数控转塔冲床转塔定位系统的设计说明书

- 1 -1 前言1.1 选题背景与意义数控转塔冲床作为钣金加工业的先进加工设备，其制造水平直接影响钣金加工业的发展水平，本文对数控转塔冲床转塔定位系统进行研究。本节先对本文选题背景和意义进行了介绍。1.1.1 国内外研究现状目前，数控技术在国内外已经成为一种相对成熟的加工技术，其发展正逐步向专用型、开放性、实时动态控制模式方向发展。基于集成化的发展基础，国外数控系统正在向超薄型、小型化方向发展；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等学科技术，数控系统正逐步向高速度、高精度、高效率方向发展；加工过程中，数控系统可以自动修正、调节、补偿各项参数，正逐步向在线诊断和智能化故障处理方向发展；基于网络的发展，CAD/CAM 与数控技术集成于一体，形成了机床联网，所以中央控制的群控加工要求在数控技术上也得到了逐步实现 1。目前，我国的数控系统主要有基于 PC 平台构成的总线式、嵌入式、多通道的结构，基于 PC 机的硬件与软件技术来实现数控系统的开发。现如今，国内外对开放式数控系统的研究主要体现在几个方向：基于软件芯片的开放式数控系统；基于数字伺服现场总线技术控制的开放式数控系统；基于 Windows 系统的开放式数控系统；基于 COM 组件技术的开放式数控系统等 2。随着近年来数控技术的飞速发展，用于钣金加工领域的数控冲床在结构和性能上也取得了较快发展。由最初数控转塔冲床的手动编程到现在由自动编程软件的自动生成，数控冲床的工作效率和复杂零件的加工能力都得到了飞跃式的提高。现在随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，交流伺服系统在此基础上也取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳速、高精度、快动态响应及四象限运行的良好技术性能 4，而且交流伺服系统在数字化、智能化、网络化方面也取得了较快发展，所以现如今数控转塔冲床具有了高柔性、高效性、高精度、低噪环保性、节能、易于维护、稳定性好的发展优势，且数控全伺服式数控转塔转塔冲床将成为冲床未来的发展方向。国外如日本的 AMADA MURATA KOMATSU,芬兰的 FINN-POWER 的企业产品已开始向高效化、网络化和智能化方向发展。所以现在国内数控转塔冲床主轴驱动系统也开始采用大功率的全伺服驱动方式，极大地提高了冲床的冲压速度和加工精度；现如今采用的智能型夹钳机构也最大限度地减少了冲载死区 5。- 2 -1.1.2. 本课题的目的和意义制造业是国民经济的基础产业，制造业水平的高低一直是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。如今，先进制造业技术已经成为国际竞争与产品革新的一种重要手段，大力发展先进制造技术已成为各国的技术战略之一 6。并且随着“十一五计划”的提出，我国在现代制造业发展方向上也提出了高科技、高速度、高精度的高要求。而数 控 转 塔 冲 床 是 由 数 控 系 统 控 制 的 高 效 、 精 密 的 板 材 加 工 设 备 ， 可 以一 次 性 完 成 多 种 复 杂 孔 型 和 浅 拉 深 成 型 加 工 ， 已 被广泛应用于现代汽车工业、机电产品，尤其是电子与仪表行业，已成为金属加工行业的先进金属加工设备。最近几年随着数控转塔冲床在高速度和自动化方面的快速发展，其加工精度问题已成为亟待解决的技术问题。本课题对数控转塔冲床上转盘和下转盘同步旋转及定位精度的研究和解决方法将对数控转塔冲床加工质量的提高有着重要意义。1.2 研究内容与目标1.2.1 设计内容研究本课题研究的内容基于开放式数控系统的理论，在 PC 机和固高运动控制卡的基础上，对 上 转 盘 和 下 转 盘 同 步 旋 转 及 定 位 系 统 进 行 研 究 ， 查阅和选择交流伺服系统及元器件，通 过 伺 服 控 制 及 检 测 系 统 确 保 定 位 的 精 确 性 ， 编制自动控制程序并对其调试运行。本课题主要完成以下几个方面的工作内容：（1）熟悉基于固高运动控制平台的开放式数控系统的组成，分析伺服系统的运动控制原理。（2）熟悉数控转塔冲床的工作原理及其主要组成部分。 （3）针对影响数控转塔冲床转塔的定位精度因素进行观察分析，设计出提高数控转塔冲床加工精度的最优设计方案。 （4）分析比较现在交流伺服系统的发展现状，并根据本课题的设计要求选择设计较优的伺服运动控制系统。（5）对数控转塔冲床转塔运动伺服系统进行硬件设计，介绍各控制部分以及反馈测量部分的原理和应用，并对其硬件部件选择定型。（6）以 Windows + V B 为数控转塔冲床控制程序的开发环境，自行开发控制程序，绘制程序控制的设计步骤和具体模块设计。（7）基于固高公司的机电一体化实验平台对设计的硬件和软件系统进行运行、校验，观察其运行效果并对其不足之处进行改进。