（电力系统及其自动化专业论文）碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究.pdf

碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 r e s e a r c h e so nc o n t r o ls y s t e mo fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c ec o m p o s i t en c d r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t 一 一 一一 a b s t r a c t c a r b o nf i b e rr e i n f o r c ec o m p o s i t e ( c f r c ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ea v i a t i o n ， s p a c e f l i g h t ，a u t o m o b i l ea n do t h e ra r e a s a sa na d v a n c e dr e i n f o r c e dc o m p o s i t eu s i n gf o r m ， i t sn e c e s s a r yt oi m p l e m e ms e c o n d a r yp r o c e s sf o rc o m p l e xc o m p o n e n t ，s u c ha sc u t t i n ga n d g r i n d i n g c f r ci so n et y p i c a lk i n do fd i f f i c u l t - t o m a c h i n ec o m p o s i t e f o ri n s t a n c e ，t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fi ti ne a c hd i r e c t i o na r ed i f f e r e n ta n dt h es t r e n g t hb e t w e e n d i f f e r e n tl a y e r si sl o w ，i ti se a s yt oo c c u rd e l a m i n a t i o na n da v u l s i o nu n d e rt h ef o r c eo f c u t t i n gw h i l em a c h i n i n g i nr e c e n ty e a r s ，m a n yd e f e n s ei n d u s t r ye n t e r p r i s e sa r ed r i l l i n ga n dg r i n d i n gc f r cb y b e n c ho ra i rd r i l l ，m o s to ft h e s ea r em a n u a lo p e r a t i o n s i nt h e s ew a y ，w ef a c el o we f f i c i e n c y ， 1 1 i g hc o s ta n db a dp r o c e s s i n gq u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fd i f f i c u l t - t o - m a c h i n e o fc f r cf o rd o m e s t i ca e r o s p a c ei n d u s t r y ，o u rt e a mr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h ec a r b o n f i b e rr e i n f o r c ec o m p o s i t en cd r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t c a r b o nf i b e rr e i n f o r c ec o m p o s i t en cd r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n ti sat h r e e c o o r d i n a t es y s t e m ，w h i c hi sm a d eu po fm a c h i n ea n dc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o lo fs p i n d l e m o v et r a c ki sa c c o m p l i s h e db yt h r e ea x e s i n t e r p o l a t i o n t h eh i g hs p e e ds p i n d l ed r i v e k n i v e st od r i l la n d 面n dw o r k p i e c e c o n t r o ls y s t e mi st h ek e yo fw h o l es y s t e m i t sd u t yi s h a r m o n