（机械电子工程专业论文）车磨复合机床的开放式数控系统研究.pdf

摘要 摘要 凸轮由于其复杂的外形轮廓和精度要求导致加工比较困难，为了提高了其加 工精度，减少重复定位产生的误差，因此采用车磨复合加工技术，一次装卡完成 二道加工程序。本文主要对机床的开放式数控系统进行了研究。 首先从当前数控车磨复合机床的国内外发展状况出发，结合具体的数控凸轮 轴机床的设计要求，介绍了车磨复合数控凸轮轴磨床的总体结构和数控系统的工 作原理等内容。 根据以前的研究成果，推导了车削二轴联动和平底直动从动件凸轮磨削二轴 联动数学模型。 根据现代机床界面的设计形式，设计了人机交换界面，界面程序采用数组形 式，功能消息触发通过句柄发送消息，功能扩展容易，调用效率高。 数控系统软件采用模块化设计，根据数学模型，采用v c + + 主要编写了车削 模块、磨削模块和监控模块。其中编写了g 、m 代码转换程序，车削时输入的g 、 m 代码能通过转换程序被p m a c 识别。磨削程序根据输入的升程序表、基圆半径、 磨削圈数等参数，通过建立的数学模型软件处理计算出磨削联动坐标程序。外圆 磨削使得机床的功能多样化。 软件系统和运动控制卡之间通过p m a c 提供的动态链接库建立通信，实现指 令的在线发送和代码下载。采用多线程和双端口技术采集p m a c 的数据，实时显 示运动状态和设备运行情况。 对机床的硬件系统做了一些调试工作。主要包括伺服电机、光栅、驱动器的 调试工作，特别是p i d 的调节，使实验台的电机得到了很好的运行效果，并且对 自定义p i d 进行一定的研究。 为了提高精度，分析了p v t 算法应用原理与方法，并且进行了实验，从实验 结果可以看出p v t 插补能精确的控制速度和运动时间，可以解决凸轮磨削中的恒 线速磨削问题。通过实际测量和补偿x 轴的定位误差，使x 轴的定位精度大大提 高。 最后对前期工作进行中存在的问题进行了分析和总结，探讨了下一步研究的 方向，为后续的工作提供了借鉴意义。 关键词：车磨复合机床；数控系统；p m a c ；p i d 调节；p v t 插补 a b s t r a c t a b s t r a c t c a md u et oi t sc o m p l e xs h a p ea n dc o n t o u rm a c h i n i n ga c c u r a c yl e dt om o r e d i f f i c u l t y ，i no r d e rt oe n h a n c ei t sm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c y , r e d u c et h ep o s i t i o n i n g e r r o rc a u s e db yt w of i x e dt i m e s ，i tu s e dt ot u r n i n ga n dg r i n d i n gi n t e g r a t e dt e c h n o l o g y , c o m p l e t e dt w om a n u f a c t u r ep r o c e s s e sw i m o n e f i x i n g t l l i sp a p e rm a i n l yt or e s e a r c h t h eo p e n i n gu po fc n cm a c h i n et o o ls y s t e m s 。 f i r s t ，b a s e d o nt h ec u r r e n tc n ce a m s h a t t g r i n d e rc a m s h a f tg r i n d i n g t e c h n o l o g y 、d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a da n dt h en c c a m s h a f tgr i n d e rs p e c i f i c d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，s i m p l ei n t r o d u c et h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fc n c s y s t e m b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h , d e d u c ef l a t - b o t t o ms t r a i g h tf o l l o w e rc a mg r i n d i n g t w o a x i sm a t h e m a t i c a lm o d e l a c c o r d i n gt om o d e r nc u r r e n tm a c h i n eu s e ri n t e r f a c ed e s i g nf o r m s ，d e s i g nt h