1.2.2 预期研究结果希望通过本课题的研究设计，提出的数控转塔冲床转塔定位系统的设计方案，能有效的降低由于数控转塔冲床的制造和装配误差造成的转盘实际定位不准和上下- 3 -模具所在的转盘相对位置精度不高造成的上下转盘不能同步旋转现象的发生。2 总体方案设计2.1 数控转塔冲床的组成及工作原理数控转塔冲床(冲模回转头压力机)是利用数控技术控制冲压机床进行板料冲压的一种通用、高效、精密的数控冲压装备。它由信息载体、数控系统、伺服系统、电气系统、传动系统、机床床身、工作台、上下转塔、辅助系统等部分组成。数控转塔冲床的机械机构如图 2.1 所示。数控系统是转塔冲床实现自动加工的核心，它能够实时监测转塔冲床的工作状态以及加工环境，接受操作人员输入的操作命令，控制机床各功能部件协调动作来完成加工任务；伺服系统是转塔冲床的最重要部件之一，它直接驱动各轴运动，接受数控系统的运动命令并实现转塔冲床各轴速度、位置的精确控制；伺服系统包括 X 轴电机伺服、Y 轴电机伺服、冲头驱动伺服、转塔轴电机伺服、转模轴电机伺服 7；电气系统主要包括转塔冲床所用的各种传感器，气动控制回路以及数控系统与电机、传感器、气动部件等的连线；传动系统包括 X轴（将工件眼垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴）Y （将 工 件 沿 垂 直 于 床 身 长度 方 向 移 动 的 伺 服 驱 动 轴 ）Z 轴（冲头滑块冲压移动伺服驱动轴）A 轴（旋 转 转塔 型 刀 具 库 选 择 模 具 的 旋 转 轴 ）C 轴（模 具 自 动 分 度 的 旋 转 轴 ， 可 以 任 意 角 度 旋转 模 具 ） 7；机床床身，多数机床床身是钢板焊接结构，一般有 C 型、桥型和 O 型等三种常用设计结构，现在市场上大部分采用开式机身(即 C 形或桥形机身)，只有少数厂商采用闭式机身(即 O 形机身) 5；控转塔冲床在上滑块与工作台之间，有一对可以存放若干套模具的回转头(即转盘)，通过上下转塔的同步旋转，带动按照程序指令选择的旋转模具的转动定位，保证上下模具的对准；辅助系统有夹钳、定位锥销的控制系统，其一般是有气压气阀来控制。数控转塔冲床的工作原理，数控转塔冲床是通过编程软件（或手工）编制的加工程序，由伺服送料机构夹钳选择加持待加工板料，当待加工的板材夹持在夹钳上后，夹钳夹持板材可在上、下转盘之间相对于滑块中心沿 x，y 轴方向移动定位，当板料被送至需加工的位置时，然后上位机发出指令按规定的程序驱动模具选择系统选择模具库中相应的模具，当所需模具到达冲头冲压的指定位置时，然后主轴驱动系统驱动冲头向下运动，由滑块冲头冲击模具，冲出所需要的形状和尺寸的孔来。- 4 -图2.1 转塔型数控冲床2.2 数控转塔冲床转塔定位系统的设计要求基于现如今数控转塔冲床的发展现状和该机床存在的问题，对本课题定位系统的设计提出以下设计要求： 采用伺服电机驱动转盘机构； 数 控 系 统 硬 件 采 用 集 成 运 动 控 制 器 GUC； 伺服控制系统的设计，实 现 伺 服 控 制 功 能 并 可 保 证 上 下 转 盘 的 同 步 定位 ， 提 高 同 步 定 位 精 度 ， 绘制电气原理图； 转盘及定位销能够手动和自动控制； 具有较 好 的 安 全 保 护 功 能 ， 可 进 行 超 程 保 护 、 故 障 报 警 、 急 停 和 复 位等 功 能 的 实 现 。2.3 系 统 的 设 计 方 案通过对数控转塔冲床系统中转塔运行过程观察和其实现的作用进行分析，并且对运行过程中影响上下转塔定位误差因素分析，针对本课题中提出了如下两种设计方案：方案 一：（1） 、本课题数控系统采用 PC+运动控制卡结构。原理图如图 2.2 所示。工业用计算机具有抗干扰能力强，运行稳定，环境适应能力强等优点 7。运动控制卡采- 5 -用固高公司的运动控制卡，可直接插在工控机的主板对应插槽里。工控机运动控制卡接口板指示灯、气动等输出按钮、传感器等输入伺服驱动器 编码器伺服电机PCI 总线图 2.2 PC+运动控制卡的结构原理图（2） 、本课题中运动伺服控制单元包括伺服电机、伺服电机驱动器、运动控制卡 三部件。伺服系统的执行元件采用交流伺服电机。且上、下模所在的上下转盘由数控系统控制的交流伺服电机 T1、T2 分别控制。通过各交流伺服电机上的光电编码器，与同一个运动控制卡相连，通过反馈系统和计算机可编程控制器以实现上下转盘的同步运行和定位。当今，交流伺服电动机具有良好的速度控制特性、高效率、不发热、高精确位置控制、惯量低等优点，所以本设计中上下转盘驱动电机采用数字交流伺服电动机。驱动器是运动控制卡和伺服电机的连接器，运动控制卡输出的脉冲信号并不能直接驱动伺服电机运动，此时需要伺服驱动器来进行信号和电压的转化，而此方案中运动控制卡选用固高运动控制卡。由于开环控制中有不确定因素如电机失步，控制精度难以保证；全闭环控制精度高，但成本昂贵；所以本课题数控转塔冲床的伺服系统采用半闭环系统。