（轮机工程专业论文）悬臂式激光加工机数控系统及应用软件研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 激光加工技术是近几十年迅速发展起来的一门高新技术。随着激光技术的不 断发展，机电技术的不断创新，使得激光加工的能力不断提高，如今已成为改造 传统加工业的一种有效手段0 论文介绍了国内外激光加工技术的发展现状，根据 目前我国生产的激光加工机在自动化水平、可靠性和加工能力等方面距国外还有 一定差距，因此提出了以悬臂式激光加工机数控系统及应用软件研究为课题。以 促进激光加工技术在我国的应用。 文中分析了目前激光加工机几种运动形式的优缺点，提出了一种新颖的结构 形式悬臂式结构，这一结构极大地改善了激光加工机的动态性能，扩大了激 光加工机的应用范围。( 激光加工技术与高性能的计算机数字控制系统( c n c ) 相结 合组成的激光加工c n c 机床，即可实现高速高精度m i ，又易于实现自动控制。 论文阐述了现代c n c 系统的发展方向是p c 化和开放化，确定了基于工业控制计 算机的c n c 主机系统的控制方案刁第三章给出了传动机构的设计方法。 数控自动编程可以大大提高加工质量和加工效率。本文对数控自动编程软件 的开发方法进行了较深入的研究。文中分析了以前采用的用高级语言读取 a u t o c a d 的d x f 文件的方法。并提出了一种用a u t o c a d 的二次开发工具 o b j e c t a r x 开发自动编程软件的方法，所开发的自动编程软件具有更好的交互性。 第五章针对一个控制激光加工机的工件工作台的单片机系统，结合数控程序 的特点，为单片机编写了工作台的控审4 程序。 ，、 ( 硬件和软件是促进激光加工技术应用的两个方面力本文的内容旨在研究激光 产业化的一些相关技术，因此具有较好的实用价值。 关键诃：激光加工j悬臂式激光加工机：自动编程j o b j e c t a r x 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gt e c h n o l o g yi sah i g h - t e c ht h a th a sb e e nd e v e l o p i n gf o rl a s tt e n s y e a r s w i 也t h e l a s e rt e c h n o l o g yp e r s i s t e n t l yd e v e l o p i n g ，t h ea b i l i t yo f l a s e rm a c h i n i n g a d v a n c i n ga n d t h ei n n o v a t i o no f t h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a lt e c h n o l o g y , i th a sb e e n b e c o m ea ne f f e c t i v em e a n st oc h a n g et h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gi n d u s t r y t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u so fl a s e rm a c h i n i n ga n dp o i n t so u tt h a th o m e g r o w nl a s e r m a c h i n e sa r ei n s u f f i c i e n ti na u t o m a t i z a t i o n l e v e l r e l i a b i l i t y a n dt h e a b i l i t y o f p r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r e o f t h ec a n t i l e v e rl a s e rm a c h i n ea sa s t u d yp r o b l e m i sp u tf o r w a r d t h ep a p e ra n a l y z e ss c v c i a lm o d e so ft h el a s e rm a c h i n ea n d p u t sf o r w a r da n e w s c h e m eo fc a n t i l e v e rs t r u c t u r ef o rt h el a s e rm a c h i n e t h ec a n t i l e v e rl a s e rm a c h i n eh a s b e t t e rd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n de x t e n d st h er a n g eo fm a c h i n i n g i n t e g r a t e dw i t hc n c ， l a s e rc l q cm a c h i n ei sc o n v e n i e n t l yc o n t r o l l e da n dc a l lp r o c e s sw i t h h i 出p r e c i s i o n t h e p a p e rp o i n t so u tt h et r e n