟某一n c 程序对应的加工过程，按一定比例动态显示刀具和工件之间的相 对运动位置关系。 ( 4 ) 插补功能提供多轴多通道功能：具有多轴多通道的数控系统，可以在不同的 通道内同时或者不同时的执行不同的零件程序，从而提高系统的效率。n u r b s 插补 功能：具有n u r b s 插补功能的数控系统，可以用数学方法来精确的描述几乎所有的 曲线和曲面，从而实现自由曲面的精确加工。高速、高精度插补：在数控系统中融 贵州大学硕士研究生学位论文 9 入误差补偿技术，降低各种工件加工误差，提高工件精度。 ( 5 ) 网络功能制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成。制造环境与整个企 业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统、设备维护等各子系 统的集成；机床操作工人通过网络查询技术资料和寻求帮助的功能。企业与企业间 的网络化，实现企业间的资源共享、组合和优化利用，实现异地制造，远程诊断。 2 、基于p t “d 、c 的开放式数控系统 p m a c 运动控制系统是把c n c 模块插入p c 机中以软盘文件的形式来管理数控程 序的模块化开放式数控系统。基于p m a c 的开放式数控系统利用p m a c 强大的运算和 处理能力，进行数控系统的底层实时控制，用p c 机进行数控系统中一些上层的对实 叫r l ：暇求不是很高的任务处理和协调。基于p m a c 的开放式数控系统利用p c 机上 win i ( ) w s 环境形成良好的人机界面；利用p c 机的资源优势采用软件来实现现代控制 技术；刀：放结构、r 台可以集成不同开发商提供的软件并适合联网的需要，且具有硬 件无关的特性。基于p m a c 的开放结构数控系统，采用了标准的p c 硬件和标准的操 作系统，使专用控制器数控系统的局限性得到了根本的解决。由于标准的网络速度 一般在几十i - f o p s ( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 一般在几十k b p s ) ，使数据传输的速度提高了几千 倍，加工前一次传输，保证了程序传输的可靠性。由于硬盘的容量大，读取的速度 极快，即使上百兆0 o l m m 长度的空间直线段系统j j h i _ 速度也可到每分钟几十米。这 样即解决了大程序量的高速高精度的加工问题，同时也不需要曲面和样条插补，和 现有的c a d 、c a m 系统可方便的集成。由于p m a c 可通过串口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或并口计 算机进行通信，这便于进行网络连接，易于实现工厂自动化。通过p m a c 这样的开放 结构控制平台，可以任意添加应用模块：通过p m a c 控制平台的配置系统，可根据用 户的结构要求，改变各应用模块之间的拓扑关系，实现系统的可重构性；p m a c 开放 结构控制器平台的建立，使控制系统具有硬件无关性，用户根据需求选用通用计算 机控制。 1 2 2 4p m _ a c 运动控制技术在制造业中的应用 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用c n c 系统之 问的自成一体所带来的问题，迫切要求具有灵活配置、功能扩展简便、基于统一的 规范和易于实现统一管理的开放式系统。这时，创建一个强有力的开放性体系结构 已是数控系统发展的最重要趋势。9 0 年代开始，一些发达国家针对c n c 所面临的问 题和开放式数控发展的必然趋势，以设计生产开放式数控系统作为目标，相继推出 了各自的开放式体系结构规范，这其中有美国的n g c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计划，日本的o s e c 计划等。 