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加工中心数控化改造工程研究 摘要 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进装备。随着先 进制造业的不断发展，对旧数控机床的数控化改造，特别是加工中心数控化改 造工程研究已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。该文详细阐述了 m a z a k 加工中心数控化改造工程研究的过程。在分析原加工中心的数控系统、 伺服系统、逻辑控制、机械结构的基础之上，利用s i e m e n s8 4 0 d 数控系统、 s i m o d r i v e6 l l d 伺服驱动系统、s i m a t i cs 7 3 0 0 p l c 对其进行了改造并根据 机床的具体配置和要求，对机床参数进行正确设置和调试，改造后对企业的加 工对象进行了批量加工，运行状态良好，获得了较好的经济效益和社会效益。 关键词：计算机数控加工中心数控化改造工程研究 as t u d y o fn cr e f o r mo f m a c h i n i n g c e n t e r a b s t r a c t n c f n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) m a c h i n ei st h er e p r e s e n t a t i v eo fa d v a n c e de q u i p m e n tt o a c h i e v em e c h a t r o n i c si nc u r r e n tm a c h i n ep r o d u c t i o ni n d u s t r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t o r y ，t h en cr e f o mo f o l dn c m a c h i n e ，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho ft h en cr e f o r mo fm a c h i n i n gc e n t e rh a sb e c o m e a nu r 卫e ma n da r d u o u st a s kb e f b r eu s t h i st h e s i sm a k e sa nd e t a i l e ds t a t e m e mo f l h e n cr e f o r mp r o c e s so fm a z a k m a c h i n i n gc e n t e r o nt h eb 8 s i so ft h ea n a l y s i so f t h en c s y s t e m ，s e r v os y s t e m ，l o g i cc o n t r o la n d m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ec e n t e r ， t h es i e m e n s8 4 0 d ，s i m o d r i v e6 1l ds e r v od r i v es v s t e ma n ds i m a t i c s 7 30 0 p l ca r eu t i l i z e dt om a k er e f o r mo ni t a f t e r t h ec o r r e c ts e t t i n g sa n dd e b u g ， t h en e wc e n t e ri sp u ti n t ou s ei nb a t c hp r o d u c t i o no f m a c h i n i n go b j e c ta 1 1 dp r o v e d t or u nw e l la n do b t a i nag o o de c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a le f f 色c t k e y w o r d s ：c o m p u t e rn c ，m a c h i n i n gc e n t e r ，r c f o r mo f n c ，e n g i n e e “n gf e s e a r c h 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 参坼唇t 仨苏茵 魏锄加嗽删乞南二 彬嚷呸 磁受名l 移几忱七瓠堰 易窃枷认吾品眇 刷帆磷。