d sa n dt h es y s t e ms t r u c t u r eo fc n ca n da d o p t st h ec o n t r o l s c h e m eb a s e do ni n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r t h ed e s i g n m e t h o do ft r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mi sp r e s e n t e di nc h a p t e rt h r e e t h ep a p e rs t u d i e st h em e t h o d so f d e v e l o p i n gn ca u t o p r o g r a m m i n gs o f t w a r e a m e t h o d ，l l s i n ga d v a n c e dl a n g u a g e t or e a dd x f f i l e ，i si n t r o d u c e d d u et os o m ed e f a u l t s o ft h em e t h o d , t h ep a p e rp r o v i d e san e wm e t h o do fu s i n go b j e c t a r xt o d e v e l o p a u t o - p r o g r a m m i n gs o f t w a r e nh a sb e t t e rr e c i p r o c i t y t h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co fn c p r o g r a m m i n ga n da p p l i e si t i nt h e p r o g r a m m i n go ft h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e df o r c o n t r o l l i n g t h e w o r k p i e c e ss t a g ei nc h a p t e rf i v e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r et w os i d e sf o rt h ea p p l i c a t i o no f l a s e r t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c hc o n t e n to f t h e p a p e r h a ss o m e p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：l a s e rm a c h i n i n gc a n t i l e v e rl a s e rm a c h i n e a u t o - p r o g r a m m i n go b j e c t a r x i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 本课题名称“悬臂式激光加工机数控系统及应用软件研究”。是由华工激光工 程有限责任嘶2 0 0 0 底自主开发的一台与德国r o f 一s 烈a r 公司固体激光 器配套的光、机、电一体化加工设备。 由于激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点f l l ，自第一台红宝 石激光器问世以来，激光就受到科研领域的高度重视。激光技术推动了诸多领域 的迅猛发展，应用范围越来越广，在加工领域中的应用成果尤为显著。 激光被誉为“万能加工工具”，为材料加工业提供了一种经济效益十分显著而 生产效率又相当高的生产技术。激光加工技术的应用已遍及各行各业，在航空、 航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械和轻工等部门都占有重要的地位【2 叫。现在， 激光加工技术已从特殊用途的加工技术变为通用的具有多种加工能力的精加工技 术。目前，国外探索的激光应用项目有2 0 多项。 激光加工技术是集光学、机械学、电子学、计算机学等为一体的高新技术， 是激光应用最有发展前途的领域。相关的研究也就以激光加工系统为对象，以提 高加工质量为目的。从目前来看，主要的研究集中在以下方面。 1 ) 大功率、高性能激光器及光路性能的研究吼激光器和光路系统在加工中 起着“刀具”的作用，其性能与加工质量密切相关，主要涉及到激光输出功率， 激光模式的稳定性，连续脉冲模式的切换，脉冲质量，功率可控性和光路系统准 确灵活性等。 2 ) 高性能伺服系统的研究。如配备全数字化交流伺服系统，加入自学习功能 使重复定位误差趋于零，采用逆传递函数补偿伺服系统的动态跟踪误差和提高响 华中科技大学硕士学位论文 应速度等。 3 ) 高性能c n c 系统的研究【6 1 0 如要求至少装备3 2 位c n c 系统，一般都具有 丰富的图形功能，人机交互式自动编程，加工条件设定功能，利用人工智能的故 障诊断功能等。 4 ) 各种算法和控制装置的研究。如“飞行导光”( f l y i n go p t i c s ) 系统中的精确 控制，焦点位置的精确控制，以及解决特殊形状工件加工质量问题的特殊编程。 