（控制理论与控制工程专业论文）基于回转工作台的三轴数控机床多轴化改造研究.pdf

厶原邂i 人j o j ：- t 。谚j 究二l i f 囊论义 基于回转工作台的三轴数控机床多轴化改造研究 摘要 数控机床是当代机械制造业的主流设备，数控机床的技术水平决定着 整个国民经济的发展水平。当今世界各国制造业不断采用新型数控机床， 以提高本国制造能力和水平，提高对动态多变的国际市场的适应能力和竞 争能力。我国制造业也同样提出了对数控机床进行更新换代的要求，但我 国整体数控机床的发展水平不高，中低档数控机床在实际应用中占有很大 比例，对这部分数控机床进行全面更替的难度较大。因此，随着机械制造 技术和数控技术的不断发展，对中低档数控机床进行现代化改造的研究具 有及其广阔的前景。 当前，多轴化复合加工正成为数控机床发展的主流趋势。虽然制造业 对多轴联动数控机床的需求量较大，但一般多轴联动数控机床多为昂贵的 高级数控机床或加工中心。本文正是为了解决此供需矛盾而设计了一种回 转工作台，当普通三轴联动数控机床加设回转工作台后便可以实现多轴联 动。多轴化改造后的数控机床，避免了对工件的反复装夹，可以通过回转 工作台的转动而实现工件单次装夹的多工序、多表面复合加工。 本文所改造数控机床为z j k 7 5 2 3 a 一4 犁变频t 轴三轴联动立式数控铣 钻床，在保持原有数控机床机械结构和数控系统的基础上，设计了一种可 直接安装于原有数控机床工作台而上的川转工作台。在加工过程中，当 j k 7 5 2 3 a 4 型变频主轴三轴联动立式数控铣钻床的加工头在x 、y 、z 方向 平动的时候，被装夹在乜l 转1 - ：f j ；台f ：的加t - 工件可以随着回转工作台绕x 轴、y 轴和z 轴旋转，机腠加一一l ：头与幽转：j ：作台的完美配合最终实现了机 床的多维复合加上。 本文的研究主要包括嘲转：l ：作台的机械结构设计、运动系统设计、数 1 人原矬i 人学坝十训究j t 学f 审论文 控系统设计和软件程序设计等儿方面。首先，确立回转工作台的空问运动 原删和动力学模犁，并根据! 实际机床的加j j _ = 特性，确定f q 转l ：作龠的性能 指标和主要技术指标，从而最终确立j ，外框、中框、内框嵌套的机械结构； 其次，本文选用三菱公司生产的交流伺服电机作为运动系统的驱动元件， 并与各框转轴商接相连驱动各个框架旋转，各框架交流伺服电机的具体容 量由实际框架的转动惯量决定。 在数控系统设计中，本文选用三菱m r ，j 2 s 系列伺服驱动器与交流伺服 电机构成伺服系统，并选用光电编码器作为位置反馈元件，速度和位置采 用闭环控制，m r j 2 s 的p i d 控制参数可通过厂家提供的配套软件来设定。 选用三菱f x 2 n 。3 2 m r 用于上层人机操作系统控制指令的接受、编译和执 行，底层伺服系统实时数据的采集、变换和传输。三菱f x 2 n 1 0 p g 脉冲输 出模块作为位置控制器用于向伺服系统发出高速脉冲，f x 2 n 3 2 m r 的控制 功能和f x 2 n 一1 0 p g 的参数没置可通过编写p l c 梯形图程序来实现。 人机界面采用v i s u a lb a s i c6 0 编写，主要实现回转- 作台的状态显示 和操作控制。状态显示包括p l 转 i 作台实时状态数据的显示和实时空间位 置的描绘。操作控制分为自动、手动、点动三种操作方式，各操作方式具 有特定的操作方法。人机界面与p l c 之间采用串行r s 2 3 2 通讯，具体的通 讯协议通过利用v i s u a lb a s i c6 0 串口通讯控件m s c o m m 及相应的通讯程序 来实现。 关键字：数控机床，多轴，数控，伺服系统，p l c ，人机界面 太原理j 人誓硕十研究：一“_ 沦支 r e s e r c ho nt h em u l t i a x ls1 1 r a ns f o r m a t i o n o ft h et h r e e a x i sc n cm a c h i n et o o l b a s e do nt h er o t a r yw o r k t a b l e a bs t r a c t c n cm a c h i n et o o li st h em a i n s t r e a me q u i p m e n to ft h ec o n t e m p o r a r y m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g t h et e c h n o l o g y l e v e lo fc n cm a c h i n et o o l d e t e r m i n e st h e d e v e l o p m e n tl e v e l o ft h ee n t i r en a t i o n a le c o n o m y t o d a y p e o p l ei nc o u n t r i e s m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g sw i d e l yu s en e wc n cm a c h i n e t o o l si no r d e rt oi n c r e a s em a n u f a c t u r i n gc a p a c i t ya n di m p r o v et h ea d a p t a b l e a b i l i t ya n dc o m p e t i t i o na b i l i t ya g a i n s tt h ed y n a m i cc h a n g e si nt h ei n t e r n a t i o n a l m a r k e t c h i n a sm a n u f a c t u r i n gh a sa l s ob r o u g h tf o r w a r dar e q