贵州大学硕士研究生学位论文 美国提出的下一代控制器计划n g c ( n e x tg e n e r a t i o nm a c h i n ec o n t r o l l e r ) 的目的是指定一套新一代开放式控制系统的规范，希望通过实现基于相互操作和分 级式模块s o s a s ( 开放式体系结构标准规范) 对封闭性问题进行解决，在n g c 计划 中提出了“开放式系统体系结构”的新一代数控概念，这种体系结构允许不同的设 计人员开发可互交换和相互操作的控制器部件，其最大的特点就是外部接口的公开 性。与此同时，美国的汽车3 巨头( 通用、福特、克莱斯勒) 为解决自身发展中碰 到的问题，在n g c 的指导下，联合提出了o m a c 开放式模块化体系结构控制器) 的开 发0 | 划，其同的是开发一种模块化的可重构控制系统，随时可纳入或集成模块化软 f l ：与硬件，使之重构成一个高效的控制器。 p m a c 数控技术应用包括：它的应用包括机器人、机床、木工机械、装配线、食 品加工、印刷、包装、物料装卸、摄象机控制、自动焊接、硅片加工、激光切割以 及许多其他运动控制。应用p m a c 技术可指令8 轴同时运动完全联动于一个坐标系下 可以独立的运行于各自的坐标系下可以几个组合，实现某个功能可以与其他的1 5 块p m a c 联接实现1 2 8 轴的完全同步运动。 基于p m a c 的数控技术在加工领域有着许多广泛的应用。例如以p h a c 运动控制 器作为c n c 模块，工业控制机为系统支撑单元的双c p u 数控系统可以进行人机接口和 非实时控制部件的定制和参数化及实时控制部件的参数化，可以实现具有两个级别 的开放度。这种数控系统己应用于s k b 2 3 2 0 a 壁板铣床数控系统的开发上，并取得了 良好的效果。运用于数控火焰切割机的开发也有很好的应用先例。 再例如d e l t at a u 公司提供的机器人关节动臂应用( 图卜3 ) 。这些机器人用于 图卜3 机器人关节动臂应用 码堆货物、输送晶片、传递材料、机 床上下料( p c 板刻纹切割) 、输送零 件等。关节动臂的硬件配置为p m a c 8 轴卡，4 0 m h z 。此关节动臂有两个或更 多的伺服动力轴：标准组件允许有第 三个基准轴旋转轴：刚性精密 外摆线减速器；一个独特的连续速度 机构，在水平位保持拾取头；动臂最 大速度对应电机3 0 0 0 r p m 的转速，每 秒1 2 0 。型号为a p 6 0 4 0 8 5 ，其中 6 0 表示以磅为单位的最大负载，4 0 表示以英寸为单位的x 行程；8 5 表示 以英寸为单位的y 轴行程。按比例设 贵州大学硕士研究生学位论文 计不同尺寸的关节动臂，有效载荷范围从5 - 3 0 0 磅。 另外此系统采用柔性设计驱动：c u s t o m 电机公司生产的无刷伺服电机，n e m a4 2 。 放大器：a d v a n c e d 运动控制公司生成的1 1 0 v ，a cp w m 伺服放大器。控制器：d e l t a t a u 的p 醯a e ，可同时控制8 轴完成复杂的运动。4 0 m h z 的c p u 飞快地进行运动学逆 解计算，极大地简化了编程中繁琐的工作。 p m a c 在加工机床方面已取得成功，例如i n d u s t r i a ld y n a m i c ss z 一1 0 0 0 微孔钻 机床。该机床的设计极为独特，充分体现了“简单就是高效”的设计理念，有许多 值得骄傲的性能，如速度更快、定位更精确、功率要求最小，为各大制造商如z i n d l e 设计出最快的轴2 5 0 ，0 0 0 r p m 的转速，加工出的孔壁质量比激光钻孔还高，孔精 度为0 0 0 0 7 ”，击点率高达5 0 0 击分。 1 3 课题的提出及意义 0 盼国内球头立铣刀的刃磨制造主要采取两种方法：一类是采用简单的刃磨设 备进行刃磨，该种刃磨方法刃磨出的球头立铣刀，球刃为直线刃，在球刃前刀面往 往会出现负前角，不能刃磨出刀具所需的刃磨参数，这种方法制造的球头立铣刀一 般只能用于产品的粗加工，使球头立铣刀的使用场合受到限制；另一类采用五轴四 联动刃磨机床进行刃磨，但机床价格非常昂贵，般工具厂很难投资购买，刃磨成 本高。 