5 ) 面向柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c m i s ) 的激光切割 c a d i c a m c a p p 的研究【7 】以及特殊材料的加工切割机理和切割工艺的研究。 我国激光加工市场前景广阔，预计平均以每年2 0 3 0 速率递增，但在激 光j i t 系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化水平与国外差距较大， 这是制约我国激光加工技术进一步发展的关键所在。国家正在积极采取措施，加 速我国激光加工产业化的进程和发展。因此，本文也将以激光加工系统的总体结 构设计，传动结构设计和数控自动编程等方面为主要研究内容。 1 2 激光加工技术的发展概况 1 2 1 激光加工技术的主要特点 激光加工是指以功率密度达至l j l 0 7 1 0 1 3 w e r a 2 的激光束作用于物体的表面而 引起物体形状的改变，或物体性能的改变的加工过程。按光与物质相互作用的机 理，大体上可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工系 指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程；激光光化学反应加工 系指激光束作用于物体，借助高密度、高能量光子引发或控制光化学反应的各种 加工过程，也称为冷加工【8 】。 激光的空间控制性( 射柬的方向变化、旋转、扫描等) 和时间控制性( 开、 关、脉冲间隔) 优异，特别适合自动化加工。激光加工系统特别适合采用计算机 控制，它与计算机数控技术相结合，可构成自动化加工设备，为优质、高效、低 2 华中科技大学硕士学位论文 成本的加工开锌了广阔的前景。激光加工技术主要有以下几个特点【9 】： ( 1 ) 一机多用：同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工， 即可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。 ( 2 ) 适应性强：可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、及脆性、软性材料； 即可在大气中，又可在真空中进行加工。 ( 3 ) j i t 质量好：由于能量密度高和非接触式加工，并可瞬时完成，工件热 变形小，而且无机械变形，对精密零件加工非常有利。 ( 4 ) 加工精度高：如微型陀螺转子采用激光平衡技术，其质量偏心值可控制 在1 或干分之几微米的范围内。 ( 5 ) 加工效率高：激光切割可比常规方法提高效率8 2 0 倍：激光焊接可提 高效率3 0 倍；用激光强化电镀，其金属沉积率可提高1 0 0 0 倍；用激光微调薄膜电 阻可提高工效1 0 0 0 倍，提高精度l 2 个数量级。 ( 6 ) 节能和节省材料：激光束的能量利用率为常规热加工工艺的1 0 1 0 0 0 倍。激光切割可节省材料1 5 7 5 。 ( 7 ) 经济效益高：与其它方法相比，激光打孔可节省直接加工费用2 5 7 5 ， 间接加工费用5 0 7 5 ：用激光切割钢件可降低加工费用7 0 9 0 。 1 2 2 国内外激光加工的现状 在发达国家的加工业中，己逐步进入“光加”时代。日本估计在本世纪，激 光加工将占整个加工业的1 0 以上。工业发达国家都把激光加工技术作为提高生 产效率和竞争能力的手段之一，希望能在进入光技术全盛时代的2 1 世纪初期，在 光技术领域处于领先地位，因此投入大量的人力和物力展开激烈的竞争 1 0 - 1 1 1 。一 些国际性大公司也积极的采用先进的激光加工技术，以提高产品的竞争力。如西 门予公司在它的一条流水线上就采用了4 0 0 多台激光器。激光加工不仅技术先进， 而且经济效益显著。激光切割向厚扳发展，现能切割2 5 m m 的钢板，1 0 r a m 的铝板， 4 m m 的铜板：带视觉系统的激光机器人焊接8 r a m 的t i 6 a i 4 v h 合金，焊缝 华中科技大学硕士学位论文 强度超过母体材料。生产效率大大高于氩弧焊：显象管电子枪的焊接已由激光取 代电阻焊显著提高焊接质量。美国福特汽车公司采用2 0 台3 k w 5 k w 激光加工设 备对柴油机缸套内壁及齿轮表面进行热处理；德国t r u m p f 公生产出t r u m a t i c l 8 0 系列c n c 激光复合扳金加工系统；日本m a z a k 公司开发出激光加工柔性制造系 统l f m s ，充分利用激光加工长处和常规加工的长处 1 2 - 1 ”。近年来，又兴起了柔 性激光加工技术陋18 1 ，所谓柔性激光加工，是指激光加工头能灵活机动地引导激 光束到达零件的待加工位置。通常采用机器人( 或机器手) 配合光导纤维进行光 束传输，由机器人挟持着激光头完成各种运动，激光则通过光导纤维传送到激光 加工头处，到达工件表面。对于大功率c 0 2 激光，则是通过一组光学镜片进行传 输。在国内，国家在“八五”、“九五”期间连续投资用于激光加工技术的开发与 应用。各类激光器及加工系统均有部分规格的产品面市，例如1 5 0 0 w 快速轴流c 0 2 激光器，5 k w 横流激光器及4 0 0 w y a g 激光器和二、三、五轴激光加工系统均有 产品。9 5 ：1 e 京国际机床博览会上所参展的国内二、三坐标激光加工机( 配套国外 激光器) 在性能上接近国外产品【1 9 - z o l 。