i z i n gt h es y s t e mw o r k t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e v i c em a i n l y a c c o r d i n gt om a c h i n i n gp r e c i s i o n ，c r a f t w o r kc o m p l e x i t y ，t h en u m b e ro fs e r v oa x e s a n do t h e rb a s i c a l l yr e q u i r e m e n t ，a d d i n gt op e r f o r m a n c e - t o p r i c er a t i oo fn cs y s t e m ，i t s u g g e s t e dt ou s es i e m e n ss i n u m e r i k8 0 2 dn cs y s t e mt oc o m p l e t et h ec o n t r o lf u n c t i o n t h i ss y s t e mi n c l u d ep a n e lc o n t r o lu n i t ，i n p u ta n do u t p u tu n i t ，m a c h i n ec o n t r o lp a n e la n d s e r v od r i v e rs i m o d r i v e61 1u e t h i sp a p e rd e s i g n e dt h em a i nc i r c u i ta n dr e l e v a n tc o n t r o l c i r c u i to fd e v i c e c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sd e v i c e ，i te x p a t i a t e dt h ei n i t i a l i z a t i o n c o u r s e ，s e tt h em a i np a r a m e t e r so fn cs y s t e m ，d e b u g g e dm o d e ls p i n d l ea n dc o d e dp l c p r o g r a mo fd e v i c em o v e m e n tc o n t r 0 1 t oe n s u r ed e v i c e ss a f e t yr u n n i n g ，t h ep r o t e c t i o n s y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e d ，s u c ha so v e r r u np r o t e c t i o na n dd u s td e f e n ds y s t e m b yt a k i n g m a t l a bs i m u l i n ks i m u l a t i o nf o rp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rs e r v os y s t e m ， p a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e dt oe n s u r et h es y s t e mh a sab e t t e rd y n a m i cc a p a b i l i t y t h i s i i 大连理工大学硕士学位论文 p a p e rb u i l tad e b u gs o f t w a r eo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rs e r v od r i v e rb y m a t l a bg u i b yi n s p e c t i o nt h ep r e c i s i o no fd r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t ，i tf i n dt h a ti t s p r e c i s i o ni sh i g h e rt h a nr e q u i r e m e n t u s i n gt h i sd e v i c et om a c h i n eap a s s e lo fc a r b o nf i b e r r e i n f o r c ec o m p o s i t ew o r k p i e c e s ，e f f e c ts h o wt h a td r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n th a s b e t t e rm a c h i n i n gq u a l i t ya n dp r e c i s i o nt h a nm a n u a l ，a n dc a l lb eu s e dt os o l v et h em a c h i n i n g d i f f i c u l to ft h i st y p ec o m p o s i t e ( t h i sd e v i c eh a sb e e nh a n d e do v e ri nm a y 2 0 ，2 0 0 8 ) k e yw o r d s ：c o n t r o ls y s t e m ；s i e m e n s8 0 2 d ；s e r v os y s t e m ；m a t l a b i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注衣致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士 学位论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。 