（机械电子工程专业论文）数控刻楦机研制及鞋楦cam系统开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 鞋楦在制鞋工艺中具有重要的作用，鞋楦设计和加工的好坏直接影响成品鞋 的质量。随着生活水平的提高，人们对鞋的款式和质量提出了更高的要求，另一 方面，我国的制鞋业和世界发达国家相比还有很大差距，为了更好地满足消费者 的需求及参与日趋激烈的国际竞争，必须用先进制造技术对传统的制楦方法进行 改造。因此，研制实用、可靠、低成本的数控刻楦机和开发相配套的鞋楦c a m 系 统具有重要的现实意义，并具有较好的推广价值。 本文首先概述了鞋楦设计和制造国内外现状，指出我国在这一领域存在的差 距，并归纳了c a m 技术在鞋楦制造中的作用。在分析重庆大学已开发的数控刻楦 机的原理及不足的基础上，提出了数控刻楦机的整体设计方案，刻楦机采用斜床 身布局，不仅利于排除切屑，而且提高了刻楦机的刚性和稳定性。刻楦机设计采 用模块化设计思想，采用交流伺服系统作为刻檀机自动控制系统。 其次，用离散造型技术构建了鞋楦三维模型，建立了数控刻楦刀位点算法模 型。算法模型采用当今加工自由曲面最流行的球头铣刀作为加工刀具，并且提出 “一次逼近法”作为鞋楦刀位点计算的理论依据，从而使刀位点计算简化，大大 提高了设计和加工效率。为了验证刀位点算法的正确性，作者采用数字仿真技术 并对所获得的鞋楦加工刀位点进行了数字仿真，结果表明不仅刀位点算法正确， 而且刻楦精度和质量也得到了保证，另外对刀位点计算过程中存在的误差进行了 分析。 最后拟定了数控刻楦工作流程，并用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 语言编制了 控制软件，实现对刻楦机的控制，从而完成对鞋楦的全自动加工。 关键词：鞋楦，数字控制，球头铣刀，三维，c a m 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h el a s t p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n t h es h o em a k i n gi n d u s t r y t h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fl a s t a f f e c t st h eq u a l i t yo ff i n i s h e ds h o e sd i r e c t l y a st h e s t a n d a r do fl i v i n gi m p r o v e d ，p e o p l er e q u e s tb e t t e rs t y l ea n dh i g h e rq u a l i t yo fs h o e s o n t h eo t h e rh a n d ，c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，o u rn a t i o n ss h o e m a k i n g i n d u s t r yi ss t i l lb a c k w a r d o n l yw i t ha d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yc a nw ei m p r o v e t r a d i t i o n a ls h o e m a k i n g ，a n dt h u sf u r t h e rt om e e tt h en e e do fe o n s u m e r sa n dg e ti n v o l v e d i nt h em o r ea n dm o r ei n t e n s ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n s o ，t h es t u d yo nn u m e r i c a l c o n t r o ll a s t - m a k i n gm a c h i n ew i t hh i 曲r e l i a b i l i t ya n dl o wc o s ta n dt h ed e v e l o p m e n to f s h o el a s tc a ms y s t e ma r ev e r yn e c e s s a r y o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nb e u s e di no t h e rf i e l d s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc u r r e n ts i t u a t i o n so f l a s td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，p o i n t so u tt h ed i s t a n c eb e t w e e no u rc o u n t r ya n d o t h e r si nt