原理图如图 2.3 所示。反馈信号控制信号运动控制卡 伺服驱动器 轴运动机构旋转编码器伺服电机放大后的控制信号图 2.3 半闭环控制伺服系统（3） 、对现有的伺服系统比较分析，本课题采用具备电流环，速度环与位置环的智能型的伺服控制系统，通过高速现场通信总线接口实现上、下转盘两轴的精确同步定位控制。它们的特点表现在以下几个方面：首先它们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口进行通信，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，可提高冲床的加工精度；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚- 6 -的显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性，重要的是此伺服系统还具有参数自整定功能，带有自整定功能的伺服单元可以几次试运行后，自动将系统的参数整定出来，且可自动实现其最优化 4。如当转塔数控冲床的转塔在旋转换模时由于机床误差的原因，转塔转过的角度有偏斜时，伺服系统可在前几次的运行中对其运行参数进行自整定，补偿误差造成的角度偏差，提高制造质量。（4） 、上、下转盘机械设计中，分别在上、下转塔身上安装由汽缸、导套、定位销、定位锥孔组成转塔定位装置。汽缸固定安装在转塔身上，汽缸下部连接有导套，导套中设有与汽缸杆同轴的定位销，定位销与导套之间设有复位弹簧，在上、下转塔上还设置有与转盘同轴心且固定连接的定位盘，定位盘上设有与定位销对应的若干锥孔，下转盘上还设有与定位销对应的若干锥孔。此方案中在上、下转塔上设置定位锥销，同时保证了上下模具的径向定位精度和模具轴心线与转塔轴线的距离一致，保证了上下转塔的定位精度。（5） 、以 V B 为编程工具，在 Windows 下进行编程以实现运动控制卡的各种功能。方案二：（1） 、本课题数控系统采用 PC+运动控制卡结构。原理图如 2.2 所示。工业用计算机具有抗干扰能力强，运行稳定，环境适应能力强等优点。运动控制卡采用固高公司的运动控制卡，可直接插在工控机的主板对应插槽里。（2） 、本课题中运动伺服控制单元包括伺服电机、伺服电机驱动器、运动控制卡三部件。伺服系统的执行元件采用交流伺服电机，上、下转塔由数控系统控制的交流伺服电动机驱动。通过链轮链条连接来实现上下转塔的同步运行和同步定位，驱动系统机械原理结构图如图 2.3 所示。交流伺服电动机采用光电式位置监测元件：旋转式光电编码器（检测电机位置、速度和换向信号）和光栅（负载位置） 。（3） 、数控冲床转塔采用高强度的厚转塔，因为厚转塔使模具对中性好，导向精度高、可大大提高转盘和模具的使用寿命；转盘采用定位锥销定位，定位精度高，能保证机床加工精度及使用效率；转塔采用侧向定位，侧向定位可有效避免因端面定位造成的转塔端面受力而变形。本设计中转塔采用稳定性好，精度高的链轮传动链联接传动方式，同时分度模采用剖分式蜗轮蜗杆传动，传动比大，自锁性好，可消除侧向间隙，分度精度高，调整方便，并具有误操作保护功能。链传动的机械结构图如图 2.4 所示。（4） 、以 V B 为编程工具，在 Windows 下进行编程以实现运动控制卡的各种功能。对以上所述两种方案进行分析，第一种方案采用软件控制方式来控制上下转盘的同步运行和定位，定位精度高，但由于采用两个数字交流伺服电动机，费用高，且软件编程复杂。而第二种方案中采用机械方式链轮链条传动装置联接来保证上下转盘的同步运行和定位，简化了软件编程内容，降低了制造费用。所以，经过对比- 7 -本课题最后采用第二种设计方案。图 2.4 转塔驱动系统机械结构图- 8 -3 电气系统的设计3.1 数控系统的设计3.1.1 开放式数控系统的选择数控技术及装备是发展现在新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，是制造自动化的基础，是现代制造装备的灵魂核心，而数控系统是数控技术和数控装备的核心 8。近几年，随着电子技术和控制技术的快速发展，数控系统已具备非常强大的功能。如今，国内外数控系统在柔性、准确性、可靠性和集成性等方面都取得了较快的发展。目前，世界上供使用和研究的数控系统可分为以下三类：专用型、通用型和开放式。专用型数控系统即传统数控系统，该数控系统的系统硬件是专用的，不同厂家生产的主板、伺服电路板之间无互换性；系统软件结构也是专用的，无可移植性和伸缩性。所以，其存在的封闭性、不兼容和不可扩展性，使其控制系统已不能满足当今数控市场上机床多功能变化的需求。且开发制造费用高，技术难度大。而通用型数控系统的开放性、互换性也有一定的局限性，很难满足市场上的要求。相比之下，随着计算机技术的快速发展而诞生的利用 PC 机丰富的软、硬件资源开发开放体系结构的新一代数控系统开放式数控系统成为当今市场上数控系统的主流趋势 9。