作者签名： 麴廛 导师签名：够增器 大连理一i ：大7 u - 硕士学位论文 1绪论 1 1 碳纤维复合材料生产工艺及应用 由两种或两种以上不同化学性质的或不同组织相的物体，以微观或宏观的形式组 合而成的材料均可称为复合材料，这种新材料具有组分中任何单一材料所不具备的特 性。工程中常用复合材料一般由较强的、脆性的、高模量的材料和较弱的、韧性的、 低模量的材料组成。在复合材料中前者被称为增强体，后者被称为基体【l 2 j 。碳纤维复 合材料是以碳纤维作为增强体与树脂等基体复合而成的材料，在综合性能上它与铝合 金相当，但比刚度、比强度高于铝合会。 1 1 1 碳纤维复合材料的结构与特性 碳纤维复合材料构件与材料是同时形成的，一般不再由“复合材料”加工成复合 材料构件，具有材料、结构、工艺一体化特征，且结构的整体性好，可以大幅度减少 零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高可靠性。 碳纤维复合材料构件在形成过程中有组分材料的物理和化学变化，因此构件的性 能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时也由于在成形过程中很难准 确地控制工艺参数，使其性能的分散性较大。 碳纤维复合材料是叠合制成多层板，通常有两种复合形式，一种是碳纤维在基体 中成同向排列，即每层的纤维方向相同，通常称这种复合材料为单向纤维复合材料； 一种是各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。图1 1 ( a ) 、( b ) 为单向 复合材料侧面与表面照片，图1 1 ( c ) 为多向复合材料照片【3 j 。 ( b ) 图1 1 复合材料实物照片 f i g 1 1 p h o t o so f c o m p o s i t em a t e r i a l 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 1 1 2 碳纤维复合材料的应用 碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热 冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、战略性武器等领域已有 广泛的应用。图1 2 碳纤维复合材料在不同领域所占的比例【4 司。 图1 2 碳纤维复合材料在不同领域所占比例 f i g 1 2 t h e p r o p o r t i o no f c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e si nv a r i o u sf i e l d s 碳纤维复合材料在航空航天领域应用广泛。世界上8 0 年代以后进入服役的战斗 机，其机翼、尾翼等部件大多都采用了碳纤维复合材料。如第四代中德的f 2 2 复合材 料占结构重量的2 5 ，法国r a f a l e 占4 0 ，瑞典j a s 3 9 占3 0 ，欧洲e f 2 0 0 0 则大于 4 0 ，美国的杀手锏武器b 2 战略轰炸机占5 0 。在2 0 0 5 年服役的美国空军最新f 2 2 “猛禽”战斗机，复合材料占3 5 ，飞机蒙皮壁板、机翼中间梁、机身隔框、舱门和 其他部件等全部采用了碳纤维增强复合材料。民用机上的复合材料用量也有大幅度提 高。波音b 7 7 7 共用复合材料9 9 t ，占结构总量的1 1 ；“梦想飞机”b 7 8 7 用复合材 料将达5 0 ：a 3 8 0 大型客机可容纳乘客5 0 0 6 0 0 人，仅碳纤维复合材料用量就达3 2t 左右，加上其他各种复合材料，占用量在2 5 左右，开创了大型民机大量使用复合材 料的先河【7 1 。 1 2 碳纤维复合材料薄壁构件加工工艺 1 2 1 碳纤维复合材料j u t 存在的问题 碳纤维复合材料是一种新型结构材料，由于其自身特点，采用传统的方法加工存 在诸多问题【& 1 0 l 。尤其在碳纤维复合材料钻孑l 3 j u t，采用台钻或风钻钻孔，在控制 大连理工大学硕士学位论文 进给量方面比较困难，特别是快要钻透时，如进给量控制不当则易出现复合材料的分 层和撕裂，且孔的垂直度不好。 在钴削碳纤维复合材料时，孔加工的缺陷主要存在两类，一是几何精度缺陷问题： 孔的尺寸精度、位置精度不合格，圆度超差等几何缺陷，如孔形不圆、孔的尺寸收缩， 这些缺陷在金属零件制孔中也存在。二是如图1 3 所示，碳纤维复合材料钻孔的缺陷 是多方面的，主要表现在：孔出口撕裂和起毛；孔壁周围材料发生分层：孔壁 表面粗糙及微裂纹；入口劈裂。碳纤维复合材料$ f f l 存在的这些缺陷，也是碳纤维 复合材料制件连接和装配中导致报废的主要原因【l 卜1 2 】。 