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专用数控铣床的研究设计 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名：XXX 指导教师：王秋晓 副教授 专 业：机械制造及其自动化 学科门类：工 学 重庆大学机械工程学院 二 O 一三年四月 Research and Design of the Special CNC Milling Machine A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Masters Degree of Engineering By Zhang Xiaohui Supervised by A. Prof. Wang Qiuxiao Specialty：Mechanical Manufacture and Automation College of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China April, 2013 中文摘要 I 摘 要 普通立式铣床铣削一定角度的圆弧时效率低下， 操作困难且互换性常常达不到 要求，易造成废品，不能满足工厂大批量生产的需求。本文设计了并研制出了一 种专用数控铣床，在保证一定加工精度的同时，实现了半自动化控制和双主轴加 工，极大地提高了生产效率。 本文首先介绍了专用数控铣床的加工工艺、坐标系和刀具补偿算法。根据飞轮 加工的要求，明确了加工过程及精度，设定了机床坐标系，包括机床原点、程序 原点、工件坐标系等。由于铣削的特点，在主轴加工时考虑到刀具半径，即刀补 问题，专门设计了刀具补偿算法，尽量减小主动误差。 其次，对专用数控铣床的整体结构、主轴系统、传动系统分别进行了设计，建 立了三维模型。考虑到加工的效率，系统采用了双主轴、双工位的特殊设计，本 质上区别于普通数控铣床。 另外运用 ANSYS 有限元仿真软件对主轴箱进行了模态 分析，得到了主轴箱的固有频率值和振型，验证了结构设计的可行性。 再次，设计了一种基于 ARM7 微处理器和 C/OS-操作系统的控制方案，即 由微处理器向机床电机系统提供控制信息，控制铣刀的旋转、工作台的进给以及 回转工作台的进给。检测电路中采用接近开关传感器和限位开关实时检测各坐标 运动情况并反馈到微处理器。另外，对专用数控铣床的控制系统软件的流程进行 了设计。 然后，为了保证系统的稳定性和可靠性，对设备的部分强电电路和电磁兼容性 进行了设计。 最后，完成了专用数控铣床的样机制造，包括嵌入式硬件平台、软件平台、强 电系统、主轴系统、传动系统、辅助系统等的建立和安装。并对整个铣床进行了 现场调试，验证了机床控制系统和结构设计的正确性和可行性。 专用数控铣床是一个高难度的机电一体化产品，涉及到众多学科领域，包括机 械设计技术，电工电子技术，传感器技术，信息处理技术，自动控制原理等。本 课题研制的专用数控铣床，可以极大地提高一定角度圆弧的加工效率和精度，对 于节省生产资源具有重要的意义。 关键词：关键词：双工位，刀具补偿，ARM7，电磁兼容 重庆大学硕士学位论文 II ABSTRACT Milling a certain Angle of the arc with the ordinary vertical milling machine is low efficiency, difficult to operate and the interchangeability often cannot meet the requirements and the needs of mass production. In addition, its easy to cause waste. To solve these problems, a kind of special milling machine tool is designed and developed. This machine achieves a semi-automated control and dual-spindle machining, which will greatly improve the production efficiency when the machining accuracy is guaranteed. This paper firstly introduces the process, coordinate system and tool compensation algorithm of the CNC special milling machine. According to the flywheel processing requirements, a clear process