鉴于球头立铣刀加工技术的发展现状目前只能采用精度低的简单的刃磨设备和 高精度昂贵的五轴联动数控工具磨床进行刃磨，前者刃磨的球头立铣刀质量差，不能 保证精度要求，产品无竞争力，后者设备昂贵，成本高。俩者都不甚理想。目前球 头立铣刀仍然是技术含量高的产品，球头立铣刀的刃磨在球头立铣刀生产中是一个 非常关键的工序，因此针对上述目前国内球头立铣刀的生产状况和用户的需求，本 课题的目标是研制一种与目前一般生产和使用的厂家都有的工具磨床相结合价格适 中的球头立铣刀数控刃磨设备，实现球头立铣刀的刃磨，它应具有方便、低刃磨成 本、高精度和较高的效率等特点。通过开发基于p m a c 运动控制器的开放式数控系 统的球头立铣刀加工就可以很好的解决此问题，既能大大提高生产率、达到较高的 加工精度，又可以显著降低成本。带来巨大的经济利益。该项目的开发成功对球头 立铣刀生产厂家具有重要的经济意义， 另一方面对球头立铣刀用户而言，尤其是用量较大的模具和汽车行业，球头立 铣刀的刃磨是一个难题。往往球头立铣刀的价格比较高( 如1 2 0 巾8 约1 1 0 元) ， 如果用钝以后就扔掉显然是非常浪费的，用户刃磨时往往采用手工刃磨( 一般购买 贵州大学硕士研究生学位论文 五坐标工具磨床显然是不可能的) ，这样就必然降低了球头立铣刀的零件加工精度， 而球头立铣刀质量直接影响被加工对象的质量和加工效率，因此该项目的开发成功 对球头立铣刀用户也具有重要的经济意义。 贵州大学硕士研究生学位论文 第2 章球头立铣刀加工数学模型、 运动分析及刃磨设备 作为一种新型的刀具，球头铣刀的设计及加工都有其特殊性，它的模型设计复 杂，对加工机床的要求很高，国内外许多专家学者都在对其刃磨技术进行研究，期 71 找到1 种合理的数学模型，使其在一般的数控加工机床上得以实现。本文综合前 人n 勺研究提出一种新的球头立铣刀的数学建模方法。 2 1 球头立铣刀前刀面模型及运动 2 1 1 球刃前刀面成形原理 球头立铣刀球刃前刀面形成方法，如图2 1 所示，以砂轮外圆母线作为球刃前 刀面形成母线，砂轮外圆锥母线的初始位置在o y z 平面内，其与z 轴的夹角为u ， u 为一刃磨常数，在刃磨过程中球头立铣刀绕其轴线边转动边进给同时绕球心转动， 通过三轴联动形成球刃前刀面。其方程为【2 9 】 f 工= 镪- c o ) s i r o c o - t o ( t a i g t s i m , ) + ( t m t a c o s g s i m , , + s i n o ) t 】，= h 矗一c 功s 礁i r 垃卜f 0 ( t a 驴c o 嘞 + ( t a i ) o 吵 t z = 如c o c o 姗- t 蛳峪i r 侥i i 讲c o ，1 、 “j ( 2 1 ) 式中，0 9 和曰是两个转动运动参数，分别代表球头立铣刀的自转角度和 公转角度，0 3 和占之间的运动关系与“s ”形刃刃形和前刀面的几何角度直接相关 【2 93 0 】，要获得较理想的刃形0 2 , 和伊之间存在以下关系： = f ( k ，曰) 2 1 2 球刃的形成 在空间固定坐标系盯。= o ；x ，y ，z ) 中球头立铣刀球头球面的方程： ( 2 2 ) 五2 + y 2 + z2 = r 2( 2 3 ) 球头立铣刀球刃前刀面和球头球面的交线即为球头主切削刃( 简称球刃) ，联立 ( 2 1 ) 和( 2 3 ) 有球刃的方程： 贵州大学顶士研究生学位论文 x z ( z 。) z c i 。1 蔟 描 卜 弋 b ，t 锣r | | 卜一 ； p o 昭。 荔。拦 3 l y l r 缓冽 ，j 。八k 历一 编7 jl髟 | | 、芝hv 论 e 卜 x 图2 - l 球刃前刀面的数学模型 【( 风一c o ) s i n o c o s o j - t o ( t a n p s