h i sf i e l d ，a n da n a l y s e st h em e a n i n go fc a mt e c h n o l o g yi n l a s tm a k i n g i n d u s t r y t h ea u t h o ra n a l y s e s t h e p r i n c i p l ea n dw e a k n e s s o fn u m e r i c a lc o n t r o l l a s t - p r o d u c i n gm a c h i n em a d eb yc h o n g q i n gu n i v e r s i t y , o nt h e s eb a s i s ，t h ea u t h o r i n t r o d u c et h ew h o l es t r u c t u r ed e s i g no ft h en u m e r i c a lc o n t r o ll a s t - p r o d u c i n gm a c h i n e t h el a s t - m a k i n gm a c h i n ea d o p t si n c l i n e dl a t h eb e da si t st o t a la r r a n g e m e n ts c h e m e , w h i c hi sn o to n l yg o o da tg e t t i n gr i do fc u tt r i f l e s ，b u ta l s oe n h a n c et h es t r o n gc h a r a c t e r a n ds t a b i l i t yd u r i n gm a n u f a c t u r i n g - p r o c e s s m o d u l ed e s i g nm e t h o di sa d o p t e dd u r i n g t h el a t hb e dd e s i g na n da l t e r n a t i n gs e r v os y s t e mi se m p l o y e da st h ea u t o c o n t r o ls y s t e m o f t h el a s t m a k i n gm a c h i n e s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gd i s c r e t em o d e l i n gm e t h o d ，t h ea u t h o rc r e a t e s l a s t st h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，a n db u i l du pa l g o r i t h mm o d e lo ft o o lp o s i t i o nf o r n u m e r i c a lc o n t r o ll a s t - m a k i n gm a c h i n e a l g o r i t h mm o d e la p p l i e ss p h e r et o o l ，w h i c hi s m o s tp o p u l a ri np r o c e s s i n gc u r v e ds u r f a c en o w a d a y s m o r e o v e r , t h ea u t h o rp u t sf o r w a r d “o n e t i m ea p p r o a c hm e t h o d a st h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h ea l g o r i t h mo ft o o l p o s i t i o n ，s ot h a tt h i ss i m p l i f i e st h ec a l c u l a t i o na n di n c r e a s e sg r e a t l yt h ee f f i c i e n c yo f d e s i g na n dp r o c e s s t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ea l g o r i t h mf o rt o o lp o s i t i o n ，t h e a u t h o ri n t r o d u c e sd i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n ds i m u l a t e st h ec a l c u l a t e dt o o l p o s i t i o nu s i n gt h et e c h n o l o g y t h er e s u l tn o to n l yp r o v e st h ea l g o r i t h mf o rt o o lp o s i t i