and the machine coordinate system that includes machine tools origin, the origin of the program, the work-piece coordinate system is set. Due to the characteristics of the milling, the tool compensation algorithm is designed to minimize the active error. Secondly, the overall structure, spindle system and the transmission system are designed. Taking into account the efficiency of the processing, a special double-spindle and double-position structure is designed, essentially different from the ordinary CNC milling machine. In addition to, the natural frequency of the spindle box is obtained according to modal analysis by using ANSYS, which verifies the feasibility of the design of the structure. Thirdly, a control plan based on ARM7 microprocessor and COS-II operating system is developed. The control information is sent by the microprocessor to the machine tool motor system to accomplish the cutter rotation, table feed and rotary feed. Switch sensors and limit switches are used to detect the movement of each coordinate and then fed back to the microprocessor. Furthermore, the process of the software is also designed. Then, high voltage circuit and electromagnetic compatibility is designed in order to ensure system stability and reliability of the machine tool. Finally, the prototype of special CNC milling machine tool is manufactured, which includes embedded hardware platform, software platform, high voltage system, the spindle system, transmission system and auxiliary systems. Entire milling site commissioning, verify the correctness and feasibility of the machine control system and 英文摘要 III structural design. CNC milling machine is a very difficult mechatronic products, involving many disciplines, including mechanical design technology, electrical and electronic technology, sensor technology, information processing technology, automatic control theory. The special milling machine tool this paper designed can greatly improve the efficiency and accuracy milling a certain angle arc and is of great significance in saving production resources. Keywords: dual-spindle, tool compensation, ARM7, electromagnetic compatibility 重庆大学硕士学位论文 IV 目 录 中文摘要中文摘要 . I 英文摘要英文摘要 . II 1 绪绪 论论 . 