XK5040数控立式铣床及控制系统设计-外文翻译.doc

XK 5040数控立式铣床及控制系统设计论文附 录XK5040数控立式铣床及控制系统设计摘要：本文根据立式铣床工作要求及加工特点，对XK5040数控立式铣床的机械结构和控制系统硬件作简要的设计，使其能满足高效、经济等要求。数控机床是一种高技术设备,它可以通过改变数控程序,适应不同零件的自动加工,而且可以采用较大的切削用量,利用软件进行精度校正和补偿,从而提高生产效率、加工精度和加工质量,可以实现工序集中、一机多用,能完成复杂型面的加工。数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家的数控机床的产量和技术水平在某种程度上反映了这个国家的制造业水平和竞争力。因此数控机床是将来机床研制的重点。本文针对经济型数控立式铣床及其控制系统的设计作简要的讨论。 数控铣床是机械和电子技术相结合的产物，它的机械结构随着电子控制技术的在铣床上的饿应用，以及铣床性能提出的新要求，而逐步变化。与不同铣床相比数控铣床用三个数控伺服系统替代了传统的机械进给系统，其外形和结构与普通铣床类似。数控铣床的设计主要是进行主运动系统与进给系统的机械结构设计和控制系统设计。下面分别作简单介绍。一、总体方案设计 本文主要是针对经济型数控立式铣床进行设计，为了锻炼自己的机床设计的能力，这里主运动系统采用常规机床设计的方法，即采用齿轮变速系统来实现主轴的变速。进给系统采用步进电机开环控制，经过齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过滚珠丝杠螺母副时间进给运动。控制系统采用MCS-51系列单片机为中央处理器的计算控制系统。二、主运动系统设计由于这里采用齿轮变速系统来实现主轴的变速，选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）。根据“前多后少”、“前密后疏”的原则确定其结构式为18=xx，1、传动比的分配由于齿轮传动比的限制，机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：a, 升速传动中，最大传动比 2 ，过大，容易引起振动的噪音。b, 降速传动中，最小传动比 1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。分配最小传动比a,决定轴V-VI和VI-的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1，b,决定各变速组的传动比；由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，及齿轮传动比的现在，根据“前缓后急”的原则，取轴IV-V的最小降速比为极限值的1/4，=1.26，=4，轴III-IV和轴II-III均取=1/2、主运动系统的机械结构设计这里采用齿轮变速系统,这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位拨叉实现。着与普通机床的设计一样。数控机床主轴部件的精度、刚度和热变形对加工质量有直接影响。由于加工过程中不对数控机床进行人工调整，因此这些影响就更为严重。机床主轴采用双列和单列圆锥滚子轴承 ，这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。但是，这种轴承限制了主轴的最高转速和精度，因此使用中等精度、低速与重载的数控机床。在主轴的机构上，要处理好卡盘和刀架的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、 主轴部件的润滑和密封以及工艺上的其他一系列问题。为了尽可能减少主轴部件温升热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度。在某些数控镗、铣床上采用专用的制冷装置，比较理想的实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂，用封入方式进行润滑，每加一次油脂可以使用7年至10年。为了使润滑油和油脂不致混合，通常采用迷宫密封方式。三、 进给系统设计 通常，一个典型的数控机床进给系统，由位置比较，放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。 为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。这里进给系统采用步进电机开环控制，由滚珠丝杠螺母副来实现 ，纵向和横向进给采用130BF001型步进电机驱动，经圆柱齿轮传动带动滚珠丝杠传动，通过丝杠螺母机构来实现；垂直方向进给运动由150BF003型步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。纵向和横向齿轮可采用斜齿轮弹簧调整法来消除齿轮间隙；垂直方向的齿轮间隙可采用圆锥齿轮周向弹簧调整法来消除。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。我们根据载荷选用即可。 四、控制系统硬件设计根据经济性和机械结构的控制要求，XK5040立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括X向、Y向、Z给伺服运动；键盘显示；面板管理；行程控制和其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示等。这里我们选用8031芯片作为CPU。由于8031芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器2764和数据存储器6264各两片。8031单片机共有四个位并行I/O，但可供用户使用的只有 口和部分口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要,扩展一片8155和一片8255可编程接I/O口芯片。另外还需设计一些辅助电路如越界报警和急停处理电路、复位电路、光电隔离电路、脉冲分配器（环形分配器）等。整个设计过程中，都是根据数控立式铣床的实际情况，以高效、经济为目的，使我们设计的铣床应用于实际，具有实际利用价值。The open system merit of Computer Numerical ControlThe open system merit is the system simple, the cost low, but the shortcoming is the precision is low. The reverse gap, the guide screw pitch error, stop inferiorly can affect the pointing accuracy by mistake. Following several kind of improvements measure may cause the pointing accuracy distinct improvement.1. reverse gap error compensates The numerical control engine bed processing cutting tool and the work piece relative motion is depends upon the drive impetus gear,the guide screw rotation, thus the impetus work floor and so on moves the part to produce moves realizes. As traditional part gear, guide screw although the manufacture precision is very high, but always unavoidably has the gap. As a result of this kind of gap existence, when movement direction change, starts the section time to be able to cause inevitably actuates the part wasting time, appears the instruction pulse to push the motionless functional element the aspect. This has affected the engine bed processing precision, namely the instruction pulse and actual enters for the step does not tally,has the processing error therefore, the split-ring numerical control system all establishes generally has the reverse gap error compensatory function, with by makes up which wastes time the step reverse gap difference compensates is first actual reverse enters for the error, converts the pulse equivalent number it, compensates the subroutine as the gap the