o n ， b u ta l s og u a r a n t e e st h ea c c u r a c ya n dq u a l i t yi nl a s tm a k i n g ，a tt h es a m et i m ei ta n a l y s e s i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h ee r r o r se x i s t i n gi nt h et o o lp o s i t i o nc a l c u l a t i n gp r o c e s s a tl a s tt h ea u t h o r a n a l y s e s t h e p r i n c i p l e o fd i g i t a lc o n t r o l p r o g r a m s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，w r i t e sp r o g r a m sw i t hm i c r o s o f t sv i s u a lc + + l a n g u a g e ，t h e r e f o r e c o n t r o l st h el a s t m a k i n gm a c h i n et oc o m p l e t et h el a s ta u t o - p r o c e s s 谢t hs o f t w a r e k e y w o r d s ：l a s t ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，s p h e r i c a le n dm i l l ，t h r e e d i m e n s i o n ，c a m i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 鞋是人们日常生活必需品，随着生活水平的提高以及穿鞋的个性化要求，人 们对鞋的款式和质量提出了更高的要求。我国割鞋业有着悠久的历史，改革开放 后得到了快速发展。目前我国已成为名符其实的鞋类生产和出口大国，而且鞋类 产品已成为我国重要的出口商品，在世界鞋类贸易中占有重要的比重。但是，技 术含量的欠缺正影响到我国制鞋业的进一步发展，和世界制鞋发达国家相比，我 国在这一领域还有较大差距。要保持我国鞋类生产和出口大国的地位，将出口大 国变为出口强国，使中国鞋走遍天下，必须用先进制造技术对我国的传统制鞋业 进行改造，这就是本文研究意义所在。 1 1 鞋楦概述 鞋楦是鞋的母体，是鞋的成型模具。鞋楦不仅决定鞋的造型和式样，更决定 着鞋是否合脚，能否起到保护脚的作用。因此，鞋楦设计必须以脚型为基础，但 又不能与脚型一样，因为脚在静止和运动状态下，其形状、尺寸、应力等都有变 化，加上鞋的品种、式样、加工工艺，原辅材料性能，穿着环境和条件也不同， 鞋楦的造型和各部位尺寸不可能与脚型完全一样。因此，现代鞋楦设计既牵连多 种学科又对手工技艺和经验要求十分高。 鞋楦主要是以木材、塑料或金属为原料，我国制鞋楦用的材料主要是木材和 金属，近年来逐步采用塑料生产鞋楦的新技术正在获得重视和推广，为制楦材料 开辟了新的途径。由于鞋楦关系到皮鞋尺码，尺码属于计量标准，所以对鞋楦的 要求很高，要不收缩、不变形、不翘不裂，材质要坚韧、耐锤击、耐水湿。尖头 楦、扁头檀的材料，对硬度要求更高。 鞋楦按不同的方法可分为以下几类：皮鞋楦、运动楦，木楦、塑料楦、金属 檀，男楦、女楦“”。 鞋楦主要有以下几个功能： 1 ) 鞋楦是鞋帮样设计的依据。迄今为止，在进行帮样设计时无论是使用平面 设计方法、立体设计方法、还是计算机辅助设计方法，设计人员都必须依据鞋楦 的具体造型进行设计“1 。 2 ) 鞋楦是鞋底部件和鞋的成型模具设计的依据。鞋底部件包括内底、半内底、 外底、鞋跟、主跟和内包头等。鞋成型模具包括模压鞋模具、硫化鞋模具、注塑 鞋模具、胶粘鞋模具、内底压型模具、主跟压型模具和鞋跟注塑模具等。“。它们 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的设计都是依据楦体的具体造型数据而进行的。 3 ) 鞋楦是制作鞋和固定鞋造型的依据。在鞋的生产过程中，无论是手工绷楦 还是机器绷楦，鞋都必须经过一段时间的干燥，才能出楦。在鞋的干燥过程中， 由于有了鞋楦在鞋腔内支撑，鞋的造型才能坚固。在整个制鞋设计与生产中，鞋 楦体的造型决定了鞋的式样和型号，鞋的花色品种和款式的翻新也是基于鞋楦来 设计的，根据现代制鞋工业生产技术的要求，无论鞋的种类和式样，在加工过程 中都必须使用鞋楦成型。可以说鞋楦是鞋的母体，各类鞋都脱胎于鞋楦。因此鞋 楦的结构和造型设计及加工的正确与否，会直接影响鞋的定型及穿着的舒适和美 观。用造型优美的鞋楦制造的鞋穿着起来既能美化人们的生活，又能增强市场竞 争力。如果楦型设计不合理或定型加工不正确，就会破坏鞋的原始式样，甚至还 会给鞋的加工造成困难。如果人们长期穿着用不合理鞋楦制成的鞋，会使脚逐步 变成畸形，最终造成脚疾1 。 1 2 鞋楦设计制造发展现状 由于鞋楦造型设计及生产是制鞋的关键环节，鞋楦既是各种款式鞋产品的设 计依据，又是鞋在加工过程中的支撑体，因而如何高效、高质量设计制造鞋楦一 直是人们追求的目标。 