分层 圆度误差 图1 3 碳纤维复合材料孔加工缺陷 f i g 1 3 t h ed i s f i g u r e m e n ts k e t c ho fd r i u i n gc f r c 课题组针对碳纤维增强复合材料硬度大、发热严重，对切削力敏感等特点，自行 研制电镀超硬磨料钻磨组合刀具，对碳纤维复合材料进行钻孔加工实验，总结出“以 磨代钻”的新型电镀超硬磨料刀具进行碳纤维复合材料磨削工艺，实现碳纤维复合材 料的无缺陷加工。这种新型工艺在加工复杂工件的情况下，缩短了节拍时间、降低加 工时间，减少了加工工件所需用的刀具数量和相应刀库所占用的空间，节省了刀具的 购置费用，提高了工件表面质量和耐用度p 】。 1 2 2 碳纤维复合材料加工设备发展现状 目前进行碳纤维复合材料加工的设备主要高速台钻和风钴。现有高速台钻转速一 般在1 0 0 0 - 1 0 0 0 0r p m ，它是传统的钻削复合材料的装置。高速台钻用于钻削复合材 料的主要问题：转速较低，无法进行更高转速的钻削；主轴回转精度较差：台 钻本身为手动进给，无法进行精确的自动进给钻削。 风钻是机械化手工工具之一，是航空航天工业复合材料钻孔的常用工具。它速度 快、效率高、使用方便、安全可靠。功率一般为1 5 0 2 0 0 w ，空载转速最高达1 8 0 0 0r p m 。 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 风钻用于钻削复合材料的主要问题：功率小、矩频特性很差，钻削过程中主轴掉转 现象严重；风钻为手工工具，需要自己配置风钻固定装置和自动进给装置：主轴 回转精度较差。 北京航空航天大学对复合材料的钻削试验研究中【l3 1 ，研制了用于实验的高速钻削 试验台，有立式和卧式两种。卧式高速钻削试验台主轴最高转速可达2 4 0 0 0 r p m ，且转 速由零到最高转速连续可调；进给机构可实现1 4 4 0 m m m i n 无级可调自动进给。立式 高速钻削试验台主轴转速在o - 2 0 0 0 0 r p m 范围内连续可调；进给机构可实现2 6 6 m m m i n 无级可调自动进给。钻削碳纤维复合材料试验表明，回转精度高、工作性能稳定，采 集到的数据稳定可靠，各项技术指标均达到设计要求。但由于试验台采用8 0 3 1 单片机 做控制系统，系统功能单一，电机控制精度差，无法进行先进的数字化加工，且碳纤 维复合材料薄壁构件装夹困难，不适合于国内航天企业进行生产应用。 国内航天企业对碳纤维复合材料薄壁构件的加工主要包括端面钻孔、侧面钻孔、 端面磨削、侧面磨削、端面轮廓加工以及侧面开窗口等。然而以上几种设备都不能满 足该类构件的加工要求，为此必须研制一种适合于回转类碳纤维复合材料薄壁构件的 高速数控加工工艺装备。它应当具有适合碳纤维复合材料薄壁构件j n - r 要求的性能， 包括良好的矩频特性、高转速和高回转精度的主轴、自动进给、主轴转速和自动进给 量的连续可调等特性p j 。 1 3 课题的研究背景及内容 1 3 1 课题的研究背景 碳纤维复合材料已广泛用于航空、航天、汽车、体育、娱乐及其它领域。作为先 进复合材料的使用形态，除了一次整体成型的单纯产品外，对形状复杂的零部件成型 后进行切削和磨削等二次加工是必要的。这种需要二次；o n - r 的产品随着碳纤维复合材 料的广泛应用正在不断增加，尤其是碳纤维复合材料的零件与其它零部件装配连接时， 不可避免地要进行大量的机械加工，特别是孔加工。而碳纤维复合材料的薄壁构件价 格昂贵，要求的精度等级高。目前，国内众多军工企业和科研单位仍采用高速台钻和 风钻等传统的工艺设备对碳纤维复合材料构件进行手工钻孔和手工砂轮打磨，生产效 率极为低下，根本无法保证加工精度，导致废品率高，成品构件的成本进一步提高。 针对我国航天企业亟需的碳纤维复合材料薄壁构件高速、高精度的加工需求，本 课题组通过大量的实验研究，提出研制高速、高精度数控钻磨工艺装备，实现“以磨 代钻、代铣”的新型工艺，以解决火箭、导弹等各类航天器中由碳纤维复合材料制成 的大型薄壁筒类构件的加工难题。该课题来源于横向项目“碳纤维复合材料柱形 舱段数控高速钻磨加工装置研究”。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 课题的研究内容 本文主要针对高速、高精度数控钻磨装备的机电控制系统进行研究。论文的主要 内容包括： ( 1 ) 结合复合材料构件的特点和加工要求，分析钻磨装备的构成，设计机床本体， 并选择西门子8 0 2 d 数控装置完成设备的控制功能。以西门子8 0 2 d 为核心，设计装备 的机电控制系统，对数控系统进行初始化，按照碳纤维复合材料数控钻磨装备的运动 要求设置数控系统参数，采用分部式编程方式编制p l c 控制系统，实现设备的运动控 制和系统监控，设计装备的安全防护系统。并对系统数据进行备份。 ( 2 ) 通过分析永磁同步电机数学模型，确定电机的解耦状态方程和等效方框图。 分析永磁同步电机伺服驱动系统的电流环和速度环，在此基础上设计永磁同步电机伺 服驱动系统的s i m u l i n k 仿真模块，并利用g u i 设计伺服驱动器6 11 u e 调试软件，对 驱动器参数进行优化。 ( 3 ) 使用雷尼绍m l l 0 激光干涉仪对碳纤维复合材料构件数控钻磨装备的定位精 度和直线度进行检验。 ( 4 ) 使用碳纤维复合材料构件数控钻磨装备对复合材料构件进行加工实验，并对 加工效果进行分析，检验设备性能。 5 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 2 碳纤维复合材料数控钻磨装备机电控制系统构建 2 1 数控钻磨装备的组成 数控机床一般由输入输出单元、数控单元、可编程控制器、机床本体、主轴单元 和伺服系统等6 部分组成【1 4 】。