图1 1 是华工激光澳洲a s e ra b 公司的新型 切割机产品( p r o f i l ep l u s 激光切割机) ，融合了最新的驱动、切割技术，其c n c 控制功能也得到明显的改善。该机型在加工精度、切割速度、加工效率等方面都 有极大的提高，并配有旋转轴。具有无接触式高度传感器、集成式的障碍探测、 自动穿透检测、远程控制和对板材进行装卸的功能。 圈1 1p r o f i l ep l u s 激光切割机 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 激光加工系统的一般构造 工业激光加工系统一般由激光器、 和辅助系统五大部分组成【2 ”。 导光系统、光束工件运动系统、数控系统 1 ) 工业用激光器类型和特点见表1 - l 当前用于激光加工的激光器主要由三类：c 0 2 n d ：y a g 、和准分子( k r f 、a r f ) 激光器，但随着半导体激光技术的迅速发展，使得二极管激光器、二极管泵浦全 固体化激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器必然进入加工业。不同的应用领域 对激光器还有其他要求，对于切割与焊接，还要求激光器光束质量模式为低价模； 有时需要激光器连续运行，有时又需要激光器脉冲运行，所以激光器应当具备连 续和脉冲输出的功能；激光器的功率既要求稳定，也要能根据加工不同要求进行 精密调节 z z l 。 表1 - 1 工业激光器类型与特点 舢功奉鼎2 m j l o o k j5 0 0 w 骂2 m 1 0 g i8 0 0 w i o k i 5 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 导光系统 各种工业应用都要求把光束从激光器传输到工件上。大功率激光器及大型工 件均会使激光器与工作台距离增大，因此导光系统的重点在于保证光束输送质量 最好，损耗最小。导光系统包含光束直线、折射传输和聚焦或发散部件，针对不 同加工任务，有些导光系统还要求具备光束质量监测、光闸、可见光同轴瞄准、 分光束以及偏振光等功能。导光系统的技术关键是：激光束的变化方式；光路与 机械结构的合理设计；光学元件的选材、加工工艺及镀膜技术；光束质量在线监 测与控制和自动调焦。光纤与激光的耦合传输以其安全方便的特点在激光加工中 崭露头角。现有的光纤传输主要是紫外到近红外波长激光。例如固体y a g 激光的 商品化光纤传输已达到5 0 0 w 。 3 ) 光束，工件运行系统 激光束与工件之间的相对运动通常可用四种形式实现：( a ) 激光器与导光系 统不动，工件运动：( b ) 工件不动，激光器和导光系统运动。( c ) 激光器和工件 不动，导光系统运动，这种方式被称为“飞行光路”系统。( d ) 激光器不动，导 光系统和工件均运动。激光加工的特点之一是加工速度快( 快进速度可达6 0 i i l m m ， 工件速度可达2 0 m r a i n ) ，因此对光束工件运动的要求之一是惯性小，启动快，动 态刚性好，抗振能力强。 4 ) 数控系统 与光束工件运动系统配合，有相应轴数的控制系统。加工过程中，数控系统 控制激光束与工件的相对位置，形成加工轨迹。目前，常用的数控系统多采用不 同类型的计算机控制，简单的可用单板机( 或单片机) 控制，复杂系统可采用p c 机作主机，分别控制多台单片机。激光加工数控系统除了通用数控系统的一般功 能外，还有其特殊功能。它可以借用通用3 2 位数控系统加以扩充，提高运算速度 及插补精度，采用交流伺服电机，多轴联动以保证激光点垂直于加工件表面，实 现三维空间加工。针对不同加工性质，有的数控系统还需自动控制激光能量、波 6 华中科技大学硕士学位论文 形；有的需要自动调焦、控制冷却系统、保护气体及联锁保护；有的需要过程测 量反馈加工信息，实时调整加工参数，完备的激光加工软件是促使激光加工深入 应用的关键因素之。复杂图形的自动输入、自动优化排料以及c a d c a p p c a m 是必要的。在了解激光与物质相互作用的规律基础上，建立加工参数数据库，实 现加工条件自动设定。 5 ) 辅助系统 辅助系统是激光加工技术的重要组成部分，促使激光加工效果最佳化。例如 有时为了提高工件对激光的吸收率，需要一套在工件上涂黑化材料的清洗干燥黑 化设备；切焊时的保护或助燃气体输送装置；优化气嘴系列；合金粉末及焊丝自 动定量均匀输送装置；焦点焊缝自动跟踪装置；冷却装置及抽风排气保护装置等。 1 4 激光加工技术的发展与展望 激光加工作为信息时代的一种新型加工工艺，对提高产品质量、劳动生产率、 自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用，既得到其他高新技术 发展的有力支撑，又受到社会经济迅速发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的发 展势头。预期它将沿着以下些方向发展： 1 ) 数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定 位系统相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。 2 ) 小型化和组合化 国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲 床。它兼有激光切割的多功能和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外 形、打孔、打标、画线等加工【2 5 1 。 