1 2 1 国内现状 我国制鞋业近年来得到了迅猛的发展，生产规模和制造工艺均达到了一定水 平，不仅极大地满足了我国人民穿鞋的消费需求，而且已成为我国的一个重要出 口创汇产业，在国民经济中占有不可替代的重要地位。 但是，我国的制鞋业和一些鞋业发达的国家和地区相比，还有很大差距。实 际上目前我国还有大量的中小鞋厂仍然处于传统的作坊式生产状态，科技力量薄 弱，设计能力低下，机械化、自动化程度又不高，造成鞋档次低、质量不过硬、 花色品种少等一系列问题。由于鞋楦是制鞋的关键工艺，这些问题又突出表现在 鞋楦的设计和制造上。我国传统的制楦方法直由有相当经验的技工手工刻制， 其制作时间长，质量不稳定，精度低，且培养一个能独立操作的刻楦技工，需要 几年甚至十多年的时间。加之，在皮鞋生产过程中，二维鞋帮必须在鞋楦上强力 挤压、敲打方能变为三维鞋形，而强力挤压和敲打却会造成鞋本身的快速损坏， 故一只鞋楦只能制作有限的数十只鞋。全世界每年的鞋产量达几十亿只，每年至 少需要数千万只鞋楦，这数千万只鞋楦是否美观大方、加工精度高、尺寸精确并 符合人们的脚型完全取决于用来复制它们的母楦质量是否合格。随着生活质量的 不断提高，人们渴望鞋的种类越来越好，鞋的花色翻新速度越快越好，而一种新 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式样的鞋能否尽快推向市场也很大程度上由母楦的制作速度和质量决定。而手工 刻楦在加工时间和质量等许多指标均不尽人意，因此，用计算机辅助设计和制造 等现代手段取代落后的手工方式在鞋楦的设计和制造中是十分必要的。 目前，国内的鞋楦制造企业大多是从制鞋业发达国家引进先进技术和设备， 不仅价格昂贵，而且技术上受制于人，长期以来会使我国制鞋业在激烈的国际竞 争中处于劣势，从而丧失制鞋业大国的地位。因此在国内，很多高校及科研单位 都在研究有关鞋楦的设计和制造系统。具有代表性的研究主要有：8 6 年上海大学 与福州皮革工业研究所研制的“p f s 一1 ”微机辅助优化设计系统，主要有榜样扩 缩、楦体展平等功能。四川大学光电系研制的“l m a 一1 0 0 鞋楦三维面形自动测 量系统”应用光电技术，以激光作为基准进行鞋楦三维测量，可获得高精度楦体 三维数据。成都科技大学研制的“鞋样c a d 系统”用手工测量方法获得鞋楦特征 部分的三维数据，用双三次b 样条曲面拟台逼近算法构造鞋楦表面，然后进行展 平、曲跷处理。重庆大学承担了国家“八五”重点科技攻关项目“实用型鞋 帮鞋楦c a d c a m 系统”，其中鞋楦子项目研究成果在国内处于领先水平，其刻 楦质量和精度都达到常规制楦要求f 2 9 j ( 1 4 】 3 7 1 。 1 2 2 国外现状 6 0 年代以来，国外许多厂商都致力于制鞋先进设备的研究，这大大推进了制 鞋设备的机械化和自动化程度。随着计算机性能的提高和软件技术的发展，将计 算机用于皮鞋设计、加工及生产管理技术，以及用于皮鞋内腔、脚型的测试技术 皆已逐渐成熟和实用。将这些高新技术用于制鞋业即组成所谓的“集成制鞋系统”， 如近年由法国克雷奥公司推出的“定制皮鞋系统”，从在商店里进行脚型测量开始 到工厂做出一双皮鞋只需三天时间。可以认为这种集成制鞋系统集中地代表了目 前国内外制鞋工业的水平和发展方向。 以美国、意大利、法国、英国、德国等为代表的世界制鞋发达国家在鞋楦的 设计和制造方面作了很多研究，都以微机工作站或小型机为系统主机，硬件投资 规模太，设备先进，主要在鞋楦测量、榜样扩缩、色彩、榜样加工自动化控制和 数控刻楦机等方面发挥优势。如：加拿大c i m t e c h 公司推出的d e s c o m 系统、英国 的c r i s p i n 系统、原西德大陆公司的下样机、意大利的p r e s t i g e 扩缩样 c a d c a m 系统及英国b u 公司的s p r i n g 鞋帮c a d 系统等。自1 9 7 6 年欧美第 一台制鞋c a d 系统问世以来，到1 9 8 1 年发展到三家鞋厂采用，而到1 9 8 6 年竞达 五十多家采用c a d 系统，其普及率达4 0 ，到2 0 0 0 年普及率几乎已达到1 0 0 。 此外，近年来，美国、德国、意大利等国在鞋楦c a m 技术方面进行了大量研 究。用电脑控制的崩帮、上底等c a m 系统已遍及世界各鞋厂，如英国的u s m 、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 德国的g c o 、捷克的z d a 以及美国的c a m s c o 等鞋业部门相继开发了交互式的 计算机辅助设计鞋系统和相应的辅助加工系统。在数控刻楦方面也涌现了大量新 的技术和专利，如：美国专利“脚型测量及制楦的集成系统” ( i n t e g r a t e ds y s t e m f b rf o o t m e a s u r e m e n ta n dl a s t m a n u f a c t u r i n g ) ，德国专利“数控刻楦机”( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n ef o rs h o el a s t p r o d u c t i o n ) ，对数控刻楦机及其原理都做了论述。