经过调查、比较现如今的数控系统，考虑到开放式数控系统具有的较好的通用性、柔性、适用性、可移植性、可扩展性、可互操作性，和可较容易实现智能化、网络化的优势，且开放式数控体系结构可采用模块化、层次化的结构，能动态改变系统的拓扑结构，能实现与其他自动化系统或软件模块的互操作，来自不同厂商的符合规范的功能要素能够构成一个完整的数控系统，能提供一致性很好的人机界面等特点 10。所以本课题定位系统的设计选择基于开放式数控系统来进行设计。3.1.2 “PC+运动控制卡”开放式数控系统的选择2002年6月我国正式颁布的机械设备一开放式数控系统一总则(GB/B187591-2002)的国家标准，对数控系统的开放程度在三个层次作了定义，每个层次数控系统的开放程度不同。同时国标总则对一个完整的ONC系统应具有的基本体系结构也做了明确规范，对指导以后的ONC设计具有重要的指导意义。按照总则要求，一个ONC系统的基本结构应包含系统平台、硬件平台、软件平台、ONC应用软件、配置系统以及功能单元库等组成部分，如图3.1所示 12。- 9 -功能单元 功能单元应用软件ONC、API软件平台通信系统 图形系统操作系统硬件平台NC 模块 PLC 硬件 计算机基本结构配置系统功能单元库系统平台图3.1 ONC 系统基本结构图由于PC机的开放性，PC已成为开放式控制系统的基础。采用 PC机的软硬件平台直接作为数控系统的设计平台，硬件不需要重新开发，软件也只需要开发开放式数控系统应用软件部分，很适合我国国情。且基于PC 机的开放式数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。另外这种开放式数控系统还具有成本低、标准化、软件资源丰富、可靠性高、便于联网等特点，成为现如今开放式数控系统的主流方向 13。目前，实际应用于工业现场的基于PC的开放式数控系统主要有以下几种类型，且分别代表了数控技术的不同发展阶段：(1)“PC嵌入NC 结构的开放式数控系统 如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK - 10 -840D系统、Numl060系统、AB9360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的具有代表性的产品。虽然这类系统功能强大，但结构复杂、价格昂贵。(2)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统 这类数控系统由开放体系结构运动控制卡+PC机构成，将运动控制卡插入到PC机的标准扩展槽中，以完成各种标准数控功能。一般PC机处理各种非实时性任务，硬件扩展卡处理实时性任务。在这种模式中PC 及部分能实现一定意义上的开放性，而且运动控制卡也能保证实时性的要求。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有较强的运动控制和PLC控制能力。而且运动控制卡本身就是一个可以单独使用的数控系统。并且它开放的函数库可供用户在WINDOWS或LINUX平台下自行开发、构造所需要的控制系统。因而这种具有开放结构的运动控制卡被广泛应用于制造自动化控制的各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统； 日本MAZAK 公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC；Wizdom Controls 公司的Paradym-31;在此方面，我国具有知识产权的运动控制卡生产厂家有：固高，摩信，雷赛，成都步进等等。(3)“SOFT型 开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅仅是计算机与伺服驱动器和外部IO之间的标准化通用接口。像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样，用户可以在WINDOWS平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的具有各种功能和各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最具有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI 公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000NT等 14.15。考虑到以上提到的“NC 嵌入 PC”结构的开放式数控系统即“PC+运动控制卡”开放式数控系统的优点，且数控上层软件（数控程序编辑、编译、人机界面等）以 PC为平台，是 WINDOWS 等主流操作系统上的标准应用，并支持用户定制。这种系统兼具了 WINDOWS 的多任务特性和运动控制器的事实特性、实时特性，是一种非常优越的数控系统 16。