3 ) 高精度和高可靠性 目前，国外脉冲y g a 激光器的重复频率已达到2 0 0 i - i z ，连续二极管泵浦的 华中科技大学硕士学位论文 y g a 激光系统输出功率已达1 0 k w ，i o o w 的器件己商品化。二极管阵列泵浦的 n d ：y g a 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到l 2 万小时。最近 j e n o p t i k l a s e r d i o d e 公司己研制出2 的二极管激光器，其快慢轴光束参数积电o o l r l l t l m r a d ，可直接用于激光加工。 4 ) 超快和紫外激光加工口8 】 适用微电子、微机械和分子生物学发展的需要，利用波长更短的激光，包括 x 射线激光、其他固体激光的高次谐波、特别是准分子激光，发展亚微米和纳米 加工，如打极小的孔、刻极微细的槽、进行极微细的三维雕刻、纳米机电零件的 清洗与搬运等。同时，可用激光对生物细菌及其中的染色体进行切割、搬运和改 造，成为生物工程和医学研究的一种精密工具。目前全固化2 6 6 n m 的紫外激光器 输出功率已达2 0 w ，1 9 3 r i m 准分子激光己达到1 0 w ，4 k h z 。 总之，激光加工是2 1 世纪最具有竞争力的先进加工技术，展望它的发展前景 是十分广阔的。 1 5 本文的研究内容 激光加工正在我国兴起，就目前我国激光加工技术来说，经过二十年的努力， 有了大批有水平的科研成果。但在实用化、产业化、商品化上却作的还不够。 促进激光加工实用化和商品化关键技术主要有两个方面，即激光加工系统( 包 括激光器和加工机) 和激光加工工艺( 如自动编程、排料、激光加工工艺数据库 等) 。前者为激光加工的“硬件”，后者为激光加工的“软件”。 针对当前我国激光加工机的发展现状，需要自动化程度高、高效优质、高精 度的激光加工机。本文的主要工作内容有： 1 ) 悬臂式激光加工机是光机电一体化设备，对其的设计涉及到机械、控制和 计算机等多学科。本文分析了目前激光加工机的几种形式，比较了其优缺点。结 合本激光加工机的工作条件和所选用的设备，提出了比较新颖的悬臂式结构。论 8 华中科技大学硕士学位论文 文还分析了现代c n c 系统的控制方式和它的硬件结构。对激光加工机的控制系统 进行了设计。 2 ) 数控自动编程软件是提高加工效率和加工质量的一个很重要的软件。本文 分析了以前开发自动编程软件的方法，指出了它的一些不足，并研究了如何用 a u t o c a d 的二次开发工具o b j e c t a r x 来开发自动编程软件的方法。 3 ) 设计了m c s 5 1 单片机的控带t 系统来控制激光加工机的工件工作台。对数 控系统的程序结构进行了分析。并应用在该单片机系统编程中。 华中科技大学硕士学位论文 2 悬臂式激光加工机主体结构和控制系统设计 2 1悬臂式激光加工机主体结构设计 2 1 1目前激光加工机的几种运动形式 如1 3 节所述，激光束与工件之间的相对运动有4 种，各有其优缺点。 1 ) 工件作x ，y - - 维运动，激光只作z 向调节( 图2 1 ( a ) ) 。 这是目前应用最广的一种。工作台可由数控作x ，y 向移动，而聚焦镜可沿z 向 作一定范围的调节。工作台绕垂直轴或水平轴转动也可属于这一类。这种方式常 用于高精度小工件，对工件的尺寸和重量限制较大。 2 ) 工件不动，激光器连同外光路一起作x ，y 二维运动( 图2 一l ( b ) ) 。 这种系统只有在激光器重量不大时才适宜。可以覆盖较大的面积，但难以达到 较高的加速度，适用于不需要大的加速度的场合。 3 ) 工件不动，激光器不动，光路系统中反射镜作x ，y 方向的运动( 图2 1 ( c ) ) 。 这一类比较少见，光路元件质量轻，移动有方便之处，但要求移动系统精度高， 而且对光学系统要求严格。可采用很高的加工速度而占空间小，因而可处理大型 复杂形状的工件，激光机器人均采用这种方式。 4 ) 光路或连同激光器作x 向运动，工件作y 向运动( 图2 一l ( d ) ) 。 这种方式有利于加工较大的工件。大张钢板的激光切割机属于这一类。钢板放 在工作台上，工作台在y 向运动，激光切割头沿x 向运动，在z 方向常采用滚珠 浮动或位置传感器以保持切嘴的规定距离。有完备的c n c 控制系统，可以作各种 花样的切割。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( b ( c ) 光路运动( d ) 光路和工件运动 图2 一l 激光加工机按运动方式分类 2 1 2 悬臂式激光加工机主体结构设计 激光加工机采用的激光器式德国r o f n s 玳a r 公司生产的y a g 固体激光 器，功率2 k w 。y a g 激光器具有许多不同于c 0 2 激光器的良好性能，它输出波长 比c 0 2 激光器短一个数量级。加工性能良好( 8 0 0 w 的y a g 激光的有效功率相当 于3 k w c 0 2 激光功率) 。y a g 的另一优点是能利用现有的光纤进行传输，可灵活 地导向工件，采用时间分割和能量分割技术，可以充分有效地发挥激光的效能。 在设计激光加工工作台运动方式时，通过对加工条件的分析和对上面4 种运动 方式仔细比较后。采用了一种新的运动方式，即把加工机主体作成悬臂式结构( 图 2 - - 2 ，详见附录2 和附录3 ) ，工件不动，由悬臂带动激光器光头运动。这种方式不 但具有可以扩大应用范围，对工件尺寸及重量限制小的优点，而且动态性能好， 提高了控制精度。 一 麓一黥 华中科技大学硕士学位论文 图2 2悬臂式激光加工机结构示意图 1 x 轴2 y 轴3 z 轴4 光纤 5 激光头6 激光器7 工件 2 2 基于p c 的开放式c n c 系统 2 在过去的几十年，数控技术发展迅速，经历了硬件数控( n c ) 和计算机数控 ( c n c ) 等两个发展阶段。