碳纤维复合材料数控钻磨装备的组成如图2 1 所示。 图2 1 数控钻磨装备的组成 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f n cd r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t ( 1 ) 输入输出单元 输入输出单元是c n c 与外部设备、机床操作人员的通信单元。输入单元是数控 机床的信息输入通道，可将机床操作信息、零件加工程序和各种参数、数据送进n c 系统。输出单元数控机床的信息输出通道，可通过显示器、指示灯等输出机床工作状 态。 ( 2 ) 数控单元 数控单元是数控机床的核心与主导。它包含微计算机的电路、各种接口电路等硬 件及相应的软件。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数 控a nt 程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后， 输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 ( 3 ) 可编程控制器 它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速：控制主 轴正反转和停止、准停、回转工作台夹紧、主轴冷却等动作；还对机床外部开关( 限 6 大连理t 大学硕士学位论文 位开关、参考点开关、压力开关等) 进行控制；对输出信号( 指示灯、回转工作台等) 进行控制。 ( 4 ) 机床本体 根据碳纤维复合材料薄壁构件的材料特性、结构特点和加工要求，确定设备的结 构为回转类高速数控钻磨机床形式。它的基本构成主要包括：底座、回转工作台、立 柱、滑枕四大部件。具体三维设计模型见图2 2 所示。碳纤维复合材料构件立式装夹 在回转工作台上，可实现工件绕中心线的回转运动( c 轴) ；超硬材料刀具装在高速电 主轴上，可作左右位移( x 轴) ，上下位移( z 轴) ，其中x 轴、z 轴和c 轴可实现 三轴联动。 ( a ) a u t o c a d 示意图( b ) p r o e 模型图 图2 2 钻磨机床结构示意图 f i g 2 2 t h es t r u c t u r eo fd r i l l i n ga n dg r i n d i n ge q u i p m e n t ( 5 ) 主轴单元 主轴单元包括主轴驱动器、主轴电机及冷却系统。主轴驱动器必须有足够大的无 级调速范围，且两个转向中在任一个方向都可进行传动和减速。为提高机床的加工效 率和刀具利用率，要求主轴驱动既要能输出大的功率，又要结构简单。 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 由于工件需要进行端面和侧面加工，若装载两个电主轴将增加系统的复杂性和设 计成本，故采用“单主轴，双姿态的工作方式，即电主轴装在角转头上，由定位挡 铁实现精确的水平和垂直两种工作姿态。 ( 6 ) 伺服系统 伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、驱 动控制系统、位置检测与反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制 系统则是伺服电动机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为 位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置带动 工作台运动。 2 2 数控系统研究 2 2 1 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的 象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行 业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的作用。当前世界上数控技术 及数控机床的发展呈现如下趋势【1 5 - 1 6 】： ( 1 ) 高精度化 现代科学技术与生产的发展，对机械加工与测量提出了越来越高的精度要求。加 工精密化不只是发展高、新技术的需要，也是提高普通机电产品的性能质量、寿命和 可靠性的需要，同时还是为了减少机械产品装配时的修配工作，提高装配效率的需要。 故提高机床的加工精度是现代数控机床的发展方向之一。其精度已从微米级到亚微米 级，乃至纳米级( l o n m ) 。 ( 2 ) 运动高速化 高速是高效的基础，要提高生产率，首先就得提高切削速度。这正是机床技术发 展所追求的基本目标之一。而实现这个目标的最直接的方法就是提高切削速度、进给 速度、减少辅助时间。目前铣削的切削速度己达到5 0 0 0 , - 一8 0 0 0 m m i n 以上，主轴转速 达到3 0 0 0 0 、 1 0 0 0 0 0 r m i n ；工作台的移动速度，当分辨率为l l x m 时，在1 0 0 2 0 0 m m i n 以上。自动换刀速度在1 s 以内，小线段插补进给速度达到1 2 m r a i n 。 ( 3 ) 高柔性化 实践证明，采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产和供货 周期、并能对市场变化需求作出快速响应和提高竞争力的有效手段。柔性是指机床适 应加工对象变化的能力。