等胆龇墨 磊瞧 图21 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 _ 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 插图和表格清单 机床控制系统改造方案l l s i n u m e r k8 4 0 d 数控系统的基本构成1 4 n c 模块1 5 电源模块1 5 单轴驱动模块6 1 l d 1 7 双轴驱动模块6 1 1 d 1 7 8 4 0 d 典型接线图1 7 8 4 0 d 系统的软件组成1 8 多任务并行处理关系图1 8 资源重叠流水处理1 8 p l c 控制系统组成- 2 2 p l c 的扫描过程2 3 s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程序控制器2 5 手轮实物、手轮p l c 控制流程和手轮信号线2 9 自动换刀( a t c ) 机械结构示意图3 1 刀具识别控制流程图3 2 程序块f c 8 1 、f c 7 1 和f c 7 0 的取刀、换刀和送刀控制流程3 3 工作台自动交换控制流程图3 4 主轴自动换档程序控制流程图3 6 数控机床开环控制图3 7 数控机床闭环控制框图3 7 数控机床半闭环控制框图3 8 雌z a k 加工中心结构图与坐标系4 2 机械传动机构的模型4 2 进给机械传动结构的动力学模型4 2 进给机械传动的结构框图4 5 进给机械传动的结构框图4 7 表2 1西门予主流数控系统对照表1 0 表3 一lp l c 内部刀库数据表3 0 表3 2主传动各档位p l c 输入输出信号状态3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 靴做储辨甲叶泞醐一蛑旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鲤王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王、业盍堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：) 删蛑 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 、 0 签字日期：州年石月，f 日 电话 邮编 赡t 吃岬 如1 月z 致谢 在我的硕士学位论文完成之际，特别地向我的导师韩江教授和杨玉瑞正高 级工程师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢! 从开始收集与本论文有关的资料，一直到本论文的完成，韩老师都给予了 我无私的指导和帮助。在选题、开题及至完成论文的每一个阶段，韩老师都严 格把关，并在论文的写作思路上给予了建设性的意见和建议，对论文的顺利完 成起到了关键性的作用。同时韩老师对论文的审阅也同样耐心细致，大到论文 的框架，小到一个字词的运用，韩老师都是一样地细心纠正。 衷心感谢合肥仪表总厂杨玉瑞正高级工程师在论文工作期间给予的大力帮 助和指导! 作为良师益友，导师给我创造了来工大进修学习的机会，并在生活、学习 和工作中给予我无微不至的指导和关怀，使我顺利完成学业和论文。在与导师 的学习、交流中，我深深感受到导师渊博的学识、严谨求实的治学态度、诲人 不倦的指导作风、勇于开拓进取的精神以及平易近人的高尚品德，对我起到了 言传身教的作用，是我学习的榜样，也是我在以后教学及管理工作中的追求。 我将会谨记导师的教诲于心中，不断开拓进取。 感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院的领导及陈科老师、何高清老师! 在我攻读硕士学位期间，他们给予了我许多指导和帮助。 感谢安徽机电职业技术学院领导、同仁对我工作的支持和帮助! 感谢合肥大精数控有限公司总经理吴胜高级工程师对我的指导和帮助! 最后还要特别感谢父母的养育之恩，是他们数十年的不辞劳苦、任劳任怨 给予了我家庭的照顾和支持! 没有他们的支持，我不可能顺利完成学业。衷心 祝愿他们幸福、安康! 再次感谢韩江老师的教导，衷心祝愿他身体健康，工作顺利，心想事成! 作者：郑晓峰 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 1 1 机床数控技术的发展概况 1 1 。1 历史 数控机床是机电综合技术在机械加工领域中的典型产品，它是将计算机、 自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术集中于一体的自动化设 备，具有高精度、高效率和高适应性的特点。加工中心是带有刀库和自动换刀 装置的一种高度自动化的多功能数控机床。采用数控机床提高机械加工效率， 是当前我国机械制造行业技术改造、技术更新的发展之路。新型数控机床和加 工中心已成为柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 、乃至计算机集成制造 系统( c i m s ) 和无人自动工厂( f a ) 中不可缺少的基础设备【l 】。 电子技术和计算机技术的发展，极大地推动了数控技术的发展。机床数控 装置的研制开始于四十年代的美国麻省理工学院，五十年代出现了采用电子管 及继电器的数控技术，六十年代以后，随着半导体技术的发展，晶体管代替了 电子管，出现了小规模的集成电路数控装置，但是机构仍然十分庞大，可靠性 差，并且费用高。新型数控技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术。 小型计算机用于数控技术，使数控技术进入了计算机数控( c n c c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 阶段，它综合运用了计算机技术、测量技术、信息处理技术 和机械制造等最新成果。加工精度越来越高，加工效率也有了很大提高。