数控技术已经成为柔性制造系统( f m s ) ，计算机集成 制造系统( c 订s ) 等先进制造模式的关键技术支撑。现代数控机床的发展趋向是 高速化、高精度化、高可靠性、多功能、智能化和开放式结构【2 9 】。 2 0 世纪9 0 年代，“开放性”数控技术成为该领域的热点 3 们。其基础是包括硬件， 软件和网络在内的p c 技术。目前学术界和工业界对“开放性”数控系统的争论 颇多，还没有明确统一的定义，但其强调的系统特性是相似的，即相互操作性， 可移植性，可缩放性，可互换性。 开放式数控系统是当前数控技术发展的主要趋势。工业界对它的研究始于8 0 年代【3 1 。3 2 1 ，主要目的是为了解决变化频繁的需求与控制系统专一、固有的框架之 间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台。用户能够自由地选择c n c 装 置、驱动装置、伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并能够采用规范 1 2 华中科技大学硕士学位论文 的、简便的方法将这些构成要素组合起来，极大地增强数控系统的柔性和适应性。 由于p c 机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充分利用p c 机资源，并将其 功能集成到c n c 中去，发展基于p c 的数控系统( p c n c ) ，已成为世界各国发展研究 的重点。具体地说，p c n c 就是在p c 机硬件平台和操作系统的基础上，方便地使用 市售的软件和硬件板卡，构造出数控系统功能。由于p c 总线是一种开放性的总线， 所以这种系统的硬件体系结构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点，为机床厂 和用户通过软件开发给数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证。以p c 技术为基础的c n c 正在发展成为世界潮流的方向，它是有数控技术以来最具有深 远意义的一次飞跃。 p c - n c 的主要实现形式可归纳为三种【3 3 l ：p c 内藏型c n c ，c n c 内藏型p c ， 软件n c 。 1 ) p c 内藏型c n c p c 内藏型c n c 是在c n c 内部加装p c 板，p c 板与c n c 之间通过专用总线 相连接。这一形式主要为一些大型c n c 控制器制造商所采用，其优点是原型c n c 几乎可以不加改动地使用，且数据传送快，系统响应快。缺点是不能直接使用通 用p c ，开放程度受到限制。 2 ) c n c 内藏型p c p c c n c 内藏型p c 就是将运动控制板或整个c n c 单元插a 蛩i p c 的扩展槽中。 p c 做非实时处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担。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。缺点是很难和用 原型c n c 资源，系统可靠性的确保有待进一步研究。 3 ) 软件n c 所谓软件n c 是指n c 系统的各项功能，如编译、解释、插补和p l c 等，均由软 件模块来实现，并通过装在p c 扩展槽中的接口卡对伺服驱动进行控制。这类系统 借助现有的操作系统平台( 如d o s 、w i n d o w s 等) ，在应用软件( 如v i s u a lc + + 、v i s u a 】 华中科技大学硕士学位论文 b a s i c 等) 的支持下，通过对n c 软件的适当组织、划分、规范和开发，可望实现c n c 各个层次的开放。其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性强。缺点是在通用p c 上进行实时处理较困难，难以利用原型c n c 资源，可靠性的确保也是一个有待进 一步研究的问题。 上述三种开放式p c c n c 的实现形式在实践中己各有应用，并出现了一些成型 的系统。如德国d e l t a t a u 公司的p m a c 系统、s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k 8 4 0 d 系 统和我国华中理工大学的华中i 型数控系统等。 开放式数控体系结构如下图所示f 3 4 】： 总线 母 匝圜 匿堕塑困睁 匝囹9 巨囹睁 匿圆争 固 厂 l 强。l l 口 i 1 。_ j 睁i 伺臆控制模块卜l f 司服驱动l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ - - _ 。_ 一r 。_ 。o _ 1 t _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - j 、1 。o + 。一 9 巨囹囫 守医丽硼 l _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ - - - - _ - _ _ _ - _ 一 9 匝d 圆 圈2 3 开放式数控体系结构 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 悬臂式激光加工机c n c 结构 2 3 1 悬臂式激光加工机控制系统结构 根据悬臂式激光加工机的加工要求，悬臂带动激光头作x ，y 两轴联动。