u e s to ：1u p d a t i n g t i m e w o r nc n cm a c h i n et o o l s ，b u tt h ed e v e l o p m e n tl e v e lo fo u rc o u n t r y so v e r a l l c n cm a c h i n et o o l si sn o th i g h i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h em i d d l e g r a d e a n dl o w g r a d ec n cm a c h i n et o o l sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o n ，w h i c hi sq u i t e d i f f i c u l tt ob ec h a n g e d h o w e v e r ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，i tm u s tb eab r o a d p r o s p e c tt h a tt h em o d e m a l t e r a t i o ni sa g a i n s tt h eb a c k w a r dc n cm a c h i n et o o l s a t p r e s e n t ，t h ec o m p o u n d m u l t i a x i s p r o c e s s i n g i s b e c o m i n g t h e m a i n s t r e a mi nt h ec n cm a c h i n et o o ld e v e l o p m e n t a l t h o u g ht h em a n u f a c t u r i n g d e m a n d sf o ral a r g en u m b l eo ft h em u l t i a x i sc n cm a c h i n et o o l s ，b u tt h e g e n e r a l m u l t i a x i sc n cm a c h i n et o o l sa r em o r ee x p e n s i v ea n dm o r es e n i o r c n cm a c h i n et o o l so rc n cp r o c e s s i n gc e n t e r s t h i sp a p e ri st or e s o l v e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n df o rd e s i g n i n gar o t a r yw o r k t a b l e t h e o r d i n a r y3 一a x i sc n cm a c h i n et o o lw i t hr o t a r yw o r k t a b l ei sa b l et o r e a l i z e 1 1 】 太原理i 人r ：坝 ：研究! f ：f 参俯论义 m u l t i a x i sl i n k a g e a f t e rt h et r a n s f o r m a t i o no ft h e3 - a x i sc n cm a c h i n et o o l s ， t h en e wa v o i d sr e p e a t e dc l a m p i n gw o r k p i e c e s w i t ht h er o t a t i o no fr o t a r y w o r k t a b l e ，t h es i n g l e c l a m p e dw o r k p i e c em a yb ep r o c e s s e di nm u l t i p r o c e s s ， m u l t i - s u r f a c ec o m p o u n dp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , t h et y p eo fc n cm a c h i n et o o lf o r t h et r a n s f o r m a t i o ni s z j k 7 5 2 3 a 一43 - a x i sv e r t i c a lc n cm a c h i n et o o lw i t hf r e q u e n c ys p i n d l e o nt h e b a s eo fm a i n t a i n i n gt h eo r i g i n a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dn u m e r i a lc o n t r o l s y s t e m ，t h er o t a r yw o r k t a b l ec a nb ed i r e c t l yi n s t a l l e do no r i g i n a lc n cm a c h i n e t o o lw o r k t a b l e i nt h ep r o c e s s i n g ，w h e nt h ep r o c e s s i n gh e a do fz j k 7 5 2 3 a - 4 3 - a x i sv e r t i c a lc n cm a c h i n et o o lm o v e si nt h ex ，y ，z d i r e c t i o n ，t h ew o r k p i e c e c a nf o l l o wt