但 是价格都比较昂贵，国内制鞋厂家一般都难以承受。 1 3 课题研究意义 纵观目前我国制鞋业整体状况，存在的主要问题是技术含量不高，突出表现 在大多数企业仍采用传统的手工作坊式生产，有的企业虽然具有较高的生产水平， 但其先进设备和技术大多是从国外引进的，这不仅严重影响到我国制鞋业的进一 步发展，而且长期以来会使我国制鞋业受制于人，从而丧失制鞋大国的地位。为 了从整体上提高我国制鞋业水平，更好地满足消费者的需要，以及缩小和制鞋业 发达国家的差距，参与日趋激烈的国际竞争，必须从制鞋业的关键工艺入手，用 先进计算机技术和先进制造技术来改造我国传统的制鞋业。由于鞋楦在制鞋业中 具有重要的地位和作用，因此研制实用、低成本、高可靠性的数控刻楦机及c a m 系统便具有十分重要的意义。 本课题是国家“八五”重点科技攻关项目一“实用型鞋帮鞋楦c a d c a m 系 统”的一个子项目一“数控刻楦机及c a m 系统”的后续研究。“数控刻楦机及 c a m 系统”由重庆大学承担研制，并于2 0 0 1 年研制成功，其技术成果在国内处 于领先水平，刻楦精度和质量都达到常规制楦要求。但是该产品在实用化方面仍 有许多不足之处，存在的问题主要有以下几个方面： 1 ) 所选用的工控机性能不能同时满足加工数据处理和加工控制的要求，加工 过程中有偶尔出现停机的现象。 2 ) 由于采用的是经过专门设计的碗状铣刀，致使生成加工刀位点的算法复 杂，且需要解决铣刀的刃磨及平衡问题。 3 ) 伺服系统选用的是步进电机，由于步进电机不如大功率的交流伺服电机性 能优良，因此在实用化方面应考虑选用交流伺服系统，以进一步提高系统的加工 质量和精度。此外，驱动卡接口采用的是过时的i d e 接口，在w i n d o w s 操作系统 下的兼容性不是很好，故障率较高。 4 ) 采用一个c 轴步进电机同时控制c 轴鞋楦和z 轴工作台的驱动方式，并且 使用了多根齿形皮带进行传动，而皮带具有弹性，且皮带与皮带轮之间会存在间 歇，于是会对加工精度产生影响。因此，最佳的驱动方式为c 轴和z 轴分别各使 4 重庆大学硕士学位论文i 绪论 用一个交流电机。这样就可以避免带传动，实现真正的三轴加工，加工工艺灵活， 从而提高鞋楦刻制效率和鞋楦的表面光洁度。 5 ) 刻楦机为平床身设计，排屑不方便。 6 ) 数控刻楦机体积过于庞大，外形不够美观。因此，需对其重新进行整体和 结构设计。 因此，本文针对以上存在的不足将对数控刻楦机及其c a m 系统进行重新设 计，使改进型产品真正具有市场竞争能力，全面提高我国目前的鞋楦设计制造水 平，从而加速我国的制鞋业发展步伐，缩小和发达国家之间的差距，增强国际竞 争能力，这正是本文所研究的意义所在。 1 4 课题研究任务 本课题主要从以下几个方面进行了研究： 1 ) 数控刻楦机的研制，包括刻楦机的整体设计、刻楦机的结构设计咀及刻楦 机电气控制设计。其中刻楦机整体设计采用斜床身作为其整体布局方案，这不仅 有利于排除切削，而且加工过程变得简洁明了，提高了刻楦机的受力能力和抗 扭能力，也使得刻楦机外形美观。刻檀机结构设计采用刻檀机模块化设计方法， 模块化设计方法不仅使产品设计周期大大缩短，而且可以极大地丰富产品规格 和品种系统，提高了产品对用户地响应性和适应性，并对刻楦机的主要部件进行 了设计。最后对刻楦机控制系统及控制卡的选择进行了详细设计。 2 ) 鞋楦c a m 系统开发，包括鞋楦c a m 系统模块设计、加工刀位点数据的 生成、鞋楦刀位点数字仿真技术以及相关程序界面设计。其中加工刀位点数据的 生成一直以来是鞋楦c a m 技术的瓶颈，因此，作者采用了当今加工自由曲面最流 行的球头铣刀作为加工刀具，并提出“一次逼近法”作为其计算的理论依据，使 得加工刀位点的计算大大简化。当鞋楦加工刀位点生成后，作者采用数字仿真技 术对其进行了仿真，以验证刀位点的正确性，使错误在加工之前就及时发现，提 高了系统的设计效率以及可靠性。最后分析了刀位点计算中所存在的误差，指出 误差的来源以及减小的措施。 3 ) 鞋楦数控加工控制软件设计，包括鞋楦数控加工过程描述、鞋楦数控加工 控制流程、交流伺服电机控制模块以及控制软件界面设计。 1 5 本章小结 本章首先概述了鞋楦的在制鞋业中的地位和作用；其次，分析了鞋楦设计制 造发展现状，指出目前我国在这一领域存在的问题及与制鞋业发达国家之间的差 重庆大学硕士学位论文l 绪论 距；接下来，分析了重庆大学原研制的数控刻楦机的不足，并以此作为本课题所 研究的内容及本课题研究意义所在；最后，对本课题研究的任务进行了说明，明 确了研究中需解决的问题。 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 2 数控刻楦机的研制 鞋楦设计制造是制鞋的关键环节，我国的鞋檀设计制造水平和世界制鞋业发 达国家相比还有很大差距，为了从根本上改变我国在这一领域的落后状况，更好 地参与日趋激烈的国际竞争以及满足人们的消费需求，必须用先进制造技术对传 统的制楦业进行改造。因此，研制实用、可靠、低成本的数控刻楦机是十分必要 和迫切的。 2 1 数控刻楦机整体设计 2 1 1 刻楦机功能描述 数控刻楦机是利用数字控制技术进行鞋楦加工的专用机床，它把鞋楦由抽象 的三维数据转换成实际的三维实体，它是鞋檀c a d c a m 系统的最终输出设备， 可以说是整个系统中最关键的一环，它的性能将直接影响所加工鞋楦的质量。