而且我国自主研发的具有代表性的华中型开放式数控系统就是采用“PC+运动控制卡 ”的设计结构，所以此开放式数控系统的国内的发展水平较成熟。所以综合以上研究现状，采用基于“PC+运动控制卡” 的开放式数控系统来完成本课题转塔定位系统的设计。运动控制卡是通用化、标准化模块化产品，可根据自己的具体需求选配合适的 PC 机、运动控制卡和执行单元模块，进行硬件系统连接，即可快速完成开放式数控系统的硬件平台构建，典型结构如图 3.2 所示。- 11 -PC/IPC总线接口电路通道接口电路DSP脉冲发生器编码器信号处理电路驱动器Q1驱动器Qn电动机D1电动机Dn执行单元Rr 轴基于 DSP 的运动控制卡ISA/PCI总线图3.2“ PC+运动控制卡”构建的硬件平台体系结构3.2 数控系统的硬件组成3.2.1 运动控制卡的选型在本课题设计中，考虑到基于 DSP 的运动控制卡，可以实现复杂的控制算法和运算功能，兼有处理速度快和 PC 平台便于实现开放式结构等优点，是一种高精度、高速度、多轴联动、体积小、集成度高的新型运动控制卡，可以满足多轴联动的数控机床、机器人等高性能控制系统的需求。因为工业计算机具有抗干扰能力强，运行稳定，环境适应能力强等能力等优点，本课题 PC 机采用工控机；且本课题运动控制卡选用固高科技（深圳）GE/GT 系列运动控制卡。固高科技(深圳)有限公司生产的GT系列运动控制器，可以同步控制四个运动轴，实现多轴协调运动功能。其核心由ADSP218l数字信号处理器和FPGA组成，可以实现高性能的控制计算。GT系列运动控制器以IBM-PC及其兼容机为主机，提供标准的ISA总线和PCI 总线两个系列的产品。作为选件，在任何一款产品上都可以提供RS-232串行通信和 PC104通信接口，方便用户自己配置系统。而且GT系列运动控制卡提供C 语言函数库和Windows动态链接库，可实现复杂的控制功能。用户能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一齐，构造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。基于现如今国内运动控制器的发展现状和固高公司GT系列运动控制卡的功能和优点，本课题运动控制卡选用固高公司GT系列运动控制卡，由于GT系列运动控制卡有ISA和 PCI两种接口，均可直接插在工控机的主板对应插槽上，考虑到如今市场上PCI总线接口应用普遍性高，本课题运动控制卡采用 PCI总线接口，运动控制卡引出线通过端子板再接接伺服电机单元、按钮、指示灯、检测传感器、气动单元及其他辅助控制单元。- 12 -GT系列运动控制卡根据所实现的控制功能要求不同，还分为许多型号，具体型号介绍和功能如下所示：GT系列运动控制器的型号及含义：GT-400-SV-ISA- G系列序号可控轴数 接口板类型200：2 轴 G:标准型300：3 轴 A:A/D 转换型400：4 轴 R:驱动继电器型输出类型 O:定制型 SV:模拟量或脉冲量 总线类型 ISA : ISA 总线 PCI: PCI 总线 SP: 脉冲量，有编码器读数功能 SG：高频脉冲输出（1MHZ）SD:占空比可调脉冲输出，有编码器读数功能SE:低频脉冲输出(256KHZ)此外，GT 系列控制器还有有许多规定和功能，其功能列表如表 3.1 所示。表 3.1 功能表 具备功能 - 不具备功能 * 可选功能功能 SV SP SG SD SEISA/PCI 总线 RS232 用户存储区64Kbyte SRAM控制周期 用户可调（默认 200微妙） -模拟量输出4 轴范围： -10V+10V - - - -脉冲量输出2/3/4 轴 占空比可调1 轴 - - - -编码器输入2/3/4 路四倍频增量式，最高频率 8MHZ - -辅助编码器2 路四倍频增量式，最高频率 8MHZ -限位信号输入每轴左、右限位光隔 原点信号输入每轴 1 路光隔 驱动报警信号输入每轴 1 路光隔 - 13 -驱动使能信号输出每轴 1 路光隔 驱动复位信号输出每轴 1 路光隔 通用数字信号输入16 路光隔 通用数字信号输出16 路光隔 探针信号输入占用 1 路通用数字输入信号 A/D 8 路看门狗 实时监控 DSP 工作状态 在板直线、圆弧插补DSP 底层实现 程序缓冲区实现运动轨迹预处理 点到点运动 S-曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式 滤波器 PID+速度前馈+加速度前馈 - - - -编码器 Index 信号 - -硬件捕获原点 Home 信号 设置跟随误差极限 - - -设置加速度极限 安全措施设置控制输出极限 - - - -基于本课题的设计要求，选择 GT-400-SV-PCI 型号的运动控制器。