到2 0 世纪9 0 年代基于p c 的模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统得到迅速发 展，以适应当今市场越来越需求适合中小批量加工、具有良好柔性和多种加工 功能的制造系统的发展趋势【2 】。 数控机床是由普通机床演变而来的。它的控制采用计算机数字控制方式， 它各个坐标方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动，取代了普通机床上联系 各坐标方向运动的复杂齿轮传动链。其工作原理是将加工零件的几何信息和工 艺信息编制成程序，由输入装置送入计算机，经过计算机的信息处理和插补运 算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转化、放大去驱动伺服电动 机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴精确地走到所要求的位置。 1 1 - 2 现状3 】 我国目前机床总量4 0 0 余万台，而其中数控机床总数只有】2 万台，即我国 机床数控化率不到3 。近l o 年来，我国数控机床年产量约为o 8 1 o 万台， 年产值约为2 0 亿元。机床的年产量数控化率为6 。我国机床役龄1 0 年以上 的占6 0 以上；1 0 年以下的机床中，自动半自动机床不到2 0 ，f m c f m s 等自动化生产线更屈指可数( 美国和日本自动和半自动机床占6 0 以上) 。 1 1 3 发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术 提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势【4 】主要体现在以下 几个方面： 1 、高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时 间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述 目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。 1 ) 高速、高效 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度 提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。 新一代数控机床( 含加工中心) 只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可 能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床 特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。高速主轴单元( 电主轴，转速 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r ，m i n ) 、高速且高加减速度的进给运动部件( 快移速度6 0 1 2 0 m ，m i n ，切削进给速度高达6 0 m m i n ) 、高性能数控和伺服系统以及数控工具 系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 2 ) 高精度 从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，其精度从微米级到亚微米 级，乃至纳米级( 4 0 ，如f c 4 l 等) 中编入并d o w n l o a d 到8 4 0 d 中，另外0 8 1 中的c a n 所编的f c 块中即可。 3 3 3 s 7 3 0 0 组态 为了正确使用s 7 3 0 0 ，必须对可编程控制器( p l c ) 进行组态。组态就是 对可编程控制器( p l c ) 的电源( p s ) 、微处理器( c p u ) 、接口模块( i m ) 、 信号输入输出模块( s m ) 等安排位置并为之分配地址，以适应程序编制的要求。 s m 3 2 1 输入模块提供1 6 + 1 0 = 1 6 0 个输入点，s m 3 2 2 输出模块提供1 6 + 6 = 9 6 个输 出点。i m 3 6 1 是p l c 输入，输出接口模块。 3 4 加工中心p l c 程序设计和应用实例 3 4 1 手轮p l c 控制b u 手轮选用t o s o k u 公司的h c l l d 型，最多控制5 个轴，速度倍率：x 1 ， x 1 0 ，x l o o 。手轮脉冲信号线与n c u 的x 1 2 l 端口相连接。轴和倍率选择控制 线与p l c 的i o 端子相连接。它是一种典型光电式位置控制元件。随着手轮的 正反向转动可将其转过的角度大小转变为含有位置和方向信息的脉冲序列，在 控制程序处理下能驱动加工中心各轴运动。脉冲序列的频率由手轮转速决定， 从而控制各轴运动速度的大小，它的转向可以改变各轴运动方向。手轮在加工 中心中功能非常重要，它操作灵活，功能明确，既可以实现手动对刀，也可以 做自动加工的手动调整，它给机床操作人员带来极大方便。 该手轮上面仅有倍率选择、轴选择和手摇装置，动作较少，功能也比较简 单，属即插即用型产品，如图3 - 4 ( a ) 。