z 轴是激光焦点自动控制轴( 即浮动轴) ，可通过激光头上的传感器自动调整激光喷 嘴与工作表面之间的间隙，使之在激光加工的过程中保持恒定。c 轴是工件的旋 转轴。 悬臂式激光加工机数控系统是由控制计算机部分、何服驱动部分、机械传动 部分及检测部分组成。其结构如图2 4 所示： 伺 愕( i n d 雠u s t r 晰i a l 鼽p c ) h ? r + 服 何 机 电 服 械 机 电 执 ； 驱 机 行 网 动 机 构 器 图2 4 悬臂式激光加工机的伺服控制系统 考虑到工业现场的环境恶劣，存在多种干扰源，控制计算机选用一台研华工 业控制计算机。工控机本身符合多种工业标准。是一种开放化的计算机系统，与 通用的p c 机有很好的兼容性，有大量的软、硬件的支持。由图2 2 可见，系统 的伺服控制硬件主要由标准的工控机、基于标准总线的运动控制卡和具有通用接 口的伺服电机驱动器及伺服电机组成，不需要任何专用模块，体现了开放式体系 的标准化、通用化特征。 2 3 2 半闭环伺服控制系统【3 5 】 伺服与驱动部分是数控机床重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺 华中科技大学硕士学位论文 服控制。伺服与驱动系统的性能，在很大程度上决定了整个工作台的性能。 数控机床的伺服系统，按其控制原理，可分为闭环型和开环型两大类。闭环 型采用伺服电机驱动，可配备各式各样的速度、位置检测元件，并使用不同的反 馈方式。而开环型采用步进电机驱动，无检测元件，也无反馈电路a 闭环型伺服系统按位置检测方式一般又可分为半闭环方式、全闭环方式以及 混合闭环方式。半闭环方式( 如图2 5 所示) 是在开环控制伺服电机轴上装有角 位移检澳n 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( 或角 位移) 反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。 随着脉冲编码器的迅速发展和性能的不断完善，作为角位移检测装置可以方便的 直接与直流或交流伺服电动机同轴安装，特别是高分辨率的脉冲编码器的诞生， 为半闭环控制提供了一种高性能价格比的配置方案。 与全闭环方式相比，由于惯性较大的机床运动部件不包括在闭环之内，控制 系统的调试十分方便，并具有良好的系统稳定性。而且目前脉冲编码器普遍与伺 服电动机设计成一个整体，使系统变得更加紧凑。 但由于半闭环控制将运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链 的误差无法得到校正或消除。可幸的是目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构具有很 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，完全可以 满足绝大多数数控机床的需要。因此，在一般情况下，半闭环控制成为首选的控 制方式被广泛采用。 图2 5半闭环控制原理 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 系统的工作原理 本系统的控制计算机主要处理以下事务：键盘分析，输入数控指令，完成数 据处理工作，将处理后的有效指令输送到伺服驱动部分。 伺服驱动部分主要有运动控制卡、伺服驱动器和伺服电机( 四套，分别驱动 四个轴) 组成，与电机同轴装有编码器。传动执行机构由联轴器、滚珠丝杠螺母 副、支承导轨和悬臂工作台组成。 控制计算机对输入指令进行处理工作，将转换后的数控指令输入运动控制卡， 运动控制卡完成对伺服电机驱动器的控制调节工作，伺服驱动器对交流伺服电机 的运转进行控制，交流伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠等部件带动工作台沿x ，y 轴运动，同时交流伺服电机的编码器将位置反馈给伺服驱动器，完成交流伺服系 统的半闭环控制。 2 4 小结 本章主要涉及到悬臂式激光加工机的主体结构设计和系统伺服控制系统的设 计。 悬臂式激光加工机采用了独特的悬臂式结构，是一种比较新颖的结构形式， 扩大了激光加工工作台的加工范围，提高了控制精度。 本章还分析了实现开放化数控方法的几种形式，采用了基于工控机的控制方 式。整个伺服控制系统由工控机、运动控制卡、电机驱动器和伺服电机组成，体 现了开放化的特征。 系统采用半闭环控制方式，兼顾了控制精度和系统稳定性。 华中科技大学硕士学位论文 3 机械传动机构的设计 3 1 悬臂式激光加工机工作台的设计参数说明 悬臂式激光加工机工作台的设计参数如下所示： 工作台面尺寸( 宽长) 工作台行程( x 方向) ( y 方向) 立柱臂行程( z 方向) 快速移动速度 定位精度( x 轴，y 轴，z 轴) 6 0 0 4 0 0 m m 6 0 0 m m 4 0 0 m m 3 0 0 m m 1 0 r e r a i n + | 0 0 2 m m 重复定位精度( x 轴，y 轴，z 轴) + 一0 0 1 m m 旋转速度( 旋转轴c 轴)1 5 r p m 定位精度( 旋转轴c 轴) + - 0 0 5 。 重复定位精度( 旋转轴c 轴) + ，0 0 1 。 3 2 数控机床传动机构的特点 数控机床是机电一体化的典型代表，其机械机构同普通机床有诸多相似之处。 然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传 统机床的基础上，仅对局部加以改进而成( g 些受资金等条件限制，而将传统机 床改装成简易数控机床另当别论) 。