此型号运动控制器由四轴步进或伺服马达控制，具有高性能 DSP+FPGA 结构，有 6 路编码器输入，4 路脉冲输出最高 1MHZ，部分轴占空比可调， 4 路 DA 输出10V,16 位精度，8 路 AD 输入10V，12 位精度，24 路专用数字输入 /输出，1 路 RS2332 串行口，大量板上内存方便用户在 Windows 下使用。一般的运动控制卡的接口有限，所以一般运动控制卡要配备端子板，相当于 I/O扩展板。端子板出来再与伺服驱动器相连。固高 GT 系列运动控制器各部分功能原理及使用如下所示:（1）模拟控制电压输出，如图 3.3 所示。（2）编码器输入，如图 3.4 所示。（3）脉冲输出，如图 3.5 所示。（4）数字量输入输出连接方式。如图 3.6 所示。专用输入包括：驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)、CN12 与驱动器及外部开关相连。专用输出包括：驱动报警，驱动报警复位。专用输出通过端子板CN5、 CN6、 CN7、CN8 与驱动器相连。本课题只用 CN5 驱动转塔驱动电机轴。（5）模拟量输入如图 3.7 所示。- 14 -DAC 运算放大器串行信号分配器轴 1信号输出轴 2信号输出轴 3信号输出轴 4信号输出DSP同步串行信号startFPGA内部16位分辨率四个轴输出+/-10VAD公司的高性能搭配同步信号AD1866 AD621控制电压输出：主要控制电机的转速，可以在开环和闭环方式下使用。图 3.3 模拟控制电压的输出位置寄存器 计数 器 鉴相/ 倍频滤波器捕获寄存器FPGA内部捕获信号AM26LS32有电压保护 相对编码器用于INDEX捕获pulsedir包括四路电机编码器，两路扩展编码器。支持单端、差动接口硬件捕获，捕获信号可以是HOME，INDEX，通用IO输入（IN0） 。 （扩展编码器2无捕获功能）图 3.4 编码器输入- 15 -脉冲发生器脉冲输出转换计数器26LS31线驱动器pulse-/ccw-pulse+/ccw+dir-/cw-dir+/cw+pulsedir+/-脉冲脉冲/方向 选择信号占空比控制信号FPGA内部方式、占空比可编方式、占空比可编程脉冲输出，最高程脉冲输出，最高1MHZ。图 3.5 控制脉冲输出图 3.6 数字量输入输出控 制 器 内 部 LIMT0HOME0驱 动 器 侧ALRM03K 5V4.7 3K3K3KLIMT0- +-o+-o+-o伺 服 报 警限 位 开 关限 位 开 关原 点 开 关 5V ENABLE0REST0REST1OGNDDC 24V/12V+-VC OGNDVC伺 服 允 许伺 服 报 警 清 除ENABLE1 其 它 轴 的专 用 输 出2A (外 部 电 源 由 用 户 提 供 )- 16 -DSP 缓冲/驱动ADCAD78908路模拟量输入路模拟量输入分辨率分辨率 12位位采样频率最高采样频率最高 50KAIN0AIN4AIN5AIN3AIN2AIN1AIN6AIN7图 3.7 模拟量输入3.2.2 伺服驱动器和电机的选型本课题数控转塔冲床转塔定位系统采用“PC+运动控制卡”的结构，在此开放结构体系中， PC 机作为上位机，选择的固高 GT-400-SV-PCI 运动控制卡作为下位机，运动控制卡接受来自上位 PC 机的应用程序指令，完成相应的实时运动规划且向交流伺服驱动器发出相应的指令，交流伺服驱动器再驱动电机的运行。考虑到交流电动机具有结构简单、坚固耐用、体积小、重量轻、输出力矩大、效率高、无电刷、无整流子、无换向火花等优点，且基于本文设计采用的固高公司GT 系列运动控制卡，对市场上交流驱动器的性能进行比较，本文伺服驱动系统采用Panasonic（松下）Minas A4 系列的 MCDDT3520 型号交流伺服驱动器和与之相配套的 MSMDO82S1*系中的 MSMD082PIU 型号的交流伺服电动机，同时系统还采用了高性能的变频器来控制驱动轴电机的转速，配有正负限位开关和精密光栅用以提高系统的控制精度和安全性能。3.3 伺服控制原理本课题数控转塔冲床转塔定位系统采用“PC+运动控制卡 ”的结构，PC 为通用个人计算机，最终用户通过人机界面进行操作控制；运动控制卡采用基于数字信号处理器（DSP）和大规模逻辑可编程器件（FPGA）为基础的固高 GT-400-SV-PCI 卡作下位机，基于 PC 总线的运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位 PC机的应用程序指令，完成相应的实时运动规划和向交流伺服驱动器发出相应的指令，- 17 -然后由交流伺服驱动器再驱动电机运行，电机上的编码器信号先反馈给伺服驱动器，通过伺服驱动器将信号从反馈给运动控制卡，经过运算处理后再发出驱动信号，从而形成了半闭环驱动控制系统，其伺服控制原理图如图 3.8 所示。