数 控刻楦机在控制程序作用下调用鞋楦c a m 系统生成的n c 数据文件实现鞋楦的加 工。 由于鞋楦是一个由复杂的不规则的异型曲线和曲面所组成的自由型闭合曲面 体，其外轮廓不能由初等解析曲面构成，所以不能建立一个数学模型来描述。对 这种复杂空间曲面的加工，往往都采用三维或多维坐标联动的数控机床对其进行 铣削加工。因此，在参考了重庆大学研制的数控刻楦机基础之上，我们采用三坐 标的数控刻楦机来实现对鞋楦的铣削加工，刻楦机的性能参数为：鞋楦加工外沿 最大半径为1 5 0 r a m ，沿轴向最大移动长度为4 0 0 m m ；鞋楦加工外沿精度为 0 0 2 r a m ，轴向进给精度为0 0 4 r a m ；鞋楦采用球刀加工，球刀最大直径为中4 0 m m ， 可夹持不同直径的刀具。 2 1 2 数控刻楦机组成 数控刻楦机是一种专用的数控机床，但它和普通数控机床的结构大体相似， 主要由数控系统、伺服系统与位霓检测装置以及刻楦机裸机构成，如图2 1 所示是 数控刻楦机的基本构成。 数控系统是刻楦机最重要的组成部分，由硬件和软件结合而成。其作用是通 过输入装置将用户编制的、控制刻楦机加工的程序输入系统，然后在系统内进行 必要的数字运算和逻辑运算，将用户程序转换成控制刻楦机运动的控制信号。数 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 控系统软件，即控制数控刻楦机进行鞋楦加工的数控加工程序，它是通过调用插 在工控机内的电机控制卡提供的相关控制函数编制而成的，具体内容在第四章进 行介绍。 伺服系统与位置检测装置是联系数控系统和机械结构必不可少的纽带，它们 在某种程度上决定了刻楦机的运动特性和精度。伺服系统由伺服驱动电路和伺服 驱动装置组成，同时与刻楦机的执行机构相连，根据数控系统发来的控制信号对 执行机构的位移、速度等进行自动控制。这种控制是在刻楦机执行机构运动过程 中实时进行的，它所控制的运动亦称为伺服运动。位置检测装置的作用是检测实 际位移量，并将实际位移反馈给伺服系统，由伺服系统中的位置比较环节对控制 位移量与实际位移量进行比较，根据比较的差值，调整控制信号，提高控制精度。 数控刻楦机采用半闭环伺服系统，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外， 调试方便。半闭环系统与闭环系统相比精度偏低，但对于鞋楦加工来说，其精度 能够满足鞋楦加工的要求【1 0 1 【2 6 】。 图2 。1 数控刻植机的组成 f i 9 2 1c o m p o s i n go f n u m e r i c a lc o n t r o ll a s t - m a k i n gm a c h i n e 刻楦机上除了伺服运动，还有些运动属于开，关性质的。例如主轴的启动与停 止等，对于这些运动的控制，是靠辅助运动控制单元实现的。 刻楦机裸机与普通机床的构成基本相同，主要由床身、工作台、刀架、丝杆、 导轨等组成，由于数控刻檀机的特点，做了一些特殊的设计与制造工艺。例如采 用滚珠丝杆、滚动导轨、以及消除间隙机构等。另外，刻植机在加工鞋楦时，会 产生大量木屑及粉尘在空气中，不仅给现场操作人员带来危害，而且会聚集到刻 楦机内部各个角落。因为刻楦机采用了多根各种类型的导轨和丝杆，如果木屑积 到上面，并如果刻楦机来回运动而进入到刻楦机内部，势必对加工带来各种危害， 或者由于导轨滑动不平稳而影响精度，或者由于进入丝杆凹槽而阻碍丝杆转动， 严重时甚至可能破坏丝杆。因此，数控刻楦机增加了专门除尘装置。 2 1 3 刻楦机总体布局 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 刻楦机的总体布局是刻楦机设计中带有全局性的问题，它的好坏对刻楦机的 制造和使用都有很大的影响。刻楦机布局设计的内容包括各部件的相互位置关系、 运动的分配、运动仿真( 干涉检查) 以及外观造型，影响刻楦机总体设计的因素很多， 其中工件的表面成形运动直接决定了刻楦机布局的型式，是影响刻楦机布局的决 定性因素。因而，在布局刻楦机时，必须根据加工要求，全面、综合地考虑工件 的表面形成方法及运动，以期作出具有较好技术经济效益的布局设计。使用数控 刻楦机加工时，和普通机床一样，要有由主运动( 由刀具或工件完成) 和进给运动f 由 刀具和工件作相对运动) 实现表面的成形运动。而刻楦机的这些运动，必须由相应 的执行部件( 如主运动部件，直线或圆周进给部件) 以及一些必要的辅助运动( 如转 位、夹紧) 部件来完成。因此，在决定这些部件之间的相互位置关系，即进行刻楦 机的总体布局时，需要考虑多方面的问题：一方面是要从刻楦机的加工原理即刻 楦机各部件的相对运动关系，结合考虑工件的形状、尺寸和位置关系等因素，来 确定各主要部件之间的相对位置关系和配置。另一方面还要全面考虑刻楦机外部 因素，如外观造型、操作维修、生产管理和人机关系等问题对刻楦机总布局的要 求【j “。如图2 2 所示为刻楦机总体布局方案。 岛暂 e # 哥彳苦鼠jj “ _ f 岛 u ，t 哇 恻2 2 数控刻植机总体布局 f i 9 2 2l a y o u to f n u m e r i c a lc o n t r o ll a s t m a k i n gm a c h i n e 数控刻楦机是加工鞋楦的专用数控机床，因此它和普通的数控机床在总体布 局上有许多相似之处。