h er o t a r yw o r k t a b l ea r o u n dx ，ya n dz a x i s t h ep e r f e c tc o o p e r a t i o n b e t w e e np r o c e s s i n gh e a da n dr o t a r yw o r k t a b l er e s u l t si nt h eu l t i m a t er e a l i z a t i o n o fam u l t i d i m e n s i o n a lc o m p o u n dp r o c e s s i n g t h i ss t u d yi n c l u d e st h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h ed e s i g no f m o v e m e n ts y s t e m ，t h ed e s i g no fn u m e r i a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dp r o g r a m m e f i r s t l y ，t h es p a c em o v e m e n tp r i n c i p l ea n dk i n e t i c m o d e l o fr o t a r yw o r k t a b l ea r ee s t a b l i s h e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o c e s s i n go f t h e a c t u a lm a c h i n et o o l ，t h em a i np e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a li n d e xa r e c o n f i r m e d e v e n t u a l l yt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ew i t hi n s i d ef r a m e ，m i d d l ef r a m e a n do u t s i d ef r a m ei se s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，m i t s u b i s h ia cs e r v om o t o r sa r e c o n n e c t e d d i r e c t l y t ot h ev a r i o u sr o t a r yf r a m e w o r k sa st h ed r i v e so ft h e m o v e m e n ts y s t e m t h ec a p a c i t a n c eo fa cs e r v om o t o ri si nt h el i g h to ft h e a c t u a lm o v e m e n ti n e r t i ao fo ft h er o t a r yf r a m e w o r k i nt h en u m e r i a lc o n t r o ls y s t e m ，m i t s u b i s h im r j 2 ss e r i e ss e r v od r i v e sa n d a cs e r v om o t o r sc o n s t i t u t et h ew h o l es e r v os y s t e m p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r sa s p o s i t i o nf e e d b a c kd e v i c e sm a k et h es p e e dc o n t r o la n dl o c a t i o nc o n t r o lb e c o m ea c l o s e d l o o pc o n t r 0 1 t h em r j 2 sp i dc o n t r o lp a r a m e t e r sc a nb es e tu pb yt h e s o f t w a r ew h i c hi s p r o v i d e db y m i t s u b i s h i m i t s u b i s h if x 2 n 一3 2 m rp l c c o n t r o l l e ri sn o to n l yu s e dt oa c c e p t ，c o m p i l ea n di m p l e m e n tt h eo r d e r so ft h e 1 、。 人原理l 人z 颤一l i j i 究，卜学帝沦文 u p p e rm e n m a c h i n eo p e r a t i o ns y s t e m ，b u t a l s ot o g a t h e r ，t r a n s f o r m a t e a n d t r a n s m i t et h er e a l t i m ed a t ao ft h ed o w ns e r v os y s t e m m i t s u b i s h if x 2 n 一10 p g p u l s eo u t p u tm o d u l ei su s e da sap o s i t i o nc o n t r o l l e ri nah i g h s p e e dp u l s ec o n t r o l s e r v os y s t e m t h ef u n c t i o na n dp