1 1.1 组合机床概述组合机床概述 . 1 1.2 国内外发展现状国内外发展现状 . 1 1.3 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 . 3 1.4 本篇论文的研究内容本篇论文的研究内容 . 3 2 专用数控铣床的专用数控铣床的工作工作原理原理 . 5 2.1 飞轮外圆圆弧加工工艺分析飞轮外圆圆弧加工工艺分析 . 5 2.2 圆弧成形算法分析圆弧成形算法分析 . 6 2.2.1 直角坐标系中的圆弧成形 . 6 2.2.2 极坐标系中的圆弧成形 . 9 2.2.3 圆弧成形坐标系选择 . 10 2.3 刀具补偿算法刀具补偿算法 . 10 2.3.1 刀具补偿的意义 . 10 2.3.2 刀具补偿算法 . 10 2.4 误差分析及补偿误差分析及补偿 . 11 2.4.1 误差来源 . 11 2.4.2 消除误差的方法 . 12 2.4.3 齿隙补偿 . 12 2.4.4 螺距补偿 . 13 2.5 本章小结本章小结 . 14 3 专用铣床机械结构设计专用铣床机械结构设计 . 15 3.1 机床设计的原则与要求机床设计的原则与要求 . 15 3.2 专用数控铣床的总体布局专用数控铣床的总体布局 . 16 3.3 主轴系统设计主轴系统设计 . 17 3.3.1 主轴转速的确定 . 17 3.3.2 切削力和切削功率的计算 . 17 3.3.3 主轴系统结构设计 . 18 3.4 专用铣床进给机构设计专用铣床进给机构设计 . 20 3.4.1 径向进给机构（X 轴） . 20 目 录 V 3.4.2 回转进给机构（C 轴） . 21 3.4.3 大工作台转位机构 . 22 3.6 夹具设计夹具设计 . 23 3.5 辅助系统设计辅助系统设计 . 23 3.6 主轴箱的模态分析主轴箱的模态分析 . 24 3.6.1 有限元法及 ANSYS 软件介绍 . 24 3.6.2 模态分析理论 . 25 3.6.3 主轴箱的模态分析 . 26 3.6.4 结果评价 . 29 3.7 本章小结本章小结 . 29 4 专用铣床控制系统的研究设计专用铣床控制系统的研究设计 . 31 4.1 铣床控制系统概述铣床控制系统概述 . 31 4.2 控制系统硬件总体设计控制系统硬件总体设计 . 31 4.3 机床电气电路设计机床电气电路设计 . 32 4.3.1 步进电机的控制电路设计 . 32 4.3.2 直流电机的控制电路设计 . 36 4.3.3 三相交流异步电机的控制电路 . 36 4.4 检测电路设计检测电路设计 . 37 4.4.1 有源滤波电路 . 37 4.4.2 光电隔离电路 . 38 4.5 控制电路设计控制电路设计 . 38 4.5.1 电源电路 . 38 4.5.2 复位电路 . 39 4.5.3 时钟振荡电路 . 40 4.6 软件设计软件设计 . 40 4.6.1 开发环境简介 . 40 4.6.2 加工程序流程设计 . 41 4.7 本章小结本章小结 . 43 5 电磁兼容设计电磁兼容设计及现场调试及现场调试 . 45 5.1 电磁兼容概述电磁兼容概述 . 45 5.2 设备的电磁兼容设计设备的电磁兼容设计 . 46 5.2.1 滤波设计 . 46 5.2.2 电源的电磁兼容设计 . 47 5.2.3 提高设备抗耦合干扰的措施 . 48 重庆大学硕士学位论文 VI 5.2.4 系统的接地设计 . 50 5.3 现场调试现场调试 . 51 5.3.1 样机组成 . 51 5.3.2 调试方法 . 54 5.3.3 调试结果 . 54 5.4 本章小结本章小结 . 55 6 结论与展望结论与展望 . 57 致致 谢谢 . 59 参考文献参考文献 . 61 附附 录录 . 65 A 攻读硕士学位期间所发表的论文攻读硕士学位期间所发表的论文 . 65 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 组合机床概述 组合机床是一种自动化或半自动化的机床， 它可以对一种或者一类零件进行多 轴、多刀、多工位的加工。它是由大量的通用部件以及少量的专用部件组合而成。 通用部件按功能可分为动力部件、支承部件、输送部件、控制部件和辅助部件五 类。动力部件是为组合机床提供主运动和进给运动的部件，主要有动力箱、切削 头和动力滑台。支承部件是用以安装动力滑台、带有进给机构的切削头或夹具等 的部件，有侧底座、中间底座、支架、可调支架、立柱和立柱底座等。输送部件 是用以输送工件或主轴箱至加工工位的部件，主要有分度回转工作台、环形分度 回转工作台、分度鼓轮和往复移动工作台等。