通过f c 8 6 程序块实现手轮控制，图3 4 ( b ) 所示为程序块f c 8 6 控制流程图。p l c 主要控制x 、y 、z 、b 、w 五个轴 运动。图3 4 ( c ) 所示为手轮信号线接线图。利用8 4 0 d 提供的可编程控制器 s 7 3 0 0 的i o 点，实现手轮控制方案，通过设置加工中心控制面板接口信号 i b 4 o = l ，使加工中心控制面板上“r 1 0 ”用户键定义为手轮使能开关。根据控 制的要求，手轮控制装置中的轴和倍率控制与p l c 和i ，o 输入模块e 3 2 和e 3 3 中的点连接，进给脉冲信号与n c u 端口上x 1 2 1 相连。 ( a ) 手轮 手轮航空插头 手轮使能 i b 4 o 检测 ix 、y 、z 、b 、w 轴的选择 土 x 1 、x l o 、x l o o 倍率选择 ( b ) 手轮p l c 控制流程图 n c u 和p l c 匪 一! 卜_ 巳 一! 卜_ 口 l - - - - - - - - - - - j l _ j l _ j n c u 的 x 1 2 1 端口 p l c 的工，0 模块接口 图3 4 手轮实物，手轮p l c 拄制# 涩和手轮信号线 一、lllii、lllil 3 4 2 自动换刀控制( a t c ) 加工中心的刀库为单独有地基的链式刀库，刀具更换装置在机床主轴与刀 库之间。如图3 5 所示，刀库安装在一个焊接的支承系统上，由比例换向阀控 制摆臂液压缸驱动摆臂动，实现三个基本位置：刀库位置( t ) 、停放位置( p ) 和主轴位置( f ) 。在摆臂上装有机械手架，该手架可以旋转18 0 。机械手架上 装有抓刀机械手i 和。 自动换刀过程分为：刀具识别、取刀、换刀和送刀三个步骤。当执行m 0 6 换刀时，p l c 程序首先寻找要更换的刀具t x x ，然后摆臂顺时针摆动2 1 。度抓 刀，同时主轴返回换刀点等换刀。然后摆臂逆时针摆动9 0 。到主轴位置，机械 手将主轴上的刀具拔出，机械手架旋转18 0 。实现换刀，换刀结束后进行送刀。 整个换刀动作由m 0 6 换刀子程序和p l c 共同完成。p l c 编程中要对刀具更换 装置和刀库的机械零位在系统上电开机时进行检测，零位设置要充分考虑安全 性和可维修性。 刀具识别现代加工中心已不再采用传统的刀具编码或刀套编码方式，而是 由控制系统根据最初输入的刀具号或刀套号跟踪记忆刀具与刀套的对应号，并 根据程序指令准确地调用所需的刀具。一种是刀具号与刀套号对应的方式，一 种是刀具号与刀套号随机交换的方式，该加工中心的自动换刀控制方式选用的 前一种方式。这种换刀方式需要在p l c 内部设置一个刀库的数据表，其长度和 设置的数据与刀库的刀套号和刀具号一一相对应。刀库选刀的另一个特点是选 用“近路”移动原则，即根据程序指令把工序需要的刀具移动到换刀位置时， 都要向小于刀库半圈的方向移动，以节省选刀时间。 该加工中心的链式刀库有6 0 个刀套，可以存放6 0 把刀具。刀具编号和刀 套编号一一对应，设定好之后不能随意改变。在p l c 内部设置一个模拟刀库的 数据表，其长度和设置的数据与刀库的刀套号和刀具相对应。如表3 1 所示。 数据表的表序号( 即p l c 中称为地址) 与刀库刀套号相对应，每个地址中的内 容就是对应刀套中插入的刀具号。其实质是把刀具的识别转换为对刀套的识别。 表3 1p l c 内部刀库数据表 刀库位置 机械 停放位置p z 踌 斗 主轴 轴上刀 图3 5 自动换刀( a t c ) 机械结构示意 刀库作为一个独立的轴w ( n c 轴) ，当刀库旋转时，每个刀套通过换刀位 置时产生一个脉冲信号送到p l c 中作为计数脉冲，同时在p l c 内部设置一个 刀库位置计数器。当p l c 接收到n c 系统更换新刀具的指令t x x 后，在模拟的 刀库数据表中进行数据检索，检索到t 代码给定的刀具号时，便将该刀具号所 在的刀套号即数据表中的地址d w x x 存放在另一个地址d w 6 1 中( 原d w 6 l 中 的内容同时被移存到d w 6 2 中) ，这个地址就是新选刀具在刀库中的目标位置。 刀库旋转后测得刀库的实际位置与目标位置一致时，即识别到了所要寻找的刀 具，刀库停转，等待换刀，完成了取刀前的刀具识别过程，这个刀具识别控制 由f c 4 3 程序块完成，其控制过程如图3 6 所示。在流程图中，对数字“3 0 ” 的判断是否来确定刀库选刀的正反转。主轴上刀具回放识别也是相似的。首先 从p l c 地址中读取d w 6 2 的刀套号，然后按照“近路”移动原则去寻找刀套。 主轴上的刀具回放识别是和换刀过程同时进行的。 取刀、换刀和送刀当刀具识别完成后就进入机械手取刀、换刀和送刀过程， 其整个控制流程如图3 7 所示。数控系统在y 、z 和w 三轴移动到换刀点，并 使主轴c 准停在换刀位置，这个过程和取刀过程是同时进行的；f c 8 1 完成取 刀控制：f c 7 1 完成换刀过程；f c 7 0 执行送刀控制。 在调试自动换刀系统时要确保每个动作的初始位置准确，其中最主要的位 置是换刀位置，必须保证主轴中心线与抓刀机械手夹持的刀具中心线重合。在 自动换刀过程调试中，发现当摆臂液压缸控制比例板输入电流为零时，摆臂有 图3 。6 刀具识别控制流程图 自动向液压缸有杆腔漂移的现象，即仍存在油压。分析原因主要是由于比例换 向阀的零位泄漏造成的。