传统的自动化设备，由于采用机械或刚性连接和控制，当被 加工对象变换时，调整很困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新或更换。数控机 8 大连理工大学硕士学位论文 床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对满足加工对象变换有很强的适应能力。 而且，在提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展。 ( 4 ) 高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，包括 物料流和信息流的自动化。2 0 世纪8 0 年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动 化已从“点 ( 单台数控机床) 、“线 的自动化( f m c 、f m s 、f t l 、f m l ) 发展到 “面 的自动化( 柔性制造车间) 。结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂 “体 的自动化。在国外已出现f a ( 自动化工厂) 和c i m s ( 计算机集成制造) 工厂 的实体。 ( 5 ) 高可靠性 数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其 高性能、高精度、高效率的优点，并获得良好的效益，还要取决于可靠性。数控系统 采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减 少元器件的数量，提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求， 同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化和系列化，使得既提高硬件生 产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊 断等多种方式实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报 警提示，及时排除故障；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电 等各种意外时，自动进行相应的保护。 ( 6 ) 智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发展，为适应制造业生产的柔性化、自 动化发展的需要，智能化正成为数控机床研究及发展的热点。目前采取的主要技术手 段有以下几个方面： 自适应控制技术：自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使 加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同 时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。可通 过监控切削过程中的刀具磨损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系统 反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。 专家系统技术：将专家的经验和切削加工一般规律与特殊规律存入计算机中， 以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削 参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率，降低对操 作人员的技术要求，缩短生产准备时间。 故障诊断技术：系统随时对n c 系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断 和检查。出现故障立即采取停机等措施，进行故障报警，提示发生故障的部位、原因 9 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 等，并利用“冗余 技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工 厂工作环境的要求。 模式识别技术：应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语 音命令进行加工。 ( 7 ) 开放式体系结构 2 0 世纪9 0 年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代， 世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的 新一代数控系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，实现声控自动 编程、图形扫描自动编程等。其新一代数控系统的硬件、软件和总线规范都是对外开 放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统 集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档 次、多品种的开发和应用。