a r a m e t e r so ff x 2 n 一3 2 m rc a nb ed e s i g n e d w i t ht h ep l cl a d d e rp r o g r a m m e m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) i sd e s i g n e dw i t hv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r e ， w h i c hr e a l i z e st h er o t a r yw o r k t a b l e ss t a t es h o wa n do p e r a t i o nc o n t r 0 1 t h e r o t a r yw o r k t a b l e ss t a t ei n c l u d e sr e a l t i m ed a t ad i s p l a ya n dr e a l t i m el o c a t i o n d r a w i n g t h eo p e r a t i o nc o n t r o l m o d ei n c l u d e sa u t o m a t i co p e r a t i o n ，m a n u a l o p e r a t i o n ，a n dp o i n to p e r a t i o n e a c ho p e r a t i o nm o d eh a st h es p e c i a lo p e r a t i o n m e t h o d h m ia n dp l cu s er s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ei d i o g r a p h i c c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e dw i t hc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rm s c o m m o fv b6 0a n dt h es p e c i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m e k e yw o r d s ：c n cm a c h i n et o o l ，m u l t i a x i s ，n u m e r i c a lc o n t r o l ，s e r v os y s t e m ， p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r , h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e v 太原珲i 人学硕t i ) f 究t 何论文 图表索引 图2 1右手直角坐标系1 l 图2 23 轴立式铣床坐标系1 2 图2 3多轴立式铣床坐标系1 4 图2 4回转一r 作台框架结构图1 5 图2 - 5 u l 转工作台空问坐标图1 5 图2 - 6 三轴坐标系关系图1 6 图2 7 立式三轴转台19 图2 8卧式三轴转台19 图2 - 9z j k 7 5 2 3 a 4 型数控机床机械结构2 1 图2 1 0 u j 转工作台诉视图一2 2 图2 1 l回转 作台侧视图一2 2 图2 1 2回转。【作台俯视图一2 3 图3 1电动机的转矩一转速特性一2 6 图3 2叫转工作台尺寸图3 0 图3 。3 转动惯量示意图一j 3 l 图4 1数控系统示意图3 6 图4 2 伺服系统结构框图3 7 图4 3m r j 2 s 伺服系统4 0 图4 4 光电编码器原理图4 1 图4 - 5f x 2 n 1 0 p gi f 面i o 口分稚图4 7 图4 - 6p l c 硬件配置4 9 图5 1p i d 控制系统原理框图5 2 图5 2i 三菱m r j 2 s 交流伺服系统原理框图5 3 图5 31 s o 机床坐标系5 5 图5 4附加旧转1 = 作台一眵式铣床结构图5 5 图5 5 机床运动链5 6 xi 太j ! ；! j _ 晕；i 学硕 ：“町 芒7 f 。j j ：i - i 上 图5 - 6 机床坐标系5 6 图5 7 人机界面6 2 图5 8 文件路径界向6 3 表2 】回转工作台性能指标i8 表2 - 2 机床技术参数2 0 表4 】f x 2 n 系列p l c 基本单元4 5 表4 2f x 2 n 系列p l c 扩展单元4 5 表4 3f x 2 n 系列p 工。c 扩展模块4 5 表4 4f x 2 n 系列p l c 特殊功能模块4 6 表4 5f x 2 n 】0 p g 端子功能4 8 表4 - 6i o 点使用表一4 9 表5 1人机界面按钮功能表6 4 表5 2i o 点使用表6 7 表5 3p l c 地址表6 8 表5 - 4 通讯命令7 4 表5 5 通讯状念7 4 表5 - 6 读出p l c 软设备状态i p c 请求代码7 5 表5 7 读出p l c 软设备状念i p c 请求7 5 表5 8 读出p l c 软设备状念一p l c 应答7 5 表5 - 9 向p l c 软设备写入i p c 请求代码7 5 表5 10 置位代码7 6 表5 11 复位代码一7 6 表5 12b r 代码7 8 表5 13b r 方式一i p c 请求7 9 表5 14b r 方式p l c 应答7 9 表5 15w r 代码7 9 表5 。l6b w 代码7 9 表5 17w w 代码8 0 x jl 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：壹丝日期：塑叁：旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为；目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签+ 名：盔日期： 导师签名：日期： 矽。