比例换向阀中位为“0 ”型不应该出现零偏现象，但由 于阀受结构尺寸、电磁性能、装配及油液流动特性的影响，在输入电流为零时， 输出流量并不为零，产生比例抉向阀的零偏现象。为了消除零偏，使阀零位时 输出流量为零，给比例阀施加了一个约2 的偏置电流，解决了这一问题。 3 4 3 工作台托板自动交换控制1 2 2 1 为了进一步缩短非切削时间，加工中心配有两个自动交换托板更换器，图 中一个托板装着工件在工作台上加工时，另一个则可以在工作台外装卸工件。 机床完成加工循环后自动交换托板，使装卸工件与切削加工同时进行，提高工 作效率a 左、右托板更换器的前进、后退和托板在工作台上的夹紧定位等均由 p l c 控制交流电动机和一系列的限位开关来实现。子程序f c 5 5 、f c 5 6 分别控 3 2 图3 7 程序块f c 8 l 、f c 7 1 和f c 7 0 的取刀、换刀和送刀控制流程图 制左侧和右侧托板装载，f c 5 7 、f c 5 8 分别控制左侧和右侧托板的卸载。托板 更换控制流程如图3 8 所示。 图3 8 中，当执行m 6 0 指令后，首先检测工作台上有无托板，如果没有 托板，则首先判断在左侧还是右侧装载，然后工作台直接移动到要装载托板的 位置处，进行托板装载( f c 5 5 或者f c 5 6 ) 。如果工作台上有托板，贝l j 要首先将 工作台移动到无托板的更换器处卸载托板( f c 5 7 、f c 5 8 ) ，然后再移动工作台 到另一托板更换器处装载托板( f c 5 5 、f c 5 6 ) 。 托板交换的左、右坐标( x 轴) 位置通过机床参数设定，当工作台处于交 换位置进行托板更换时，要确保x 轴进给封锁，以避免在托板交换过程中出现 交换故障。 m 6 0 托板交换 工作台移动到卸载托1 主 板位置处li 判断装载位置 执行f c 5 7 左托板卸载或 f c 5 s 右托板卸载 工作台移动到装载托板 位置处 执行f c 5 5 左托板装载或 f c 5 6 右托板装载 结柬 图3 8 工作台自动交换控制流程 3 4 4 主轴自动换档控制【2 3 1 为了满足加工不同表面时切削速度的基本恒定及自动换刀系统中不同刀具 的合理切削速度，加工中心主运动多采用无级调速系统，但因其与机床主运动 系统所需的功率扭矩特性不匹配，因而，往往需在电气调速系统之后串接机械 有级变速，来使它们相匹配。从而实现主传动系统的分段无级调速。 加工中心主轴转速范围在1 2 6 0 0 0 r p m ，为了满足与电动机的功率扭矩相 3 4 匹配，主传动通过4 个机械档位，实现分段无级调速，如表3 2 所示。该主轴 换档利用一个电磁换向阀( a 7 2 5 和a 7 2 6 ) 控制一个液压缸来推动二联齿轮移 动，和一个电磁电动机( a 7 2 7 和a 7 3 o ) 来推动齿轮内、外啮合来实现，并用 e 3 7 3 e 3 7 6 四个档位检测信号状态组合编码来检测主轴的实际档位。各信号 在四个档位时状态如表3 2 所示。 表3 2主传动各档位p l c 输入输出信号状态 档位m 指令 a 7 25a 7 2 6a 7 27a 7 3oe 3 7 3e 3 7 3e 3 7 5e 3 7 6 lm 4 l + 2m 4 2 3m 4 3 4m 4 4 为实现主轴的自动换档，在机床参数中预先设置了主轴四个档速范围。 n c k 控制系统依据不同的档位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴 电动机不同的转速。主轴自动换档是通过p l c 予程序( f c 3 2 、f c 3 3 、f c 6 3 和 f c 8 0 ) 编程设定实现，自动换档控制流程见图3 9 所示。主轴转速用s 代码4 位十进数编程直接给定，如果s 设定的转速小于1 2 r p m ，则限定速度为1 2 r p m ， 若s 设定的速度大于6 0 0 0 r p m ，则限定主轴速度为6 0 0 0 r p m 。通过d a 转换器 把限位器的输出转换成与1 2 6 0 0 0 r p m 相对应的输出电压，做为主轴转速指令， 来控制主轴的转速。n c k 根据s 指令所要求的速度所属档位判断当前档位和目 标档位是否一致，如果不一致则执行相应的换档程序，在执行换档时，p l c 首 先检查主轴是否处于停转状态，如果未停，则p l c 向n c u 发出“主轴停止” 命令，使主轴停止。p l c 根据目标档位发出相应输出指令，使液压缸和电磁电 机推动所控制的齿轮进行换档操作，同时启动主轴摆动模式，使主轴按照所设 置的摆动频率和速度进行摆动，以便齿轮啮合。当换档到位后，检测开关 ( e 3 7 3 e 3 7 6 ) 发出齿轮换档到位信号，换档结束。m 4 1 指令控制主轴换到1 档，m 4 2 指令控制主轴换到2 档，m 4 3 指令控制主轴换到3 档，m 4 4 指令控制 主轴换到4 挡。 主轴自动换档p l c 程序设计中，必须注意的是：( 1 ) 为了使主轴换档不致 于混乱，在p l c 程序的初始化模块中，使系统一通电就扫描加工中心档位检测 开关，在数据块中设置“当前档位”，对系统状态进行初始化；( 2 ) 必须把主轴 的转速降为零后，才能对主轴进行换档，否则会造成齿轮碰坏；( 3 ) 为了更好 地使齿轮啮合，在液压缸和电磁电机动作过程中，控制主轴做轻微的来回摆动， 这样可以缩短换档时间，同时也避免齿轮硬顶造成撞伤和精度损坏。 