e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i no r d e rt oc h a n g e se a s i l ya n da d v a n c ee f f i c i e n c yi n t e r f a c e u s i n ga na r r a yo ff o r m s ，f u n c t i o n sa c tb ys e n ti n f o r m a t i o nt ot h em a i np r o g r a mw i t h h a n d c n cs y s t e ms o f t w a r ei sm o d u l a ri nd e s i g n ，i na c c o r d a n c ew i t hm a t h e m a t i c a l m o d e l ，d e s i g nt u r n i n gm o d u l e ，g r i n d i n gm o d u l e ，c y l i n d r i c a lg r i n d i n gm o d u l ea n d c o n t r o lm o d u l ew i t hv c + + d e s i g nt h ega n dmc o d ec o n v e r s i o nm o d u l e ，t u r n i n g t h egc o d ei n p u tc a na u t o m a t i c a l l ys w i t c ht op m a cp r o c e s s i n gc o d e g r i n d i n g p r o c e d u r e sa c c o r d i n gt oi n p u tp a r a m e t e r s c a l c u l a t e d g r i n d i n gp r o c e s st h r o u g h s o f t w a r e p r o c e s s i n g c y l i n d r i c a lg r i n d i n g m a c h i n em a k e st h ef u n c t i o no f d i v e r s i f i c a t i o n s o f t w a r es y s t e m sc o m m u n i c a t ew i t hp m a ct h r o u g ht h ed y n a m i cl i n kl i b r a r y a n da c h i e v eo n l i n ei n s t r u c t i o n s t os e n da n dd o w n l o a dc o d e m u l t i - t h r e a d i n g t e c h n o l o g ya r eu s e dt or e a dd u a l - p o r tp m a cd a t a , d i s p l a yr e a l - t i m em o v e m e n ta n d e q u i p m e n to p e r a t i o n s o m ew o r k sa b o u tt h em a c h i n e sh a r d w a r ed e b u g g i n gs y s t e mh a v eb e e nd o n e i n c l u d i n gd e b u gs e r v om o t o r s 、g r a t i n g 、m o t o rd r i v e ra n ds oo n ，i np a r t i c u l a rt h e d e b u g g i n go fp i d ，m a k em o t o r sh a v eag o o dr u n n i n ge f f e c t ，a n da l s od o n es o m e r e s e a r c hw o r ka b o u tu s e r d e f i n e dp i d i i a b s t r a c t 一 i no r d e rt om a p r o v e a c c u r a c y , a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so fa p p l i c a t i o no f p v t ，a n dh a v e d o n es o m ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t sp r o v ep v t c a i lp r e c i s e l yc o n 仃o l t h es p e e da n dt h et i m eo fm o v e m e n t ，c a l ls o l v et h ec o n s t a n t - v e l o c i t y 星五n d i n g p r o b l e i l lm t h ec a mg