一试 太原理i 人学硕 i j l 究生学 声论文 1 1 引言 第一章绪论 数控机床是当代机械制造业的主流设备，数控机床的技术水平和现代化程度决定着 整个罔民经济的发展水平和现代化程度。数控机床是发展新兴高新技术产业和尖端一i ：业 ( 如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的最基本的 装备。当今世界各国制造业不断采用新型数控机床，以提高制造能力和水平，提高对动 念多变的国际市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控机床为核心的先进制造技术 已成为世界各国加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 最早进行数控机床研制的是美国人。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院成功地研制出世界 上第_ 台数控机床。但这台数控机床仅是一台实验性的机床，直到1 9 5 4 年1 1 月，第一 台工业用的数控机床j 生产出来。从此以后，世界上其它一些工业国家也都丌始丌发、 生产及应用数控机床。我国数控机床的研制是从1 9 5 8 年起步的。早期的数控机床控制 系统采用电子管，体积大、功耗高，只在军事部门应用。只有在微机处理机用于数控机 床后，彳真f 使数控机床得到普及。 数控机床一般分为二个档次，即高档数控机床、普及型数控机床和经济型数控机床。 其中，高档数控机床是个国家先进制造水平的代表。高档数控机床是指加上复杂形状、 多轴控制或工序集巾、自动化程度高、高柔性的数控机床。高档数控机床是国防军工业 装备发展的战略物资，天系到国家的经济命脉和国家安全。目前，困产高档数控机床虽 然已经进入汽车、航空航天、船舶、核电等重点用户领域，但许多高档数控机眯主要还 依赖进口，i f j 某些品种，国内尚属空白。 现今，在我囡制造业中大量使用的数控机床是经济型数控机床和普及型数控机床， 高档数控机床只? _ i 4 j 很小的比例。鉴于我罔数控机床的整体状况和制造业对高档数控机 床的需求，加快更新落后机床的趋势越来越明显。然而，就我困国情来晚，完全淘汰落 后的数控机床足不规史的，即使在欧美发达罔家，对数控机床的更新也局限在一定范围 内。困此，为了卜断提。岛制造) i n s - 技术，就必须对原有的数控机床进行现代化技术改造。 在美国、闩本等发达【列家，对机床改造一成为种新的经济增长行业，正处在黄金时代。 同购胃新机床年h 比，般可以节省6 0 ，- 8 0 的费用。 l 太场i i l ! 1 人芑i 硕l ： 一f 乍t 卜了：f 论义 对落后的数控机床进行现代化改造具钉显著的经济效益和社会价值。我刚制造业要 想 i 断提高自身的制造水u 、l i 和吲阮：览争力，辅婴稃二一i 断添胃新犁。f t 高档数拧机未的同 时，利 目先进的制造技术和控制技术埘原有的数挎机床迸 ：r 现代化改造。从而，全而提 升我罔制造业中机床整体的现代化程度，全豇提高我国制造加：l ：工业的技术水平，增强 困际竞争力。 i 2 国内外发展趋势 根据实际制造加工的要求，对机床进行技术改造之前，必须对国内外数控加工技术 的发展趋势有个详细的了解，这样彳能紧跟先进数控技术的发展趋势，明确技改的目标 和方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术。数控装备则是以数 控技术为代表的，新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品， 即所谓的数字化装各，其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术；信息处理、加工、传 输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软中 ：技术等。数控机床其实就是 种集合各种技术的一种典型的数控设备。 随着世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加i ：等技术的应用，柔性制 造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。 当今数控机床呈现从以下几个发展趋势【2 j ： 1 、性能发展趋势 ( 1 ) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。d 于采，h 了高速c p u 芯片、 r i s c 芯片、多c p u 控制系统和带高分辨率绝对式检测元件的交流数“y - 伺服系统，同时 采取了改善机床动念、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大人提高。 ( 2 ) 柔性化 柔性化包含数控系统本身的柔性和群控系统的柔性。数控系统采用模块化设计，功 能覆盖面大，i 叮裁剪性强，便卡满足不同刖，、的需求；丽群控系统能依摄小i n l q - ：产流程 的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最人限度地发挥群控系统的效能。 ( 3 ) 一艺复合性和多轴化 数控技术的工艺复合化足指工件在一台机床j ：进行次装央后，通过自动换j 、旋 人原j s 2i 人譬碗l 。研究：卜 _ 论文 转：t 轴头或转台等各种j 凸施，完成多：rj 、多表面的复合加工；数控技术的多轴化是以 减少! i ：序、辅助时问为i ：要| l 的复合加工。 ( 4 ) 实时智能化 科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响 应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展， 由此产生了实时智能化控制这一新的领域。 