控制部件是用以控制机床的自动工 作循环的部件，有液压站、电气柜和操纵台等。辅助部件有润滑装置、冷却装置 和排屑装置等12。 近年来，我国国民生产总值飞速增长，国家对机械类产品的需求也在不断的增 大。如何降低生产成本，提高经济效益，研制出配置灵活、具有一定加工柔性并 可满足同类型不同尺寸零件加工的高效机床己经成为了制造业的发展方向。为了 缩短产品的生产周期、提高其生产效率，对于需要重复工序加工的大批量零件生 产，组合机床的使用正在大范围的普及。 专用机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产 效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需 要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此专用机床兼有低成本和高效率的优点， 在大批、大量生产中得到广泛应用，并可用以组成自动生产线。 专用机床一般用于加工箱体类或特殊形状的零件。加工时，工件一般不旋转， 由刀具的旋转运动和刀具与工件的相对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰 孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外圆和端面等。有的组合机床采用 车削头夹持工件使之旋转，由刀具作进给运动，也可实现某些回转体类零件(如飞 轮、汽车后桥半轴等)的外圆和端面加工34。 1.2 国内外发展现状 我国组合机床及组合机床自动线总体技术水平比发达国家要相对落后， 国内所 需的一些高水平组合机床及自动线几乎都从国外进口。工艺装备的大量进口势必 导致投资规模的扩大，并使产品生产成本提高。因此，市场要求我们不断开发新 技术、新工艺，研制新产品，由过去的“刚性”机床结构，向“柔性”化方向发展，满 重庆大学硕士学位论文 2 足用户需求，真正成为刚柔兼备的自动化装备。 我国组合机床制造技术的发展大体经历了以下四个阶段: （1）引进消化，开创我国组合机床技术标准体系； （2）普及组合机床技术，发展形成行业； （3）组织科技攻关，努力提高组合机床技术水平； （4）柔性制造技术的发展，推动了组合机床传统制造技术的转变。 在国外，组合机床的发展迅速，在保证产品的质量、生产效率，性能等各种因 素的前提下，正大步向更高层次的方向发展。机床的配置形式现在越来灵活，加 工的精度也是越来越高，机械加工的效率也是越来越高。组合机床的主要发展动 态，主要有以下几个方面： （1）数控技术的广泛应用 传统组合机床的控制系统由继电器电路组成， 数控技术的出现使控制系统产生 了翻天覆地的变化，传统意义上的组合机床已逐渐具有一定柔性。以数控编程， 数控机床和数控加工技术为基础而发展起来的数字化制造与以 CAD(Computer Aided Design )和 CAE(Computer Aided Engineering )技术为核心的数字化设计相辅 相成。 利用编程方便、 可靠性高的可编程控制器 PLC(Programmable Logic Controller) 来设计主轴进给系统和工作滑台的工作循环可显著提高机床工作效率。现以各国 数控技术发展为例，20 世纪 90 年代初期，德国组合机床的数控化率己经达到了 32%39%;同一时期，美国大部分的汽车发动机制造企业已经开始采用了占 25%的 柔性生产系统 FMS (Flexible Manufacturing System )和占 25%的可调可变生产线 FTL (Flexible Transfer Line )， 数控化率达到企业总比率的一半。 数控技术的广泛应 用，保证了组合机床的工作可靠性，提高了加工精度及其生产效率。 （2）组合机床柔性技术的飞跃式发展 八十年代，国外的加工装备就己经具有了柔性的特点，就是对多品种、大批量 的生产的加工设备，运用了可变，可换，可调的方法。组合机床数控化的普及在 一定程度上促使了组合机床模块化的发展。一方面，大批量可被随时选择和更换 的数控通用件被设计出来，如数控回转台、数控十字滑台等；另一方面，与组合 机床专用部件相对应，研究制造出了与数控加工特点相匹配的各种专有部件，如： 数控机械手、编码随行夹具、可以更换式的多工位主轴箱等。组合机床模块化的 出现使得传统意义上组合机床的通用部件和专用部件都有了一定扩展，方便了柔 性化组合机床的设计，同时，机床的模块化也逐渐成为了数控化的重要基础，二 者相辅相成，极大的促进了组合机床柔性技术的发展。 （3）提高工序集中程度和自动化技术的应用 国外在自动化技术方面也有了很好的发展， 如德国公司的加工变速箱体的自动 1 绪 论 3 线。该自动线采用了电液控制阀控制，其长度达到了 18.2m，加工工位已有 12 个， 输送的最大重量也可达到 7000kg，输送的最快速度为 45.6m/min ,输送的步距为 1400mm，两步距间的输送时间也只有 25s。