r i n d i n g p r o c e s s m e a s u r ea n dc o m p e n s a t et h ex a x i sp o s i t i o n e r r o r , t h ex - a x i sp o s i t i o n i n ga c c u r a c yh a sb e e ng r e a t l yi n c r e a s e d f i n a l l y ，s u m m a r i z et h ep r e l i m i n a r yw o r ka n d p o i n to u tt h ep r o b l e m sn l a te x i s ti n t h es t u d ya n dd i s c u s sw o r k so ft h en e x t s t e p k e yw o r d s ：t u r n i n ga n dg r i n d i n gc o m p l e xm a c h i n e ；c n cs y s t e m ；p m a c ；p i d a d j u s t ；p v ti n t e r p o l a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：亩7 动 拟g 年户月，o 日 硅j 酩陪戤芜薷签享j - 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：别锄 2 l j 。g 年j 月，p日 第1 章目录 1 课题背景与来源 第1 章概述 国务院颁布的“国家中长期科学和技术发展规划纲要”和“国务院关于加快 振兴装备制造业的若干意见”两个文件中，明确提出了要在1 6 个重点关键领域 实现技术突破，高档数控机床的发展就是这1 6 个关键领域中重点突破的重要内 容。温家宝总理在2 0 0 7 年9 月7 日视察大连机床集团时指示：“数控机床的水 平是一个国家机械化、现代化的重要标志，代表着一个国家的科学水平、创新 能力和综合能力，中国要成为生产数控机床的大国。” 国家把发展数控机床和机床行业的重要性提高到国家地位和科学水平这样 前所未有的高度，数控机床作为实现国家现代化的重要装备，越来越受到国家 的重视。目前，中国数控机床虽然水平在不断的提高，产量也不断的增长，但 距离数控机床大国的要求差距还很大。数控机床中主要还是中低档的产品，真 正中档的产品比例也不高，在国际市场上占据的份额还不多，尤其是在中档机 床的可靠性、稳定性和使用寿命方面我们存在的差距就更大了。 多功能复合加工数控机床简称复合机床，或称为多功能加工或完全加工机 床。复合机床的含义是在1 台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加 工。从2 0 世纪7 0 年代以来，出现了以旋转刀具做主切削运动的主要用于镗铣 加工的加工中心和以工件旋转做主运动的主要用于车削加工的车削中心，这两 类多功能的数控机床在推进数控机床的工序集中的工艺方法上发挥了重要的作 用。但对于比较复杂的零件它的功能范围尚不足以完成从毛坯至成品的全部工 序加工，因而还不能充分提高在单件和中小批量生产条件下的生产效率，且由 于工件在多台机床间的转移增加了安装误差，也不利于加工精度的稳定性。 为此，加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链 节约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效。复合数控机床可以减少 在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常 这些时间占零件整个生产周期的4 0 - 6 0 ，即使在信息管理良好的情况下，仍 将占2 0 左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。 复合数控机床根据其结构特点，可以分为如下两类： ( 1 ) 跨加工类别的工艺复合数控加工机床。该类机床主要体现为刀具回转 加工、工件回转加工或特种加工等多类功能的复合。因而在机床结构上要体现 对不同加工方式的需求。目前常见的有车铣中心、镗铣中心和铣削一激光加工 第1 章目录 机床等。( 2 ) 多面多轴联动加工的工序复合数控机床。 汽车工业作为很多发达国家的支柱产业，其发展带动了国家经济的各个方 面的快速发展，尤其是制造业的发展，随着我国综合国力的增强，我国的汽车 工业也在逐步的壮大，尤其是轿车工业方面也有了很大的起色，汽车工业也逐 渐的国产化，在此过程中有很多问题和难题需要解决，其中作为汽车发动机核 心部件的凸轮轴的磨削加工就是急待解决的关键技术难题之一。 凸轮轴是内燃机主要的部件之一，其加工质量的好坏严重影响着发动机的 动力性能，我国凸轮轴加工大多都是在凸轮轴仿形磨床上进行的，提高加工精 度的主要思路之一就是提高凸轮靠模的精度，然而这项工作比较复杂、周期长、 造价高，而且需要丰富的实践经验，其加工精度和效率已远远不能满足现代化 工业发展的要求。国外一些工业发达的国家从8 0 年代开始，逐渐应用数控凸 轮轴磨床来满足生产要求。