计 算 机运动控制器端子板 DC24V伺服/步进电机PC 总线图 3.8 基于 “PC+运动控制卡”结构的伺服控制原理图此控制系统将 PC 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡良好的运动轨迹控制能力有机的结合起来，使其具有较强的信息处理能力，较高的开放程度，准确的轨迹控制性等优点，而且还可利用第三方软件资源完成用户应用程序的开发，将生成的应用程序指令通过 PC 总线传输给运动控制器。这些都在很大程度上提高了现有数控转塔冲床的加工制造精度、柔性，缩短了新产品的研发周期和应付市场需求变化的能力。3.4 电气系统接线方式的设计34.1 运动控制卡和端子板的接线方式一条屏蔽电缆连接控制器的 CN1 与端子板的 CN1，另一条屏蔽电缆连接转接板的 CN2 与端子板的 CN2。保证外部电路正常运行，必须连接此两条屏蔽电缆。见图3.9。- 18 -CN2 CN1GT-400-SVCN1CN2端子板CN5 CN7CN13 CN12连接板屏蔽线扁平线图 3.9 运动控制卡和端子板的接线示意图3 .4.2 系统输入/输出、端子板与伺服驱动器的接线方式（1）端子板的 CN3 接由用户提供的外部电源。板上标有 +12V+24V 的端子接+12V +24V，标有 OGND 的接外部电源地，至于使用的外部电源的具体的电压值，取决外部的传感器和执行机构的供电要求，使用时应根据实际要求选择电源。接线图如图 3.10 所示。图 3.10 外部电源接线图- 19 -（2）专用输入、输出连接方法专用输入包括：驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)、CN12 与驱动器及外部开关相连。 CN5 的定义见表3.2，CN12 的定义见表 3.2，连接方法见图 3.6。专用输出包括：驱动允许，驱动报警复位。专用输出通过端子板 CN5、CN6、CN7、 CN8 与驱动器连接。CN5CN8的引脚定义相同，见表 3.3，连接方法见图 3.6。表 3.2 端子板 CN5 引脚定义引脚 信号 说明1 OGND 外部电源地2 ALM 驱动报警3 ENABLE 驱动允许4 A- 编码器输入5 B- 编码器输入6 C- 编码器输入7 +5V 电源输出8 DAC 模拟输出9 DIR+ 步进方向输出10 GND 数字地11 PULSE- 步进脉冲输出12 保留 保留13 GND 数字地14 OVCC +12V/+24V 输出15 RESET 驱动报警复位16 保留 保留17 A+ 编码器输入18 B+ 编码器输入19 C+ 编码器输入20 GND 数字地21 GND 数字地22 DIR- 步进方向输出23 PULSE+ 步进脉冲输出24 GND 数字地25 保留 保留表 3.3 端子板 CN12 的引脚定义引脚 信号 说明1 HOME0 1 轴原点输入2 HOME1 2 轴原点输入3 HOME2 3 轴原点输入4 HOME3 4 轴原点输入5 LIMIT0+ 1 轴正向限位6 LIMIT0- 1 轴负向限位7 LIMIT1+ 2 轴正向限位- 20 -8 LIMIT1- 2 轴负向限位9 LIMIT2+ 3 轴正向限位10 LIMIT2- 3 轴负向限位11 LIMIT3+ 4 轴正向限位12 LIMIT3- 4 轴负向限位13 EXI0 通用输入14 EXI1 通用输入15 OGND 外部电源地16 OVCC +12V/+24V 输出（3）编码器输入连接方法本设计系统中，编码器信号采用差动输入，可直接连到CN5（ CN6、 CN7、CN8）的 A+、A-、B+、B-、C+、C-和 VCC、GND 接口。连接方法见图 3.11。图 3.11 编码器双端输入信号连接图（4）RS-232 连接方法运动控制器提供串行通讯方式与主机交换信息的方法，通讯通过端子板的 CN4实现，引脚定义见表 3.4，连接方法见图 3.12。表 3.4 端子板 CN4 引脚定义引脚 信号 说明2 RX RS-232 接收3 TX RS-232 发送5 GND 数字地- 21 -图3.12 串行通讯接线图（5）模拟信号输入连接方法运动控制器提供可选的模拟输入接口，通过端子板 CN11 实现。CN11 引脚定义见表 3.4，连接方法见图 3.13。其中因为模拟信号不用，所以各接口接地，若使用可断开不用接地。表 3.4 端子板 CN11 引脚定义引脚 信号 说明1 AIN0 模拟输入2 AIN1 模拟输入3 AIN2 模拟输入4 AIN3 模拟输入5 AIN4 模拟输入6 AIN5 模拟输入7 AIN6 模拟输入8 AIN7 模拟输入9 AGND 模拟地10 AGND 模拟地11 AGND 模拟地12 AGND 模拟地13 AGND 模拟地14 AGND 模拟地15 AGND 模拟地- 22 -图 3.13 模拟输入信号接线图3.4.3 松下驱动器的接线方式（1）脉冲串指令可通过差分电路或集电极开路电路接口输入，考虑差分电路以提高信号传输的可靠性，故采用差分电路。所以选用的位置驱动器驱动模式控制信号接口 X5 接线图如图 3.15 所示。旋转编码器反馈脉冲信号输出接线图如图 3.15 所示。