由于鞋楦的外轮廓表面复杂，需要三轴控制的数控刻檀机 对其进行铣削加工，其主运动为鞋楦的旋转运动，进给运动为刀架的横向和纵向 运动，加工时三个运动相互协调来完成对鞋楦表面的加工。同时鞋楦所用的材料 一般为木材或塑料，加工时会产生大量的切削，而刻檀机采用斜床身布局，不仅 利于排除切屑，而且提高了刻檀机的刚性和稳定性。因此综合考虑，我们选用斜 床身作为数控刻楦机的总体布局方案。 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 2 1 4 刻楦机坐标系 由于编程和加工的需要，数控机床必须建立一个基本坐标系一机床坐标系“”， 并以此为基准，建立起辅助坐标系一工件坐标系后，才能够进行编程和加工。数 控刻楦机采用三轴控制方式对鞋楦进行铣削加工，其中c 轴作为鞋楦旋转轴，其 它两个轴代表铣刀的横行和纵向进给方向。由于刻楦机是一种专用机床，为了使 鞋楦c a m 系统生成的n c 程序用于加工中心进行加工，因此建立如图2 3 所示的 机床坐标系。其中0 点为机床原点，z 轴为铣刀纵向进给方向，z 轴为铣刀横向 进给方向，0 为机床参考点。对机床坐标系而言，参考点就是用来作为设定机床 原点的一种手段，参考点的坐标值是相对机床原点设置的。鞋楦加工时，铣刀从 参考点o 出发，加工完后再返回参考点循环结束。参考点的位置必须远离c 轴中 心，这样才能保证加工之前铣刀不碰到毛坯，同时为了确定第一次加工时的首次 进刀量，必须准确知道d 点到c 轴中心的距离，即z 轴参考点的确定。下面对z 轴 参考点的设定进行介绍。 图2 3 机床坐标系 f i 9 2 3c o o r d i n a t eo f m a c h i n e + x 由于参考点是一个相对概念，可以是z 轴工作台上任意一点，因此我们取球 刀刀尖作为z 轴参考点，如图2 4 中的彳点，以后一切关于z 轴进刀量的计算均以 彳作为起始点来进行。 现在的任务就是要测量出零点a 和c 轴之间的垂直距离三，而直接进行精确测 量非常困难，因为无法确定爿点的位置，因此通过对刀的办法解决，对刀点到旋 转轴中心的距离可以通过试切法得到。如图2 4 所示，采用了一根材料相当好的木 棒作为测量参照物安放在c 轴上，首先通过手动定位程序让z 轴工作台回到零点， 然后利用自动定位程序让工作台移动一定距离s ，启动主电机，让铣刀旋转起来， 使其刚好能够从木棒左边缘吃入一定深度，吃入量不可过大，l m m 左右即可，否 则测量误差可能很大。 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 在利用手动定位程序使z 轴工作台自左向右移动，让铣刀对木棒做一次“抛 光”工作。 c i _ = = = = 曼= = = 孓p r o xi m t y r 一一一一一一一1 一一一一 。 ：一 1 一s w i t c h i 一三i 毫j 矗一卜一：m 。 o nz e r o 广_ 二寻三门 一 一七斗一3 一一i 一 】：= 耳i 、l 生 l 。，l 。，_ _ j 【- - - - - - - - - - - u 一- - - r ，l ，- - - - - - - l - - - - - - - - - - j 1i 豆 一1 d 一 一 一i 一 z t 一l 一 。l f 一一i 一一一一i 图2 4z 轴参考点设置 f i 9 2 4za x i sr e f e r e n c ep o i n ts e t 最后，利用游标卡尺测量“抛光”后的木棒直径d ，并且要对多个点进行测量， 取平均值作为最终结果，因为不管机床的设计和加工多么完美，都很难保证c 轴 和y 轴决定平行，所以“抛光”出的圆棒多少会有一定锥度，左端面和右端面的直 径不会完全相同，可能会有几丝的差值。因此，多点平均可以提高测量的精度。 从图2 4 可以看出，4 点和c 轴的垂直距离等于工作台移动距离和木棒半径之 和，即： 上= j + j d 2 1 5 刻楦机工作原理 1 ) 控制运动轨迹的插补原理【1 5 1 机床数字控制的核心问题，就是如何控制刀具沿着预定轨迹准确运动。在数 控机床上，由于刀具的最小位移单位是脉冲当量，且各坐标轴之间的速度比值也 不能真正做到连续调整，因此，刀具的实际运动轨迹是折线，而不是光滑的曲线， 即只能用折线轨迹去拟合( 逼近) 所加工的曲线，如图2 5 所示。这样，确定刀具折 线轨迹各中间点位置就十分重要，在工件轮廓曲线的起点和终点之间，依一定的 方法进行“数据点密化”，计算出一系列的中间点，并根据计算结果对各坐标轴进 行脉冲或数字分配，以确定刀具折线运动轨迹的过程，称为插补。插补的实质是 no g 1 n t 1 c 1 e v r o i m d 重庆大学硕士学位论文2 数控刻楦机的研制 拟台。 插补是数控系统的主要功能，它直接影响数控机床加工的质量和效率。因此 要求插补必须具有较高的插补精度，并且插补运算简捷快速，以提高进给速度。 y a 加工曲线 b l _ l - 一x 图2 5 插补原理 f i 9 2 5p r i n c i p l eo f i n t e r p o l a t i o n 目前采用的插补方法有多种多样，通常可按如下方法分类： a 按照插补计算方法分类 脉冲增量插补这类插补每进行一次后仅产生单个的行程标量位移，即插 补结果以一个脉冲的方式输出给伺服系统，每个脉冲代表一个脉冲当量的位移， 脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示位移量。