但是数控凸轮轴磨床技术含量高，目前仅有少数几 个国家能够掌握这项技术，而我国一直是依靠进口此类设备满足国内工业发展 的需求。为此，研制开发数控凸轮轴磨床设备，特别是对其中的关键技术进行 研究对我国国民经济发展具有重要的意义。 1 - a 课题是北京市教委重点项目“高效复合车磨加工设备数控系统及智能控制 关键技术研究 中的一部分，其目的就是跟踪国外凸轮轴加工技术，自主创新， 将车削和磨削复合到一台机床上，使得凸轮轴加工一次装卡就能完成车削和磨 削二道工序，提高了精度。从国情出发，深入探索数控凸轮轴车磨复合机床的 国产化技术，充分利用计算机技术和人工智能技术，使数控凸轮轴车磨复合机 床的数控系统向智能化、开放化方向上发展，从而达到振兴本国汽车制造业的 目的。 1 2 国外复合数控机床发展现状 围绕着数控机床向高速、高精度、高效和柔性化发展的总体技术目标，当 前数控机床主要向以下五个方面迈进：( 1 ) 发展高速切削；( 2 ) 大力推进以缩短 加工过程链为目标的复合加工技术，通过复合数控机床进一步提高加工效率； ( 3 ) 对于中批、大批生产，以数控机床为核心的柔性生产线，并在可重组制造 技术支持下构建制造系统；( 4 ) 数控机床的工作精度正以平均每年提升8 1 0 的速度向亚微米级精度迈进；( 5 ) 机床的绿色设计和制造是以减少对环境污 染和节省能源为重点，并促使机床结构作相适应的发展。 其中复合加工技术是目前广泛研究的一个重要领域。工序复合和工种复合 是机床集成制造技术发展的基本点，在一次装卡下完成零件的全部加工，一台 2 第1 章目录 复合机床将取代几台甚至十几台机床势不可阻挡的趋势，因此研究其关键技术 刻不容缓，复合加工技术是制造技术发展的一个趋势。复合加工不但可以缩短 加工时间，提高加工精度，而且能缩短生产周期，提高生产效率。 2 0 世纪8 0 年代中后期，随着加工中心的功能和结构不断的完善，开始出现 车削中心、磨削中心等，充分显示了工序集中的数控机床的优越性。机床的复 合化突破了传统的机加工观念，改善和提高了加工技术，有效地提高了数控机 床的加工精度和加工效率，符合未来机床市场需求的发展趋势。世界机床市场 正朝着高速、高精、复合、智能、环保方向发展。复合加工是一种先进的制造 技术，近几年，复合加工技术以较快的速度向前发展。世界领先的m a z a k 、d m g 和d a e w o o 等机床制造商正在争相研发和制造符合未来加工理念的概念机床 并推向市场，生产出了复合车铣加工中心，能够具有9 个以上的数控控制轴， 是应用多种高精尖技术的复合体，能够真正实现高速、高精、复合、智能和环 保的现代加工要求。其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发， 引导着数控机床技术发展，如美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对用于汽 车工业和航空工业高速数控铣床的发展，日本牧野公司对高效精密加工中心所 作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床方面的开发，以及日本 马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等。【4 】 机床的复合化主要表现在两个方面，一是功能的扩展，如数控车床从单主轴、 单刀架进行功能扩展为双主轴、双刀架结构；二是功能的复合，即将车、磨、 铣、钻、镗等各种工艺分别组合起来，在一台机床上体现。复合机床大致可分 为以下几种： ( 1 ) 以车削为基础的复合加工机床，如德国i n d e x 公司的t r a u bt n x 6 5 多功能数控车削中心；德国d m g 公司的t w i n 6 5 双主轴车削中心；奥地利 w f lm i l l t u mt e c h n o l o g y 公司的m 1 2 0 五轴车铣中心；日本o k u m a 公司的m a c t u m 5 5 0 一2 s w 双主轴五轴车铣中心；日本m a z a k 公司的i n t e g r e x l 0 0 i i i s t 双主轴5 轴车铣复合中心。 ( 2 ) 以铣削为基础的复合加工机床，如日本m a z a k 公司的 i n t e g r e x e 8 0 0 v 5 五轴卧式铣车中心；意大利m i l a n e s e 公司的n t x i 铣车复 合中心。 ( 3 ) 以磨削为基础的和磨头回转式( 或可换式) 复合加工机床。瑞士 m a g e r l e 公司的m g r 立式车磨复合加工机，机床上方配有多个磨头和一个 车刀架，可以对零件进行磨削和精车；日本森精机制作所的i g v - 3 n t 磨头可回 转式立式磨床，可在一次装卡下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士s t u d e r 公司的$ 3 3 万能数控磨床，可以在一次装卡下实现多线螺纹加工和内外圆、端 第1 章目录 面加工。 目前国外一些厂家已经有较成熟的车磨复合加工设备，如s c h a u d t 制造的 s t r a t o s 系列数控车磨复合加工中心，可以一次装卡完成车削加工和内、外圆的 磨削加工，但是国外的设备价格昂贵，且对其关键技术进行封锁，尤其是对先 进数控技术的封锁更为明显。 