图3 9 主轴自动换档程序控制流程图 3 6 第四章数控进给伺服系统设计研究 4 1 伺服系统工作原理【2 4 4 1 1 开环、闭环伺服系统原理 伺服系统是以机床运动部件( 如工作台) 的位置和速度作为控制量的自动控 制系统。它能准确地执行c n c 装置发出的位置和速度指令信号，由伺服驱动 电路作一定的转换和放大后，经伺服电动机( 步进电动机、交流或直流伺服电动 机等) 和机械传动机构，驱动机床工作台等运动部件实现工作进给、快速运动以 及位置控制。 进给伺服系统按有无位置检测和反馈以及检测装置的安装位置的不同，可 分为开环控制、半闭环和闭环控制系统。 开环控制( 0 p e nl o o pc o n t r 0 1 ) 数控机床这类数控机床不带位置检测反馈 装置，c n c 装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电机，再经 传动机构带动工作台移动，其控制框图如图4 1 所示。开环控制的数控机床工 作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但是控制精度比较低，这类数控 机床多为经济型。 z 柞台 图4 1 数控机床开环控制图 闭环控制( c l o s e dl o o pc o n t r 0 1 ) 数控机床这类数控机床带有位置检测反 馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行 位置，并与c n c 装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。其控制框图如 图4 2 所示。这类数控机床的精度高，但是调试和维修比较困难，设计和调试 时还应该对系统的稳定性给予足够的重视。 工扣古 图4 2 数控机床闭环控制框图 3 7 半闭环控制( s e m i c l o s e dl o o pc o n t r 0 1 ) 数控机床 这类数控机床将检测元 件安装在电机的端头或丝杠的端头。见图4 3 。由于闭环环路内不包括丝杠、 螺母副及工作台，所以可获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控 制数控机床，但控制系统的调试比较方便。 工作台 图4 3 数控机床半闭环控制框图 目前。中高档的数控机床大多数采用闭环、半闭环控制，m a z a k 5 0 0 ；5 0 0 的卧式加工中心采用闭环控制。 4 1 2 交、直流伺服系统特点分析 7 0 年代和8 0 年代初，数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电 机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且，由于电机惯性与 机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及 其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以 及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向 器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展，使其应用受到限制。 进入8 0 年代，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展。交流伺服 驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度 方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。特别是技术日趋成熟的数字式交流 伺服电动机的广泛应用，使得数控机床的性能大大提高。 4 1 3 交流伺服系统的性能指标 交流伺服系统的性能指标包括静态和动态两方面。静态性能指标含静态误 差和静态刚度。动态性能指标含自然频率、阻尼比或过渡时间、超调量等。 1 ) 静态性能 静态误差又称为稳态误差。误差定义为期望输出与实际输出之差。当输入 指令分别为常值位置、常值速度及常值加速度输入时，系统静态误差分别称为 位置误差、速度误差、加速度误差。 系统处于稳态时的放大倍数称为系统的稳态增益。为了减小系统误差，必 须增大系统增益。为了减小速度跟踪误差，必须增大系统增益k s 。在数控系统 中，当k s 取值为( 8 0 0 1 6 0 0 ) s 一，时，称该系统为硬伺服；当k s 取值为( 8 5 0 ) s ，时，则称为软伺服。在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益为系统 增益k s 的2 4 倍比较合适，但它的开环增益高达8 0 1 0 0 0 。所以，m a z a k 加工中心的系统增益应按照上述要求进行配置，这样才能使伺服系统具有稳定 性好、位置和速度分辨率高。 2 ) 动态性能 交流伺服系统的动态性能指标主要有自然频率、阻尼比或调整时间和超调 量。自然频率是系统无阻尼时自身的振荡频率，它反映了系统对外部指令响应 的快慢程度，自然频率越高响应越快。 阻尼比是系统衰减振荡的能力，阻尼比越大振荡衰减得越快，大到定程 度后系统将不再产生振荡，但响应时间有所增加。 调整时间是指系统输入从零突变为稳态值时，系统输出达到最终输出值的 9 0 时所需要的时间。该指标反映了系统响应外部指令的快慢程度，调整时间 越短说明响应越快。