脉冲增量插补 的实现方法较简单，通常可以用软件也可以用硬件方式来实现。 脉冲增量插补又可分为逐点比较法、数字积分法、比较积分法、单步追踪法 等多种。 数字增量插补插补功能被分成粗插补和精插补两部分完成。第一步为粗 插补，它根据编程的进给速度f 将轮廓曲线分割为固定时间t ( 插补周期) 的微进给 段，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度a l = f t 都相 等。在每个粗插补周期中，计算出各联动坐标轴在下一个周期应该行进的增长段。 第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的 密化”工作。这一步相当于对微直线段的脉冲增量插补。数字增量插补适用于闭 环和半闭环的c n c 系统。通常把粗插补简称为插补，由插补软件完成，而精插补 在位置伺服环内，可以由硬件也可用软件完成。 数字增量插补方法较多，常用的有时间分割法、扩展数字积分法、双数字积 分法等。 b 按插补的曲线分类 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 可分为直线插补、圆弧插补、抛物线插补、高次曲线插补等。大多数数控机 床只有直线和圆弧插补功能。实际的零件轮廓可能既不是直线，也不是圆弧，这 时必须先对零件轮廓进行直线、圆弧拟合后，才能进行插补加工。 a 按插补器的结构分类 可分为软件插补和硬件插补两类。软件插补器利用编程方法实现各种插补功 能，结构简单，灵活易变，现代数控系统普遍都采用了软件插补器；硬件插补器 由数字电路组成，过去的n c 系统用得多，目前只在一些特殊应用场合或作为数字 增量插补的第二级插补使用。 2 ) 数控刻楦机的工作原理 数控刻楦机采用p c 工控机作为数控系统智能中心。由于交流伺服电机具有诸 多优点，如转子惯量小使得动态响应好，调速范围宽，电机输出功率大，且交流 电机容量大因而可以达到更高的电压和转速。因而交流伺服系统在当今数控机床 上得到了广泛的应用，因此数控刻楦机采用三个交流伺服电机作为其动力驱动装 置。其中c 轴交流伺服电机驱动鞋楦作旋转运动，z 轴和x 轴电机驱动球头铣刀 作横向和纵向进给运动，c 轴和z 轴电机为数字内联插补运动，三个交流电机采 用摩信科技有限公司的m c t 8 1 0 0 f 4 运动控制卡进行集中控制，该卡的工作原理在 后面控制卡的选择一节进行介绍。如图2 6 所示数控刻楦机的控制原理。 口 p c 标准总 p c 工控机 交 流 电 机 控 制 卡 c 轴交流电 机驱动器 x 轴交流电 机驱动器 z 轴交流电 机驱动器 c 轴交流伺 服电机 x 轴交流 伺服电机 z 轴交流伺 服电机 辅助控制电路 数 控 刻 檀 机 床 图2 6 数控刻植机原理框图 f i 9 2 6p r i n c i p l ec h a r to f n u m e r i c a lc o n t r o ll a s t - m a k i n gm a c h i n e 数控刻楦机的控制流程如下：鞋楦c a m 加工程序运行后，通过p c 工控机的 总线将n c 数据传送到交流伺服电机控制卡，后者经过转换后产生控制信号，交流 电机驱动器接收到该信号以后产生驱动电压和电流，驱动交流电机转动，从而带 动机床工作台移动，最终完成对鞋楦的加工。 重庆大学硕士学位论文 2 数控刻楦机的研制 此外，系统还包括一些辅助控制电路，主要功能包括：系统加电掉电：启 停机床上用于加工鞋楦的主电机和用于除尘的抽风吸尘电机；加工过程中的意外 急停开关；通过限位开关达到限制机床加工处于安全范围以内的目的；通过各种 信号灯和报警灯来显示加工、回零过程中数控刻檀机的状态，从而增加操作的方 便性和安全性。 2 2 数控刻楦机结构设计 数控刻楦机的机械结构主要是由主轴部件、机械传动结构、支撑部件等组成， 其设计合理性、制造精度很大程度上决定了整机的可靠性。在设计和制造时，不 仅要考虑提高静、动刚度、抗振性能、热稳定性和几何精度等方面的要求，而且 其传动和变速系统要便于实现自动化控制。 2 2 1 模块化设计思想 模块化的思想由来以久，可以由古长城砖的长、宽、高尺寸的比例确定体现 出来。今天，模块化设计思想应用在如建筑、家具、电子、船舶等各个行业，人 们所共知的计算机软件的模块化结构及计算机硬件插板等就是这一设计思想的具 体体现。在机床学领域，“模块化构造”这一术语，是1 9 6 7 年由曼彻斯特工大的 科尼希贝格教授提出的。模块化构造的设想是制造厂为谋求通用机床制造过程的 合理化而产生的。1 9 3 0 年德国首先提出了模块化构造的设计方法，并通过适当组 合经标准化和系列化的通用部件，制造出各种机床。如万德勒( w a n d e r e r ) 公司 的机床构件是由各种大小和形状的通用部件组成，而同类机床的进给驱动与控制 装置则采用相同的通用部件。由此可以看出采用模块化设计可极大地丰富产品规 格和品种系统，提高了产品对用户地响应性和适应性。随着采用单元生产方式的 自动加工系统的发展，今后模块化设计应不仅在一台机床的模块化构造方面，而 且在一个加工系统的模块化构造方面获