1 3 国内发展现状【5 】 从上世纪8 0 年代起，机床制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机 床一直给予较大的关注。经过“九五”数控车床和加工中心( 包括数控铣床) 的产 业化生产基地的形成，所生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面 已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相 比，仍存在较大差距，这是由于欧美日等先进工业国家于8 0 年代先后完成了数 控机床产业进程。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。 表1 1 以4 0 号刀柄的中型加工中心为例，列出国内外先进产品主要技术指标， 由此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明显差距。 表1 1 中型加工中心主要技术指标对比 项目 国内 外国 主轴最高转速6 0 0 0 一- - 10 0 0 0 1o o o o 4 0 0 0 0 r m i n 1 快移速度 2 4 3 06 0 9 0 m m i n - 1 金属切除率 2 0 0 3 0 04 0 0 - - 6 0 0 4 5 钢( c m 3 m i n 一1 ) 定位精度r a m ( 全 o 0 l o 0 1 60 0 0 4 - 0 0 0 6 行程) 重复定位精度 o 0 0 5 o 0 0 80 0 0 2 o 0 0 3 m m 平均无故障运行 5 0 0 6 0 0 1 0 0 0 时间m t b f h 但是我国的机床行业规模发展速度非常快。2 0 0 6 年机床行业完成工业总产 值1 6 5 6 亿元，同比增长2 7 1 ，和2 0 0 1 年相比，提高了近3 倍；产品销售收入 1 5 8 6 亿元，同比增长2 6 4 ；机床产值7 0 6 亿美元，数控金切机床产量8 6 万台， 4 第1 章目录 是2 0 0 1 年的5 倍。2 0 0 7 年1 8 月，我国机床工具行业4 0 4 0 家企业统计工业总 产值1 6 7 3 亿元，同比增长3 3 3 ；产品销售收入1 6 0 1 8 亿元，同比增长3 4 7 ； 金切机床产量3 9 0 1 3 6 台，同比增长1 0 6 ，其中数控金切机床7 4 2 9 5 台，同比 增长3 2 3 。由于市场需求拉动强劲，2 0 0 7 年我国机床工具行业经济运行继续保 持快速发展的态势，形势喜人，预计2 0 0 7 年机床工具行业产值能达到2 0 0 0 亿元， 数控机床产量能达到1 0 万台。 中国机床产品产值在世界上的排名从2 0 0 0 年第九位，到2 0 0 5 年上升为第三 位。而在机床消费方面，从2 0 0 2 年起，中国连续5 年成为世界机床消费第一大 市场。中国机床工具行业出口也逐年增长，2 0 0 6 年全行业出口3 8 2 亿美元，比 2 0 0 5 年增长2 7 5 ，与2 0 0 1 年的出口额1 1 1 5 亿美元相比，增长了两倍多。 其次是企业自主创新能力提高，新产品开发成果显著。近年来，机床行业差 不多每年都要向市场推出1 5 0 多种新产品，以满足国民经济发展和国防建设的需 要。产品的数控化率也逐年提高，行业重点联系企业统计资料表明，金切机床产 值数控化率为3 7 8 ，与2 0 0 1 年比，提高了1 0 个百分点。行业科研成果层出不 穷，仅2 0 0 5 , - , 2 0 0 7 年期间，机床工具行业荣获中国机械工业科学技术奖的科研项 目就有5 5 项。国产高档数控机床的产品性能、质量、可靠性不断提高，在重点 领域用户中的应用日趋广泛。 功能部件生产企业有了长足的进步。数控机床功能部件一直是制约我国数控 机床产业发展的一个重要因素，但我国机床功能部件企业，如烟台环球、呼和浩 特众环、常州新墅等企业，经过这几年的发展，取得了很大的进步，功能部件品 种基本齐全，产品水平和质量有了一定的提高，尤其是数控车铣复合刀架、刀库 等产品，主要性能和可靠性方面有了很大的提高。数控系统是数控装备的核心部 件，数控系统企业，如华中数控、广州数控、大连光洋、上海开通、北京凯恩蒂、 南京华兴等企业，这几年来和机床生产企业通力合作，坚持市场竞争和深化改革 相结合、重点突破和全面提升相结合，在科学发展观的指导下，取得了很大的成 绩，产品水平、质量和市场占有率都得到了提高。 国产数控机床通过自主创新和吸收国外技术，在高速化多轴化复合化精密化 自动化等方面技术上取得了明显的进展。目前国内生产的复合加工机床主要是车 铣、镗铣加工中心、五轴联动数控机床。车磨复合的还比较少，目前车磨复合加 工机床还只有南京数控机床厂生产的专用n 一0 9 4 双面车双面磨复合磨床样机，沈 阳精益数控机械有限公司生产的c m k 1 6 车磨复合加工机床。 大连机床集团研制的v d w 5 0 0 五轴立式加工中心。