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振 1 8 华中科技大学硕士学位论文 性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数 控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控机床， 无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结 构，还是整体布局、外部造型等都己发生了很大变化，已形成了数控机床的独特 机械机构。 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个 机械传动链及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。数 控系统的进给系统是数字控制的直接对象，不论是点位控制还是连续控制，被加 工工件的轮廓精度和位置精度都要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的 直接影响。为此，在设计进给系统时应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和 刚度、消除传动间隙以及减少运动部件的惯量等。进给运动的机械结构必须具备 以下几个特点p 3 】： 1 ) 运动件间的摩擦阻力小 进给系统中的摩擦阻力，会降低传动效率，并产生摩擦热，特别是会影响系 统的快速相应特性。由于动静摩擦阻力之差会产生爬行现象，因此，必须有效地 减少运动件之间的摩擦阻力。进给系统中虽有许多零部件，但摩擦阻力主要来源 是导轨和丝杠。因此，改善导轨和丝杠结构使摩擦阻力减少是主要目标之一。 2 ) 消除传动系统中的间隙 进给系统的运动是双向的，系统中的间隙使工作台不能马上跟随指令运动， 造成系统快速响应特性变差。对于开环伺服系统，传动环节的间隙会产生定位误 差。对于闭环伺服系统，传动环节的间隙会增加系统工作的不稳定性。因此，在 传动系统各环节，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗杆蜗轮、甚至联轴器和键联接 都必须采取相应的消除间隙的措施。 3 ) 传动系统的精度和刚度高 1 9 华中科技大学硕士学位论文 通常数控机床进给系统的直线位移精度达微米级，角位移达秒级。迸给传动 链的弹性变形会引起工作台运动的时间滞后，降低系统的快速响应性，因此提高 进给系统的传动精度和刚度是首要任务。导轨结构及丝杠螺母、蜗杆蜗轮的支承 结构是决定传动精度和刚度的主要部件。因此，首先要保证它们的加工精度以及 表面质量，以提高系统的接触刚度。对轴承、滚珠丝杠等预加载荷不仅可以消除 间隙，而且还可以大大提高系统刚度。 4 ) 减小运动惯量，具有适当的阻尼 进给系统中的每个零件的惯量对伺服系统的启动和制动特性都有直接影响， 特别是高速运动的零件。在满足强度和刚度的条件下，应尽可能地合理配置各元 件，使它们的惯量尽可能的小。系统中的阻尼一方面降低伺服系统的快速响应特 性，另一方面能够提高系统的稳定性，因此在系统中要有适当的阻尼。 3 3 滚珠丝杠的支承方式 为了提高传动精度，不仅应合理确定滚珠丝杠螺母副的参数，螺母座的结构， 丝杠两端的支承型式，它们与机床的连接刚度也很重要。常用的支承方式有下列 几种： 1 ) 一端固定，一端自由这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适用 于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式的垂直坐标中。 2 ) 一端固定，一端支持适合丝杠较长情况，丝杠有热膨胀的余地。 3 ) 两端支持适合较高的转速。 4 ) 两端固定刚度最高，进行预拉伸后可减少丝杠自重变形和补偿热膨胀， 使剐度更高。用于高精度高刚度的条件。这种安装方式对热伸长较为敏感。 考虑到悬臂式激光加工机的x 轴设计要求是x 轴行程6 0 0 m m ，快进速度 1 0 m m i n 。属于中等长度和中等速度，且要承受一定的轴向力。因此x 轴选择一端 固定，一端支持的方式。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 3 4 滚珠丝杠副的选择计算( x 轴，预选精度2 级) 3 9 1 1 ) 工作寿命l h 的选择 激光加工工作台属于较精密的机床，取l h = 2 0 0 0 0 d 。 2 ) 丝杠副导程p h 的确定 p h = ! 竺： f n 正“ v 一：最大移动速度，l o m m i r a f ：传动比，因伺服电机直接丝杠相连，取i = l ； n 一：电机最大转速，取n 一= 2 7 0 0 转分； p h = l o x l 0 0 _ _ _ _ _ 0 0 3 7 圆整后p h = 4 1 2 7 0 0 3 ) 丝杠副的等效载荷及等效转速计算 负荷交变和转速交变的工作条件，必须根据具体情况折算成等效负荷f 。和等 效转速n m 。 简化负荷按单调式变化，各种转速使用机会均等： 已知x 轴向负荷为f = 1 8 7 2 ( n m ：n m “- t - n m i a ：2 0 0 0 + 1 0 0 0 ：1 5 0 0 r r a i n 一 2 f + f m m r m = 一 3 ：! ：! ! ! 三塑：1 2 4 8 ( n ) 3 4 ) 确定等效轴向动负荷c 一( 单位：n ) ( 1 )