对于提高工序的集中程度，现代的技 术中还釆用组合机床加工中心、十字滑台、多坐标通用部件、移动主轴箱等技术 等都可以实现5-9。 1.3 课题研究背景及意义 飞轮是汽车发动机上的重要零件，一般是大批量加工。由于飞轮需要安装磁钢 片的原因，需在外圆上加工出一段圆弧。一般情况下有两种方案可以选择：一是 在传统单轴立式铣床上安装带有专用夹具的回转工作台，用手摇动工作台的蜗轮 蜗杆手柄以控制进给，得到指定角度的圆弧段；二是编制圆弧成形程序，在数控 铣床上完成圆弧段的加工。方案一劳动强度大，效率低，精度不易控制，方案二 虽然劳动强度不大，精度也能保证，但成本过高且功能富余。所以目前针对大批 量飞轮外圆的加工要求，迫切需要进行个性化、专门化的数控设备研制，低档简 易实用的圆弧加工设备开发势在必行。 在这一背景下诞生了本课题飞轮外圆圆弧加工专用数控铣床的研究设计。 该铣床采用双主轴、双工位结构及嵌入式系统控制，在保证一定精度的同时，操 作简便，成本低廉且效率比以上两种方案高数倍，具有实际的经济效益。同时， 为其它专用机床的设计提供了一定的借鉴价值。 1.4 本篇论文的研究内容 专用数控铣床的构成原理。根据飞轮加工的要求，明确了加工过程，设定了 机床坐标系。由于铣削的特点，在主轴加工时考虑到刀具半径，即刀具补偿问题， 专门设计了刀具补偿算法，尽量减小主动误差。另外，分析了机床主要的误差分 布，并给出了部分解决方案。 机械结构设计及关键部件模态分析。 对专用数控铣床的整体结构、 主轴系统、 传动系统分别进行了设计，建立了三维模型。系统采用了双主轴、双工位的特殊 设计，成倍提高了加工效率。运用 ANSYS 有限元仿真软件对主轴箱进行了模态分 析，得到了主轴箱的固有频率值和振型，验证了主轴系统结构设计的可行性。 专用铣床的控制系统设计。设计了一种基于 ARM7 微处理器和 C/OS-操 作系统的控制方案，即由微处理器向机床电机系统提供控制信息，控制铣刀的旋 转、工作台的进给以及回转工作台的进给。对主轴电机和进给电机的定位方案、 调速方案、控制电路等进行了深入研究。另外，对专用数控铣床的控制系统软件 的流程进行了设计。 重庆大学硕士学位论文 4 电磁兼容设计及现场调试。为了保证系统的稳定性和可靠性，对设备的电磁 兼容性进行了设计，完成了样机制造并进行了现场调试，基本达到了预期要求。 2 专用数控铣床的工作原理 5 2 专用数控铣床的工作原理 2.1 飞轮外圆圆弧加工工艺分析 图 2.1 飞轮零件图 Figure 2.1 part drawing of the flywheel 飞轮毛坯是铸铁件， 本文设计的专用铣床就是用于如图 2.1 所示的飞轮 44圆 弧面的加工。 技术要求： 弧面半径为 72mm，误差在 0.2mm 以内，粗糙度达到 3.2； 角度要求不高，允许一定的误差； 大批量加工，每个工作日加工量达到 700-800。 目前圆弧型面加工的方法可分为两类： 在普通铣床上用回转工作台铣削。手动安装带有专用夹具的回转工作台，用 手摇动工作台的蜗轮蜗杆手柄以控制进给，从而铣出圆弧面。此法劳动强度大， 生产效率低，不适合大批量加工。 用数控铣床铣削。随着数控机床的日益发展和普及，各种曲面的加工都能通 过插补算法在直角坐标系里实现加工，且精度和可靠性大为提高。但数控铣床的 成本较高，适合多种类小批量加工。 基于以上情况，本课题整合了以上两种方案的优点，设计出一种专用铣床，既 能实现数控，降低劳动强度，也适合大批量加工。 重庆大学硕士学位论文 6 技术要求显示圆弧面加工余量为 6mm，铣削可分粗铣和精铣，粗铣 5mm，精 铣 1mm。走刀路线如图 2.2 所示铣刀沿 A-B-C-D 方向逆铣。 图 2.2 进、退刀示意图 Figure 2.2 schematic of feeding and retracting 2.2 圆弧成形算法分析 圆弧成形的方案分为两种：一是在直角坐标系中用插补算法完成弧面加工；二 是在极坐标系中通过进给轴和回转轴的联动完成弧面加工。下面分别对两种算法 进行分析。 2.2.1 直角坐标系中的圆弧成形 圆弧插补（circular interpolation） ，即给出两点间的插补数字信息，借此信息控 制刀具与工件的相对涌动，使其按规定的圆弧加工出理想曲面的一种插补方式15。 在直角坐标系中运用较多的圆弧插补算法是逐点比较法，下面就逐点比较法圆弧 插补算法为例分析圆弧拟合程度。 直角坐标系： X 轴：工作台径向进给 Y 轴：工作台横向进给 Z 轴：主轴进给 逐点比较法每进给一步需要四个节拍，即： 偏差判别。判别偏差符号，确定加工点是在规定图形的外面还是里面。 坐标进给。根据偏差情况，控制 x 坐标或 y 坐标进给一步，使加工点向规定 图形靠拢，缩小偏差。 新偏差计算。进给一步后，计算加工点与规定图形的新偏差，作为下一步偏