集成国际现代机床技术， 模块化设计，整机与基础结构件有限元分析优化，整机动态刚性数字化分析优化， 布局合理、结构紧凑，具备高速度、高精度、高刚性等特点。特别适用于五轴联 5 第1 章目录 动的各种复杂3 d 曲面的恒速加工和五面加工，全面满足单件、中小批量零件的 加工要求。因此，在航空、航天、船舶、能源、汽车工业等领域得到了广泛的应 用。 以下简单介绍了二种国内的车磨复合数控机床： ( 1 ) 南京数控机床厂生产的专用n 0 9 4 双面车双面磨复合磨床，基本加工 参数如表2 。 表1 2n 0 9 4 双面车双面磨复合磨床参数 主轴最高转速主轴最高转速 磨头最高转速2 0 0 0 r m i n 砂轮最大直径0 3 5 0 x 向最大行程5 0 0 z l 、z 2 向最大行程8 5 z 3 、z 4 向最大行程9 5 n 0 9 4 型数控双端面车磨复合机床，是根据o e m 汽车行业高精度刹车盘的 加工要求而研发的新型数控机床，属国内首创的专利产品。该产品是采用五轴控 制，实施五轴三联动的车磨复合数控机床。其中最大车削直径为口4 0 0 m m ，最大 磨削径为谚4 0 0 m m 。该产品特别适合汽车刹车盘的精加工。加工时先完成双端面 的同时车削，紧接着完成双端面的同时磨削。两端面的等厚度可达0 0 0 5 m m ，粗 糙度可达r a 0 4 以上。 ( 2 ) 沈阳精益数控机械有限公司生产的c m k - 1 6 车磨复合加工机床，基本 加工参数如表1 3 。 表1 - 3c m k - 1 6 车磨复合加工机床 型号：c m k 一1 6车平面最大直径磨平面最大直径 m m ：1 0 4 ，车0 - 2m m ：1 0 4 ，磨0 - 0 1 车削主轴转速磨削电主轴转速工作台行程 r m i n ：4 5 0 0 r m i n ：5 0 0 0( x z ) m m ：15 0 3 0 0 快速移动定位精度( x z ) m m ： 重复定位精度( x z ) ( x z ) m m i ：1 0 2 00 0 1 6 0 0 2 5m m ：0 0 0 7 5 0 0 1 数控系统： f a n u c0 i m a t e - t b 6 第1 章目录 1 4 课题内容 通过查阅大量的国内外相关文献资料和参考以前课题的研究成果，课题的目 标要求是在课题组的研究基础上通过设计机床结构，改进加工工艺，根据x c 联动加工凸轮轮廓的数学模型，编制数控软件，主要包括车削程序、磨削程序、 故障监测、手动等软件模块的编制。在课题组的前一段时间的研究基础上，本论 文作了进一步的研究，主要的内容如下： 1 查阅国内外复合机床发展状况，搜集有关车磨复合机床的有关技术资料。 2 根据车磨复合机床结构和p m a c 卡的特点，确定数控系统程序思想和内容。 3 编写系统车削数控系统和g 、m 、t 代码转换成p m a c 代码转换程序。 4 推导了x c 轴联动加工凸轮轮廓的数学模型，编写了系统磨削数控软件， 包括加工参数输入、数据计算、故障监测模块等软件模块，通过程序实验， 验证了程序的正确性。 5 分析了p i d 调节原理，在实验台进行了p i d 调节实验，并且对p i d 自定义 算法进行了一定的研究。 6 对p 插补方法进行了一定的分析，并且进行了实验。对x 轴定位精度进 行测量，并且进行了软件补偿，提高了定位精度。 7 第2 章数控系统分析与数学模型 第2 章数控系统分析与数学模型 2 1 机床的总体结构 6 本数控车磨复合凸轮轴机床采用两坐标联动实现凸轮轮廓的磨削和外圆车 削，以p m a c 卡为主要运动控制核心，控制x 轴砂轮架前后往复进给和c 轴工件 主轴旋转运动实现磨削联动，控制u 轴车刀进给和c 轴工件主轴旋转运动以及z 轴工作台左右移动实现车削联动。x 轴砂轮架由直线电机驱动进行直线运动，砂 轮架上的c b n 砂轮由电主轴驱动，u 轴、c 轴与z 轴由交流伺服电机驱动。z 轴 横向移动依次加工凸轮轴上的凸轮。通过在线动平衡仪实现c b n 砂轮的动平衡， 提高了磨削加工的精度。通过金刚滚轮修整c b n 砂轮。机床立体示意图如图2 1 所示。 毯黛露 图2 一l 数控车磨复合凸轮轴磨床立体示意图 2 2 机床主要零部件 1 x 轴砂轮架部件 为了满足数控凸轮轴实验装置的设计要求，采用c b n 砂轮直联电主轴的方 式。使用c b n 砂轮的主要目的在于改善磨削质量和提高磨削效率。为高速磨削创 造了条件，本机床设计最高速度为9 0 m s 。 c b n 砂轮主轴系统采用的是电主轴部件。电主轴将主轴电机的定子、转子直 接装入主轴组件的内部，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好并可在一 第2 章数控系统分析与数学模型 定程度上改善机床的动平衡，避免振动和噪声等优点。 推动x 轴砂轮架部件用直线电机，直线电机具有反应灵敏，惯性小，推力大 等优点，推动砂轮架沿x 轴方向作横向进给运动。 2 u 轴车刀架部分 车刀架采用圆盘回转刀塔，车削目前主要是车凸轮轴轴颈，根据不同材料的 硬度更换不同的车刀。传动控制采用伺服电机驱动丝杠螺母副使u 轴移动。 3 工件主轴( c 轴) 工件主轴由交流伺服电机通过同步齿型带传递到工件主轴，带动凸轮轴沿c 轴方向旋转，满足实现工件主轴的实时调速的要求。 