- 23 -图 3.15 驱动控制器控制信号接口 X5 接线图（2）驱动器连接到编码器信号接口 X6 的接线图编码器选择 5 线制增量式编码器，其驱动器 X6 接口接线图如图 3.16 所示。- 24 -图 3.16 驱动器 X6 接口接线图3.4.4 伺服驱动器和交流伺服电机的接线方式本课题伺服驱动系统采用 Panasonic（松下）Minas A4 系列的 MCDDT3520 型号交流伺服驱动器和与之相配套的 MSMDO82S1*系中的 MSMD082PIU 型号的交流伺服电动机。驱动器电源接线端子和与电机相连的接线方法如图 3.17 所示。图 3.17 驱动器电源接线端子和与电机相连的接线3.5 本章小结本章主要通过对现如今国内数控系统的发展现状调查了解，选择了本课题基于- 25 -的开放式数控系统“PC+运动控制卡”结构的开放式数控系统。在此结构上选择固高公司的运动控制卡对转塔定位系统进行了电气控制系统的设计。本章主要介绍了基于固高公司的 GT-400-SV 系列运动控制卡设计的电气控制系统，对运动控制卡、端子板、伺服驱动器的接线方式进行了具体详细的介绍，基于此基础设计的转塔定位系统的电气控制系统见附录 1.- 26 -4 机械系统的设计4.1 机械系统结构设计本课题设计的数控转塔驱动系统的机械结构图如图 4.1 所示，因为链传动无弹性和整体打滑现象的发生，能保持准确的传动比，传动效率高，且再传动过程中，链条不需要涨的太紧，所以作用在轴上的压力相对较少。考虑到链传动制造和安装精度要求较低，且适合远距离传动。所以链传动相对较适合本文中系统的设计需求，本文设计中转塔由交流伺服电机、减速齿轮、链轮链条组成的链传动一起组成的驱动装置驱动。上下转塔分别有上下两个大链轮驱动，两个大链轮通过链条与两个小驱动链轮相连，两个小驱动链轮安装在同一转动轴上，来保证驱动上下转塔转动的两个大链轮的同步转动，从而确保上下转塔的同步转动。图 4.1 机械结构图4.2 机械系统元器件的选型由上文课题选取的设计方案知，上下转塔采用侧面定位，镶套结构的厚转塔，上转塔厚度 100mm，下转塔 60mm，参考杨力集团 F30 型数控转塔冲床、金方圆DM-T200/300 双电伺服数控转塔冲床、日本村田公司数控转塔冲床的设计参数，转塔转速定为 30rpm，又因数控转塔转塔驱动扭矩及所需驱动力矩要求不大，所以对电动机提供的转矩及力要求不高，又因本课题基于固高运动控制卡设计的数控系统的设计要求，电动机还要与所选择的松下 A4 系列 MCDDT3520 型交流伺服驱动器相配套，综合以上要求，本课题选择 MSMD082S1 系列电动机 MSMD082PIU 型号的电动机。综合考虑转塔转速、电动机的转速知本驱动系统的最大总传动比- 27 -i= =50，由设计的驱动系统传动结构分配传动比:i=i 1 i2 i3 =50。Nvm在此驱动系统中，由于对力和扭矩要求都不高，所以齿轮箱中选择标准直尺圆柱齿轮传动，根据系统传动比和机械零件设计手册标准直尺圆柱齿轮传动中齿轮推荐值选取 i1=10.其具体形状和尺寸见附录 2。链传动中有短节距精密滚子链、齿形连两种两传动结构，而其中齿形链由于结构复杂 ，制造困难，价格较高，一般用于高速、大传动比和小中心距工作条件中；而滚子链常用于低速级、小功率传动系统中。综合考虑本文中选用滚子链传动。根据设计手册知滚子链传动中传动比一般小于 8，查阅机械零件设计手册 ，根据链传动中常用链轮齿数确定 i2= ，i 3= 。17849根据滚子链单排链传动计算功率公式（1）：PKcaZA（1）查手册的其中 KA =1.8 KZ =1.55 KP =1，又因为 P=2.0kw，所以 Pca=5.58。根据计算功率和主动链轮的转速 n1 查阅手册确定链条型号和节距 P，P=16A,让背后查阅机械零件设计手册 ，确定链条形状和尺寸，d 1=15.88,b1=15.75,d2=7.94,h2=24.13.图 3.26 中，安装在齿轮箱轴上的主传动链轮的齿数定为 Z1=17，所以根据手册计算公式（2）：zpd180sin1（2）得 d1=138.df=d-d1=122.12 da=d+1.25p-d1=153.87根据公式（3）可得 dg=126.87.76.04.180cot2hzpdg（3）由公式（4）可得 bf1=14.96(4)1195.0bf同理可选择驱动上下转塔的链条的型号和计算其尺寸以及链传动中其他三个链轮的尺寸。齿轮传动和链传动中齿轮、链轮、链条的型号和尺寸及装配尺寸见附录2.根据以上所述，本课题驱动系统中主要传动元件：电动机、齿轮、链轮、链条的型号和尺寸选择确定传动轴的直径，具体装配尺寸和主要轴尺寸见附录 2 和附录- 28 -3，经查机械零件设计手册中国标选择适合的轴承和轴承座等零件。本课题系统设计中齿轮箱和支撑固定链轮轴的支撑结构设计见图 4.2。详细尺寸和结构见附录 4.图 4.2 支撑座结构图- 29 -5 结 论数控转塔冲床作为现如今钣金加工业的先进加工设备，其发展水平直接影响钣金加工业的制造加