一般二阶及二阶以上的系统接收到一个突变的指令时，其 输出在一个短暂的时间内可能会超过最终的输出值，这个超出最终值的量的最 大值即为超调量。 合理地选择系统的自然频率、阻尼比、调整时间和超调量，对加工中心的 动态性能有很大影响，改造时必须综合考虑。 4 1 4 数控机床对交流伺服系统的性能要求 交流伺服驱动系统是指以机床移动部件( 如工作台等) 的位置和速度作为控 制量的自动控制系统。其主要性能要求有下列几点： l 、进给速度范围要大。不仅要满足低速切削进给的要求，而且还要能满足 高速进给的要求。 2 、位移精度高。伺服系统的位移精度是指指令要求机床工作台进给的位移 量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误 差小，伺服系统的位移精度愈高。通常，脉冲当量越小，机床的位移精度越高。 3 、跟随误差要小。即伺服系统的速度响应要快。 4 、伺服系统的工作稳定性要好。要具有较强的抗干扰能力，保证进给速度 均匀、平稳，从而使得能够加工出粗糙度低的零件。 4 2 加工中心交流伺服电动机的类型及其工作原理1 2 s l i 、交流伺服电动机的类型 在交流伺服系统中，交流伺服电动机可分为同步型伺服电动机和异步型感 应伺服电动机两大类。在迸给伺服系统中，大多数采用同步型交流伺服电动机， 它的转速是由供电频率所决定，即在电源电压和频率不变时，它的转速恒定不 变。目前在数控机床的进给伺服系统中多采用永磁式同步型交流伺服电动机。 永磁式同步型交流伺服电动机的主要优点有： 1 ) 可靠性高，易维护保养； 2 ) 转子转动惯量小，快速响应性好； 3 ) 有宽的调速范围，可高速运转； 4 ) 结构紧凑，在相同功率下有较小的重量和体积： 5 ) 散热性能好。 异步型交流伺服电动机为感应式电动机，具有转子结构简单坚固、价格便 宜、过载能力强等特点。交流主轴电动机多采用交流异步电动机。 2 、交流伺服电动机的工作原理 交流伺服电动机的转予是一个具有两个极的永磁体。当同步型电动机的定 子绕组接通电源时，产生旋转磁场( n s ，s s ) ，以同步转速n ，逆时针方向旋转。 根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极n s ( 或s s ) 紧紧吸住转子，以同步速n 。 在空间旋转。即转予和定子磁场同步旋转。 当转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角。增大： 当负载转矩减小时，o 角减小。但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟 着定子旋转磁场同步转动。此时转子的转速只决定于电源频率和电动机的极对 数，而与负载大小无关。 加工中心伺服电动机应与s i m o d r i v e 6 1 1 d 驱动系统相配套，故选择1 f t 6 系列交流伺服电动机，然后根据计算出负载转矩t l 和负载惯量j l 来确定具体 型号。 4 3 加工中心进给伺服系统设计分析2 4 3 1 进给伺服系统的数学模型及其定性分析 加工中心进给伺服系统，接受8 4 0 d 数控系统发出的位置与速度指令，驱 动执行部件在一定切削条件下进行加工。从控制系统的角度来看，位置指令是 系统的一个输入；与切削或使用条件有关的负载可以说是系统的干扰输入。执 行机构的位置是系统的输出。进给系统的特性主要是系统的静态特性，以及在 指令与负载作用下的动态特性。对加工中心进给系统特性进行分析时，主要分 析它的动态特性。 动态特性有两个方面：与输入指令有关的特性，即执行部件跟随位置指令 的特性，这就是执行部件的定位精度或直线与轮廓进给的精度；还有，执行部 件由于切削力等因素将产生静态的或动态的变位，因而降低了加工精度甚至产 生系统颤振。这两点是从加工精度和加工能力来考虑的。除此以外，还要求系 统必须是稳定的。 l 、位置控制器与速度控制器的数学模型 位置指d o 与实际位置反馈值d a 之差d = d o d a ，经数模变换与放大后， 变为速度指令电压u p 。位置控制单元的作用是一个比例放大环节，它的传递函 数为常数k n ，因此有 = h d = ( d o d ) hrd1 、 速度指令电压u p 与测速度发电机的速度反馈信号之差值为速度误差信号， 经速度控制单元变换放大后，获得交流伺服电机的电枢函数，它们的关系式是 u ：【 掣 h r 4 _ 、 式中，om ( t ) 一一交流伺服电机的角位移； k v 一一速度反馈环的增益系数。 这里，位置控制器与速度控制器都是采用比例控制，这是现今实际使用的 大多进给伺服系统所采用的控制策略。 2 、机械传动机构的数学模型 m a z a k 加工中心结构与坐标系如图4 4 所示。它主要应用于复杂曲面的 加工，适合于一次定位多工序零件，如箱体、发动机叶片等复杂轮廓的加工， 并且可获得高精度、高加工质量的要求。它是以伺服电机的角位移om ( t ) 作 为机械传动机械的输入，以执行部件的运动x o ( t ) 作为输出，所设计的机械 传动机构是多种多样的。但是采用交流伺服电机时，可以将电机通过联轴器与 滚珠丝枉直接相连，如图4 5 ( a ) 所示。 y 4 1 x 图4 - 4m a z a k 加工中心结构图与坐标系 如果因为结构的原理，或者要求放大力矩时，可以通过一对降速齿轮或链 传动将电机与滚珠丝杠连接起来，如图4 5 ( b ) 所示。