4 工作台( z 轴) 工作台导轨采用v 型和矩形组合贴塑导轨。工作台的移动由交流伺服电机驱 动丝杠螺母副使工作台沿z 轴运动及在0 - 2 m m 的高频小振幅抖动，完成整个凸轮 轴的磨削加工。 5 尾座和砂轮修整器 修整器安装在尾座轴上，当加工凸轮轴时，尾座电机静止，当修整砂轮时， 砂轮架先后退一定距离，以防砂轮干涉工件于尾架，然后金刚石修整滚轮由于工 作台的移动而移到砂轮处，砂轮再移近修整轮，尾座上的电机启动，驱动修整滚 轮修整砂轮。同时，尾座轴可以伸缩，使得顶尖可以在液压缸的推动下顶紧凸轮 轴，其顶紧力可由液压缸控制。 2 3 数控系统工作原理 7 】 ( 1 ) 硬件部分 数控系统采用p c + 运动控制卡的模式，控制简单，开放性强。主要由工控机、 控制器p m a c 卡、伺服电机、执行元件以及全闭环和半闭环检测元件组成，其 结构电路图见( 附件一) 所示。 运动指令执行流程如下：工控机与运动控制元件p m a c 卡互相传递信息， 由运动控制元件指令伺服电机驱动执行元件完成运动，在每个伺服周期由执行元 件上的检测元件光栅反馈回实际运动位置，再由运动控制元件加以比较修正。 加工控制过程主要有车削联动和磨削联动二部分。车削联动是u 轴的车刀 架和z 轴工作台以及c 轴工件旋转组成。u 轴车刀架根据车削量进给到一定位 置，停止不动，c 轴工件固定在z 轴工作台上，按一定速率旋转，z 轴工作台按 恒速向前移动，完成车削加工。 磨削过程是x 轴直线电机推动砂轮架和c 轴伺服电机变速旋转以及z 轴横向进 9 第2 章数控系统分析与数学模型 给组成。根据磨削的数学模型，x 轴直线电机推动砂轮架按坐标值做进给运动， c 轴伺服电机变速旋转，速度大小由程序控制，保持恒线速磨削。加工完一个凸 轮，z 轴横向移动到下一个凸轮处，继续进行磨削加工。基本原理结构如下： ) 翌日t 净冽u 轴伺服电机俐 车刀架 1 工控机扮 恒速横向进给点 p翻盔z 纠z 轴伺服电机k 净盔别工作台导轨肄李 m a 恒速旋转 凸 i 控制面板扮 c 净露露剜c 轴伺服电机i 孕忍剜旋转头架降轮 卡 轴 - i 匮光栅l “jr b & 囱忽剜x 轴直线电机k 象z 划砂轮架婚。娶呈兰纂渗： ( 2 ) 软件部分 ( 二受垂匿 j 图2 - 2 车磨复合数控系统磨削原理图 采用基于v c + + 的m f c 编写互动性好的人机界面，实现数学加工模型，设 置安全加工模块，运行状态通过人机界面显示和控制面板指示灯显示。基本功能 如下： 图2 - 3 软件系统功能图 1 0 凋囱 宙篙圃 第2 章数控系统分析与数学模型 2 4t u r b op m a c 的性能和开放特性 8 ( 1 ) t u r b op m a c 性能介绍 t u r b op m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控制器是p m a c 系列的升级版本，保持了p m a c 的优良性能，其特有的开放的运动学计算特性， 更适合于构建面向复杂运动的开放式数控系统。 t u r b op m a c 是美国d e l t at a u 公司在p m a c 的基础上推出的基于工业p c 和 w i n d o w s 操作系统的开放式多轴运动控制器，采用了更高速度的d s p 5 6 3 0 0 系列 数字信号处理器，提供全新的高性能技术和w i n d o w s 平台，满足用户在运动控制 各个领域的需要。t u r b op m a c 可同时控制1 3 2 个轴，实现多轴联动控制。t u r b o p m a c 既可单独执行存储于控制器内部的程序，也可执行运动程序和p l c 程序。 它可以自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理。 在硬件结构上，只需通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，t u r b o p m a c 便能与各种伺服系统匹配，可以方便地连接各种模拟或数字伺服驱动器。 t u r b op m a c 与p c 机的通讯有三种方式：串行、总线和双端n r a m 方式，可以按 照实际硬件条件和需要选择最适合的方式。t u r b op m a c 可以在p cx t a t 、v m e 、 s t d 总线上运行，由此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在 不同的硬件平台上运行，这种特性体现了t u r b op m a c 在硬件结构上的开放性。 在软件结构上，t u r b op m a c 提供了平台下的驱动程序，支持v c + + 、v b 、 d e l p h i 、c + + 、b u i l d e r 等编程语言环境，实现w i n d o w s 环境下的人机界面设计。 此外，t u r b op m a c 也支持d o s 环境下控制程序的开发，由此可对t u r b op m a c 进行高实时性控制，为开发高性能的嵌入式数控系统提供了条件。t u r b op m a c 对多种程序设计语言和多种操作系统平台的支持，体现了t u r b op m a c 对开发环 境的开放性。 