output, when the computer judgment appears when instruction for counter motion, transfers the gap to compensate the subroutine immediately, compensates the pulse after the output to eliminate the reverse gap to carry on again normally inserts makes up the movement.2. often the value systematic characteristic position error compensatesA kind of storehouse by transfers for the designer. Like this in the components design stage, the designer only must input the characteristic the parameter, the system direct production characteristic example model: We must save the related characteristic class in the database the structure information, the database table collection are use in saving this part of related information. According to the characteristic type definition need, we defined the characteristic class code table, the characteristic class edition information have outstanding shown the characteristic type; Defined the characteristic class structure outstanding to reach the characteristic class the structure; And relates through the components characteristic disposition table and the components characteristic level information. The characteristic level data sheet collection is this components model database design core, has recorded characteristic example information and so on model design, craft. The characteristic structure table has recorded the characteristic geometry structure; The characteristic size table, the characteristic shape position table of limits, the characteristic surface roughness table has recorded the characteristic project semantics quotation; The size table, the shape position table of limits, the surface roughness table saved all components characteristic data message. In the characteristic level, using characteristic ID, geometry principal linkage and so on essential factor ID, size ID, common difference ID, roughness ID carries on the data retrieval. We apply this components information model database under the factory environment some module CAD in the AM integrative system, has realized CAD and the CAPP characteristic information sharing well. Main use ready-made CAD/the CAM software (Unigra phics 1I) carries on the product design and the NC programming in this system, and through carries on two times of developments gains components to this software the size information; At the same time uses the dialogue window which develops voluntarily, lets design the personnel to input other characteristic information alternately, realizes this software and the system sharing database connection. When assistance technological design, the technological design personnel through the procedure inquiry function, inquires the components information from the sharing database which needs, carries on the interactive technological design. Thus has facilitated the CAPP components information acquisition, enhanced the technological design efficiency. When carries on the NC programming using UG, may from the sharing database gain the craft and the manufacture information which needs, carries on various working procedures the knife axle design and the processing simulation establishes an absolute zero spot on the numerical control engine bed, the actual various coordinate axes syzygy completely position error, makes the curve in order to determined compensates the spot. Attempts l to show is an actual position error curve, (error) carries on this curve y-coordinate take the pulse equivalent as the unit the division, makes the horizontal line, each horizontal line and the curve point of intersection namely compensates the spot for the goal. Chart 1 the center 1 to 6 oclock place position errors for, needs to do reduces the pulse to compensate; But needs to carry on 6 to 9 adds the pulse to compensate in the chart the shadow partially for to compensate the area. Compensates the range of points these to become the errorThe calibration corrections stores the computer, when work table by zero displacement in position, installs sends out the absolute zero point localization signal in the absolute zero point micros witch, later computer as necessary will send out the goal to compensate to compensate the signal, will carry on the position error to the