既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过 扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随 c p u 升级而升级，结构上不必变动，使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性和扩 展性，并向智能化、网络化方向发展。 ( 8 ) 网络化 为了适应f m c 、f m s 以及进一步联网组成c i m s 的要求，先进的c n c 系统为用 户提供了强大的联网能力，除有r s 2 3 2 串行接口、r s 4 2 2 等接口外，还带有远程缓 冲功能的d n c 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床 进行控制。数控机床为了适应自动化技术的进一步发展和工厂自动化规模越来越大的 要求，满足不同厂家、不同类型数控机床联网的需要，已配备与工业局域网( l a n ) 通信的功能及m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n p r o t o c o l ，制造自动化协议) 接1 2 ，为 数控机床进入f m s 及c i m s 创造了条件，促进了系统集成化和信息综合化，使远程操 作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。不仅利于数控系统生产厂对其产品的监控 和维修，也适用于大规模现代化生产的无人化车间，实行网络管理，还适用于在操作 人员不宜到现场的环境( 如对环境要求很高的超精密加工和对人体有害的环境) 中工 作。 2 2 2 数控系统的选择 数控系统堪称数控机床的“大脑”，如何为机床配置合适的数控系统及选择哪些 数控功能，一直是机床生产厂家和最终用户所最关注的核心问题之一。在设计选型中， 需要注意以下几点【1 7 - 1 8 】： 根据机床的几何结构、传动结构及其运动插补关系确定数控通道数( 坐标系个 数) 和伺服轴( 直线轴和回转轴) 个数，插补算法的选择等。 l o 大连理工大学硕士学位论文 数控钻磨装备具有两个直线轴和一个旋转轴，另外还有主轴系统。因此，数控系 统必须至少具有四个通道，且三个进给轴可以插补运动。 根据钻磨装备的精度要求确定数控系统的位置控制方式：开环半闭环全闭 环：以及对数控系统的多程序预读、光滑控制、轮廓优化等多方面的性能要求。 半闭环系统中包括的传动部件少，设计、调试难度稍小，且机床精度较开环系统 高，适合于钻磨装备使用。由于工件要进行轮廓j 口- r 等操作，轮廓优化和光滑控制功 能也是必须的。 根据设备的) b n - r 范围和规格确定各个数控轴的行程，同时通过对零件加工工艺 和工序流程的分析，确定合理的轴进给速度和主轴转速，进而确定电机型号。 碳纤维复合材料数控钻磨装备x 轴有效行程5 8 0 m m ，进给速度0 1 0 0 0 m m m i m z 轴有效行程8 0 0 m m ，z 轴进给速度0 一1 0 0 0 m m m i m 回转工作台直径* 1 0 0 0 m m 。 根据加工工艺中精度要求，进给轴选用西门子1 f 7 k 系列永磁同步电机；并选择配套 的s i m o d r i v e6 11 u e 伺服驱动器，并为其配置2 个功率模块( 单轴+ 双轴) 。 课题组通过实验研究发现，当刀具的线速度达到3 m s 左右时，加工效果最好。构 件的加工包括不同直径( 0 4 一0 8 ) 的孔加工，即需要不同直径的刀具，因此主轴转速 必须连续可调。故钻磨机床必须使用高速电主轴，且主轴转速在6 0 0 0 1 8 0 0 0 r p m 范围 内连续可调。电主轴选择无锡市荣华机械制造有限公司生产的r h l 0 0 d x 型号主轴， 功率3 k w ，最高转速可达2 4 0 0 0 r p m 。 根据设备的控制动作及其复杂程度，确定数控系统的的档次要求( 包括内置 c p u 个数，可扩展的外部i o 点数以及多任务处理能力等) 。 数控钻磨设备加工动作包括钻孔、磨端面以及轮廓加工等，机床动作复杂，输入 信号多而输出信号少，可选择具有功能强大的c p u 且i o 端口输入较多的经济型数控 系统。 碳纤维复合材料构件数控钻磨装备是为航天某院专门设计的数控装备，根据数控 系统性价比、工艺复杂度、用户加工精度要求等因素最终决定使用西门子s i n u m e r i k 8 0 2 d 数控系统。 德国西门子公司生产的s i n u m e r i k8 0 2 d 型数控系统是西门子公司自动化与驱动集 团于1 9 9 9 年1 0 月第一次公开推出的。它的出现表示作为一个标准的数控产品，在高 性能的数控系统( 如8 1 0 d 、8 4 0 d 等) 和经济型数控系统( 如8 0 2 s 、8 0 2 c 等) 之间 架起一道桥梁，从而构成了西门子数控系统全方位的解决方案。 ( 1 ) 西门子8 0 2 d 系统组成 西门子s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统由面板控制单元、p p 7 2 4 8 输入输出单元、机床 控制面板和伺服驱动器s i m o d r i v e6 11 u e 等四部分组成1 1 9 1 。系统各部件之间协同工作， 共同完成对钻磨装备的控制。8 0 2 d 数控系统框图如图2 3 所示。 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 8 0 2 d 面板控制单元 编码器信号 n c 键盘il伺服驱动器il输入输出单元 刻国国围吲引 小 型 手 持 单 一 兀 面板控制单元( p c u ) 是s i n u m e r i k8 0 2 d 数控系统的核心，它将所有c n c 、p l c 、 h m i 和通讯任务集成与一体。