t u r b op m a c 提供了强大的运动控制功能，如直线插补、圆弧插补、样条曲 线插补等模式，用户也可以通过这些基本模式定制出自己合适的运动模式。t u r b o p m a c 支持数控g 代码和m 代码指令控制，支持刀具补偿功能，可方便地开发 机床数控系统。t u r b op m a c 采用了带陷波滤波器的p i d 算法进行电动机的伺服 控制，能有效地克服电动机运行中的机械振动，该伺服环引入了速度和加速度前 馈，进一步提高了伺服控制中的轨迹跟踪精度和加速性能。t u r b op m a c 内含了 逻辑功能强大的可编程控制器( p l c ) ，可以和运动控制程序密切配合实现外部 设备的开关量( i o ) 控制。 同p m a c 系列多轴运动控制器相比，t u r b op m a c 除运算速度和内存增加外， 还增加了新控制特性，主要有：先进的加速超前预测，内建的正向运动学和逆向 运动学计算能力，三维刀具半径补偿功能，在线改变运动目标，多端口连续通讯， 第2 章数控系统分析与数学模型 为每个电动机制定正弦转换表，可单独选择电动机的p i d 伺服控制算法或使用 外部定义的算法，大大增加了同步m 变量缓冲区，为每个坐标系设置两个伺服 速率定时器，运动轨迹反求能力。其中，正向逆向运动学计算功能和伺服控制 算法定义功能，体现了t u r b op m a c 运动平台在面向用户的开放性方面向前跨了 一大步，使用户能灵活地在该平台上配置自己的运动算法，快速开发复杂数控系 统的应用产品。 t u r b op m a c 的开放特性为开发复杂的数控系统提供了一个良好的运动控 制平台，通过其开放的运动学运算功能封装了设备结构的复杂性，并可以直接使 用t u r b op m a c 提供的数控g 代码和刀具半径补偿等辅助功能，从而减少上位 机计算量和与t u r b op m a c 的通讯数据量，提高控制的实时性能，可以降低开发 成本，使开发者把更多精力投入到设备控制功能和性能研究中 ( 2 ) p m a c 与伺服电机的连接【9 】 在松下伺服器上设计有5 0 芯的c nf f 接口，可以视实验装置要求不同而加 以具体定义。这些接口通过与附件转接板a c c 8 p 相连接，达到与p m a c 卡通讯 的目的，由此实现运动指令的接收以及反馈数据的上传：在松下伺服器上还有一 个2 0 芯的c ns i g 接口，它与电机上的1 7 芯的编码器接口相连接，p m a c 卡的 运动指令就是通过伺服器的放大处理以后经由此线路传递给伺服电机，并由此接 收编码器反馈回的数据。 1 图2 4 为编码器与伺服器的连接示意图。 2 通过连接伺服上的5 0 芯c ni f 接口和p m a c 卡的j m a c h ( j 1 1 ) 接口， 实现伺服器与p m a c 的连接，如图2 5 所示。 图2 4 编码器与伺服器的连接图 1 2 第2 章数控系统分析与数学模型 图2 - 5p m a c 与伺服器连接图 2 5 凸轮数学模型推导f 1 0 根据文献 1 0 】，常见的两种式列举如下。常用参数说明： 一凸轮实际轮廓基圆半径； e 一从动件中心的偏心距( 左正右负) ； 0 一滚子从动件的滚子半径； 2 5 1 平底直动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 硭 1 奇 皂玉口 习a 第2 章数控系统分析与数学模型 式中：j = s ( o ) 为从动件运动规律。 动件凸轮机构 2 5 2 滚子直动从动件机构凸轮实际轮廓计算公式 x = e s i n o + ( d + s ) c o s o 一肌( m ) 嘉 y 2 可一 式中：u = ( d 删s i l l 秒一( e + 别d s 、1 c o s p 1 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) y k ， ， ， 小 扩刘 、 、 、 j 、 j 、 i 0j 髟0 。一 + 5 + p 9 u o s c 凼一抬凼一拍 一 + 从 汐 旧 珈 睾 g 茸 沁 沁 档 哪 哪 硐 + + 哥 ，l，i 石 = = 2 x y 图r f ，1 i 【 l 一2 、j 2 、u y ，一 + l ，l 曰n 酊声 鱼抬 叩 k + 卜 9 由 吣b o = k = j ， d d ，l =矿 第2 章数控系统分析与数学模型 2 5 3x _ c 轴联动数学模型 为： 将凸轮实际轮廓上任意一点( x , y ) 转化为对应的极坐标点( p ，伊) 的计算公式 缈= a r c 辔( y 曲； 0 ，y 0 ) 1 1 ：+ a r c t g ( y x ) ；( x 0 ，y o ) 万2 ； = 0 ，y 0 ) 3 n 2 ；( x = o , y ，j、，j 第3 章：系统软件设计与车削模块 3 1 3 系统软件模块化设计 采用面向对象的软件开发方法对数控软件进行分析，将其中的一些功能独立、 内聚强、互相之间耦合较松散的软件功能模块抽象出来，利用面向对象的程序设计 语言实现其功能并进行封装形成对应的类，各种类可以集成在数控软件的通用类库 中。在构建整个系统的时候，