engine bed to compensate. The cosine generator assigns slide guage initiation signal a electricity and by step of transmission.3. feedbacks compensates the open-loop controlChart 2 has produced this kind of system schematic diagram. This system surveys two parts by the open-loop control and the induction synchromesh direct position to be composed. Here position examination does not serve as the position the feedback, but is compensates the feedback as the position error. Its cardinal principle is: Installs the instruction pulse by the engine bed numerical control which CNC sends out, on the one hand the supplies open system, the control step-by-steps the electrical machinery according to the instruction revolution, and the direct drive platen moves, constitutes the open-loop control; On the other hand this instruction pulse supplies the induction synchromesh the measurement system (namely digitally, cosine generator), as position demand signal a by. The work in the warning way induction synchromesh this time not only is the position sensor, also is the comparator, it by, The cosine generator assigns slide guage initiation signal a electricity and by step of transmission.4. conclusions Under the CIMS environment the technology which develops unceasingly based on characteristic components information modeling, how enhances the components order of complexity which the characteristic design can complete; How causes question and so on request which the characteristic design adoption trick recognition, the characteristic semantics transforms also to wait for the people to solve. This article introduced the characteristic technology in the components information modeling application, describes this components data model database realization with emphasis; Establishes the components information database system may satisfy the CIMS system well to the letter.Reference:1.Zhang Huashu under. parallel environment based on characteristic components definition model J. mechanical science with technology, 1,999, 18 (1): 14l 144.2.forest morning star, Du full text, Xu Jianxin. characteristic and (,M)/CAPP/CAM integrative system J. the computer-aided design and makes, 1998, 28 (5): 5155.3.Zeng Hui E, Zhou Qingzhong. studied J based on the characteristic mechanical product modelling . the machinery to suppose Counts with the manufacture the regulation, 1,999, 28 (2): 12 l4.数控机床开环控制伺服系统开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度不高。反向间隙、丝杠螺距误差、起停误差等都会影响定位精度。下面几种改进措施可以使定位精度明显改善。1 反向间隙误差补偿 数控机床加工刀具与工件的相对运动是依靠驱动装置带动齿轮、丝杠转动，从而推动工作台面等移动部件产生位移来实现的。作为传统元件的齿轮、丝杠尽管制造精度很高，但总免不了存在间隙。由于这种间隙存在，当运动的方向改变时，开始段时间必然会引起驱动元件的空走，出现指令脉冲推不动执行元件的局面。这就影响了机床的加工精度，即指令脉冲与实际进给步数不相符合，产生加工误差 因此，开环数控系统一般都设置有反向间隙误差补偿功能，用以补足空走的步数反向间隙差补偿就是首先实测反向进给的误差，把它折算成脉冲当量数，作为间隙补偿子程序的输出量，当计算机判断出现的指令为反向运动时，随即调用间隙补偿子程序，通过输出补偿脉冲消除反向间隙后再进行正常的插补运行。2 常值系统性定位误差补偿 类库以供设计者调用。这样在零件的设计阶段，设计者只需输入特征的参数，系统直接生成特征的实例模型：在数据库中我们必须存储相关的特征类的结构信息，数据库表集就是用于存储这一部分的相关信息。根据特征类型定义的需要，我们定义了特征类编码表、特征类版本信息表表示特征类型；定义了特征类构造表表达特征类的结构；并通过零件特征配置表与零件的特征层信息联系起来。特征层数据表集是本零件模型数据库设计的核心，记录了特征实例模型的设计、工艺等信息。特征构造表记录了特征的几何结构；特征尺寸表、特征形位公差表、特征表面粗糙度表记录了特征的工程语义引用；尺寸表、形位公差表、表面粗糙度表存储了所有零件特征的数据信息。在特征层，利用特征ID、几何要素ID、尺寸ID、公差ID、粗糙度ID等主键进行数据检索。我们将该零件信息模型的数据库应用于工厂环境下某型组件的CAD AM 集成系统中，较好地实现了CAD与CAPP的特征信息共享。在该系统中主要使用现成的CADCAM 软件(Unigraphics 1I)进行产品设计和NC编程，并通过对该软件进行二次开发获取零件的尺寸信息；同时利用自行开发的对话窗体，让设计人员交互输入其它特征信息，实现该软件与系统的共享数据库的连接。在辅助工艺设计时，工艺设计人员通过程序的查询功能，从共享数据库中查询所需的零件信息，进行交互工艺设计。从而方便了CAPP的零件信息获取，提高了工艺设计的效率。在利用UG进行NC编程时，可以从共享数据库中获取所需的工艺及制造信息，进行各工序的刀轨设计与加工仿真在数控机床上建立一个绝对零点，实测出各坐标轴相对点的全部定位误差，做出曲线以便确定补偿点。图l所示是一个实测的定位误差曲线，把这个曲线的纵坐标(误差)以脉冲当量为单位进行分割，作出横线，每个横线与曲线的交点即为目标补偿点。图1中的1到6点处的定位误差为正，需要作减脉冲补偿；而6至9处需要进行加脉冲补偿图中阴影部分为补偿区。把这些补偿点列成误差.修正表存入计算机，当工作台由零点位置移动时，安装在绝对原点处的微动开关发出绝对原点定位信号，以后计算机将随时发出目标补偿点的补偿信号，对机床进行定位误差补偿。3 反馈补偿开环控制 该系统由开环控制和感应同步器直接位置测量两个部分组成。这里的位置检测不用作位置的反馈，而是作为位置误差的补偿反馈。其基本的原理是：由机床数控装置CNC发出的指令脉冲，一方面供给开环系统，控制步进电机按指令运转，并直接驱动机床工作台移动，构成开环控制；另一方面该指令脉冲又供给感应同步器的测量系统(即数字式正、余弦发生器)，作为位置给定信号。工作在鉴幅方式的感应同步器此时既是位置检测器，又是比较器，它把由正、余弦发生器给定的滑尺激磁信号传送给步进电机。4 结 论 CIMS环境下基于特征的零件信息建模还是一门不断发展的技术，怎样提高特征设计所能完成的零件复杂度；如何使特征设计适应特征识别、特征语义转换的要求等问题还有待人们去解决。本文介绍了特征技术在零件信息建模中的应用，重点描述该零件数据模型的数据库实现；所建立的零件信息数据库系统可以较好地满足CIMS系统对信。参考文献：1. 张华书并行环境下基于特征的零件定义模型 J机械科学与技术，1999，18(1)：14l 1442. 林晓星，杜全文，许建新特征与(,