滚珠丝杠螺母副驱动执 行部件带动工作台作直线运动。m a z a k 加工中心采用联轴器与滚珠丝杠直接 联接。 1 ) 机械传动机构的等效动力学模型 机械传动机构本身是一个动力学系统，它承受的外力有电机的输出力矩( 即 电磁力矩) m ( t ) ，切削抗力f c ( t ) ，导轨及传动件的固体摩擦力f 。及各传动 部件与导轨上的阻尼力。执行部件的质量m 作直线运动，各传动件作旋转运动， 有各自的惯性质量。 ( b ) ( h ) 4 5机械传动机构的模型 4 6 进给机械传动结构的动力学模型 为了分析计算方便，常将实际的传动机构简化成等效的动力学系统。图4 5 所示的传动机构可以简化成如图4 6 ( a ) 所示的在电机轴上的一个等效轴的扭 振系统。k l 是等效轴的扭转刚度，执行部件与各传动件的等效转动惯量为j l ， 所有摩擦力与切削力等效为负载转矩m l ，系统的等效粘性阻尼为b l ，机构的 输出角位移为ol 。m 。、! 。分别为机械传动机构的输入转矩与输入角位移。 另外，还可以将同一机械传动机构简化成如图4 6 ( b ) 所示的一个等效的 4 2 弹簧质量振动系统。将丝杠的转动惯量j s 以及丝杠与电机之间的传动件的转动 惯量j c ，作为电机轴上的负载惯量i ，丝杠对执行部件的传动力f 可以等效为 电机轴上的负载转矩f l 2 ，l 为丝杠的导程。传动刚度k 作为等效弹簧的刚 度。作用在质量为m 的执行部件上的外为有：切削抗力f 。，导轨上及传动件之 间的摩擦为f 。，以及弹簧驱动力( x x o ) k 。其相互关系如下： # ：专 岛：凡+ 凡 l = j 。+ j 2 ) 机械参量的折算 ( 1 ) 折算转动惯量与粘性阻尼系数 如图4 - 5 ( a ) ，( b ) 所示的机械传动机构，执行部件的质量m 按下面的公 式可以折算成丝杠上的转动惯量j 。 厶= 詈( 赤) 2( g 一8 2 ) ( 4 3 ) 用g d 2 表示时 厶。胁( g e 砰) ( 4 4 ) 式中，w 一执行部件的重量( g ) ； u 一执行部件的移动速度( c m m i n ) ； n 一丝杠的速度( r i n i n ) 。 如图4 5 ( b ) 所示的系统，当只考虑惯性负载与粘阻尼负载时，设i 轴的输入转矩为m l ，轴通过齿轮z 2 、z l 作用在i 轴上的转矩为m 2 ，则i 轴 的转矩平衡方程为 脚l = 口l + 8 l 口i + j i f 2( 4 5 ) 驱动i i 轴的转矩为m 2 2 2 ，z l ，i i 轴的负载转矩设定为m l ，则i i 轴的转矩平 衡方程为 象耽= 如魂+ 占2 d 2 + 地( 4 6 ) 山t4 - nj 式( 4 5 ) 、( 4 6 ) 中o1 、e2 为i 轴、儿轴的角位移；b l 、b 2 、j l 、j 2 为i 轴、i i 轴的粘性阻尼系数和转动惯量。 由几何关系e ：。z 2 z 。，有魂= ；- 爰，将a 。= 吼象，将。、。：与 式( 4 6 ) 代入式( 4 5 ) 有 肌，【 + ( 爱) 2 】；，+ 【丑。+ 曰：( 毫) 2 】吼+ 象帆 由上式可知i i 轴折算到i 轴后，i 轴上的总转动惯量为 “+ ( 笔) 2 i i 轴折算到i 轴后，i 轴上的总粘性阻尼系数为 玑她仙( 爱) 2 与此相似，将i 轴上的转动惯量或粘性阻尼系数折算到轴上，则l i 轴上 的总转动惯量 小 “( 象) 2 i i 轴上的总粘性阻尼系数 耽= 巩仙( 尝) 2 ( 2 ) 折算刚度系数 对如图4 - 6 ( b ) 的系数，如果只考虑弹性变形，i 轴的扭转变形为 锄= 警 i i 轴的扭转变为 翱= ( 慨卺) 偈 但是啮合齿轮的角度有其几何关系，如 仡；锄妻 故i i 轴的变形角1 l f2 在i 轴上的折算变形角为 却，l = 啦象 因此折算到i 轴上的总的变形角为 矿i + a 即；中，且 商= 鲁+ 鼍( 孙鲁+ 南 。， 由于i 轴的折算刚度i q ，i 轴上的转矩m 2 与变形角1 l r 之关系为 却= 誓 由式( 4 7 ) 及e 式。有 等刈亡+ 窃1 云e 击+ 齑 上式说明1 i 轴的刚度系数折算到i 轴上，也要乘以传动比( z l z 2 ) 2 ，这 相当于i 轴的弹簧与折算到i 轴上的弹簧相串联。串联级数更多的传动链的刚 度系数也可按此方法折算。 3 ) 机械传动机构的传递函数 有了机械传动机构的等效动力学模型，以及机械参量的折算值以后，便可 推导出系统的动特性方程和传递函数。对于图4 5 ( a ) 所示的动力学模型其转 矩平衡方程为 帆= 讹+ 蹈+ 帆 ( 4 8 ) 弹性变形方程为 帆= 也( 一色) 对以上两式进行拉氏变换得 帆( s ) = ( 邸2 + 鼬) 吼( s ) + 帆( s ) 帆( s ) = h 以( s ) 一吼( s ) 整理后可得 吣) ；嬲 ( 4 - 。) 如果以ol ( s ) 为系统的输出，b 。( s ) 为输入，m l 为扰动输入，则m l = o 的情况下el ( s ) 与o 。( s ) 之间的传递函数为 邮，舅2 赢 令厄瓦：纸，础瓦2 六，则上式可变成如下的标准形式 ，= 器= 去 图4 - 7 进给机械传动的结构框图 可见机械传动系统是一个固有频率为魏，阻尼比为幺的二阶系统，其结构 框图如图4 7 所示。 4 5 如果将机械传动机构简化为图4 6 ( b ) 所示的弹簧一一质量模型，其传递 函数将具有另外的形式。由