系统具有键盘接口、p r o f i b u s 接口、串行接口和最多三 个手轮接口，通过这些接口可以实现p c u 、p p 7 2 4 8 、s i m o d r i v e6 1 1 u e 三者之间，以 及c n c 与p c 机之间的通信。 输入输出模块p p 7 2 4 8 为p l c 部分提供了7 2 点数字输入和4 8 点数字输出。 系统控制信号、限位开关信号、冷却泵报警信号、急停信号等外部信号均通过p p 7 2 4 8 的三个5 0 芯扁平电缆接口x 1 1 l 、x 2 2 2 、x 3 3 3 输入到p l c 中，且p l c 程序输出信号 也经这些接口输出。p l c 系统中，输入信号和输出信号均以绝对地址方式寻址，因此 三条扁平电缆均有自己的地址。x 1 11 对应2 4 位输入( 1 0 0 1 2 7 ) 和1 6 位输出 ( q o o q 1 7 ) ；x 2 2 2 对应2 4 位输入( 1 3 0 1 5 7 ) 和1 6 位输出( q 2 o , - q 3 7 ) ；x 1 11 对应2 4 位输入( 1 6 0 1 8 7 ) 和1 6 位输出( q 4 o q 5 7 ) 。 机床控制面板( m c p ) 是机床的操作部分。m c p 除了包括通用机床操作所需的 按键之外，还有6 个用户自定义键以及6 个发光二极管。其按键布局和功能如图2 4 、 2 5 所示。m c p 通过两个5 0 芯扁平电缆接口x 1 2 0 1 、x 1 2 0 2 与p p 7 2 4 8 模块相连接。 扁平电缆接口信号排列关系如表2 1 所示。 1 2 碳纤维复合材料数控钻磨装备控制系统研究 表2 1 扁平电缆接口信号排列 t a b 2 1 s i g n a la r r a n g e m e n to ff l a tc a b l ei n t e r f a c e m c p 对应的按键 输入字节0 ：对应按键# 1 - - # 8 输入字节1 ：对应按键# 9 , 4 4 1 6 x 1 2 0 1 输入字节2 ：对应按键# 1 7 一# 2 4 输出字节0 ：6 个对应于用户白定义键的发光二极管 输入字节3 ：对应按键# 2 5 - - - # 2 7 输入字节4 ：对应进给倍率开关( 5 位格林码) x 1 2 0 2 输入字节5 ：对应主轴倍率开关( 5 位格林码) 输出字节1 ：保留 s i m o d r i v e6 11 u e 伺服驱动系统和交流伺服电机是c n c 的执行单元。6 11 u e 包括电源模块、功率模块、控制板模块以及其它可选模块( 如用于p r o f i b u s 总线连接 的p r o f i b u s 模块) 。利用s i m o d r i v e6 11 u e ，西门子公司提供了数字化的驱动系统来满 足机床在动态响应、速度调整范围和旋转精度特性等方面的要求。所需的模块，如电 源模块和功率模块，要根据电机的大小来选择。其作为双轴或单轴使用，取决于6 1 1 u e 插入的功率模块；如果功率模块是双轴，则该6 11 u e 按双轴使用；如果功率模块是单 轴，则该6 1 1 u e 按单轴使用。功率模块接口如附录a 所示。 ( 2 ) 西门子8 0 2 d 系统的主要功能 西门子8 0 2 d 数控系统的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必 备的功能，选择功能是用户根据机床特点和用途进行选择的功能。其主要功能如下： 进给轴监控功能 监控功能又分：运行监控、编码器监控、静态极限监控、补充条件等。而运行监 控又包括轮廓监控、定位监控、零速监控、夹紧监控、转速与给定值监控等。监控功 能实现和确保c n c 在执行程序的过程中有故障发生或超过事先设定的极限值时都能 够及时得到处理，包括停止运行并产生故障报警信号。 速度设定值实际值系统及闭环控制 为了实现对进给轴速度的控制，c n c 提供了速度设定值实际值转换的窗口。 通过联接到电机轴头上的编码器获得电机的实际速度，它将被转换成c n c 程序化的 数字速度信号与速度设定值相比较，构成闭环控制。 手动操作 1 4 大连理工大学硕士学位论文 8 0 2 d 数控系统提供了手动操作功能，在机床安装、定位精度、j o g 方式以及修 调、机床功能测试等时使用这个功能。在手动方式可以通过p l c 接口控制手动运行。 程序运行功能 程序运行是指在自动方式a u t o m a t i k 或m d a 方式下执行零件程序或程序段。 在程序运行期间可以通过p l c 接口信号影响程序运行。程序运行功能又包括：操作方 式及运行方式的转换；各种运行方式下的功能选择、监控、程序运行时无进给轴动作、 程序单段运行、程序段跳跃、零件程序执行与选择、中断、复位、程序控制状态等等。 补偿功能 在对工件进行加工时，由于测量系统、力和传递过程会产生差错，使得加工轮廓 偏离理论的几何曲线导致机床的加工精度下降，在n - r 大型的工件时，由于温差和机 械力的影响使加工精度的损失更为严重。其中部分偏差在调试机床时进行测量，从而 在运行中加以补偿。补偿功能主要有：反向间隙补偿；丝杠螺距误差补偿；自动漂移 补偿等。 输出p l c 的辅助功能 在机床上加工工件时，c n c 利用零件程序可以事先设定坐标轴加工位置和插补方 式，也可以设置进给速率、主轴转速等功能，另外还可以设置一些对机床附属设备进 行控制的辅助功能输出