2 、功能发展趋势 ( 1 ) 用户界面图形化 当前i n t e r n e t 、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了 更高的要求。图形用广1 界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单 进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动 态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 ( 2 ) 科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和 语言表达，而町以直接使用图形、图像、动画等可视信息。在数控技术领域，可视化技 术用于c a d c a m ，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态 处理和显示以及加：【：过程的可视化仿真演示等。 ( 3 ) 插补和补偿方式多样化 插补方式有多种多样，如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、螺纹插补、极坐标插补、 螺旋插补、n a n o 插补、n u r b s 插补等。补偿方式有问隙补偿、垂直度补偿、象限误 差补偿、螺距和测量系统误差补偿等。 ( 4 ) 内装高性能p i 。c 在c n c 系统内装高性能p l c 控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直 观的存线调试和在线帮助功能。用户可在标准p l c 用户程序基础上进行编辑修改，从 而方便地建立自己的应j l j 样序。 ( 5 ) 多媒体技术心用 多媒体技术是集汁算机、声像和通信技术- - i 一体，侵计算机具有综合处理声音、文 字、图像和视频信息的能力，在数拧技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合 化、智能化，在实h , j 监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方而有 着重要的应用价值。 ： 太瞒i 删! t 人。7 ：倾f ：l l j f 究! f ： - 7 f 皇沦文 3 、体系结构的发展趋势 l11 集成化 采用高度集成化的c p u 、r i s c ：卷片和大觇模可编稃集成 u 路f p g a 、e p l d 、c p l d 以及专用集成电路a s i c 芯片，可提高数控系统的集成度和软艘件运行速度。应用fpd 平板显示技术，可提高显示器性能。 ( 2 ) 模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模 块，如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、通讯等模块，制作成为标准的 、系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。 ( 3 ) 网络化 数控机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上 对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的 屏幕上。 ( 4 ) 智能化 智能化新代数控系统将计算机智能技术、i 碉络技术、c a d c a m 、伺服控制、自 适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等赢新技术融予一体，彤成严密的 制造过程闭环控制体系。 1 3 课题研究的目的及意义 上节中，在介绍国内外数控加工技术的发展趋势的时候，提到了现代数控加工技术 中出现工艺复合性和多轴化的发展趋势。本文的研究目的是对3 轴联动数控机床进行 多轴化改造，提高原有3 轴联动数控机床加工的灵活性年l ) j l i - f 效率。 本文对3 轴数控机床进行多轴化改造后，原有机床可以实现多轴复合加i ：。常见多 轴联动数控机床为5 轴数控机床。5 轴数控机床可用f 加： 许多型面复杂的特殊天键零 件，对航空、航天、船舶、兵器、汽车、电力、模具和医疗器械等制造业的快速发展， 对改善承j 提升诸如飞机、导弹、发动机、潜艇及发电机缎、武器等装备忖能i ；i 蝴：1 1 ；奠仃非常 重要的作崩。5 轴数控机床已成为装备制造业和先进因防武器装备产品伙速研发与实现 的父键，鹱础t 设备。因此，两方工业发达国家都将5 轴数控机床列为陶家战略物资，幔格 管理，限制出口到发展中国家。 4 太原理i ：人中坝- i ： i j 究t 侮论文 缸：制造、l k 领域，复杂零件切削加1 ：广泛采j l j5 轴联动数摔机床，并成为机械制造技 术。种发腱趋势则是最近1 0 多年来的事。近1 0 多年来世界市场发生了j 诞本性变化，制 造企、i p 为适应全球化市场的多变性、顾客需求多元性和个性化，已从传统的大批量生产 模式转向定制生产模式，从传统产品机械自动化生产转向产品全数字化生产( f u l l y e m a n u f a c t u r i n g ) ，快速研发和实现具有创新性的产品已成为企业面临的巨大挑战。所有 这些都极大促进了制造业，特别是宇航制造业，迫切需要更多地转向采用5 轴数控机床 来解决复杂产品加工的快捷性、高柔性、高生产率和高质量，取得产品快速研发和实现 产品全数字化生产。发展5 轴数控机床的必然性如下所示【3 j ： 1 、产品零件结构一趋复杂 “ 制造业为满足产品先进技术性能指标和用户特定要求，导致当前及未来设计的产品 零件结构r 趋复杂。典型示例如新一代飞机，为满足空气动力学的要求需要双曲面复杂 机翼壁板整体结构件和复杂的梁、框、肋整体结构件；发动机压气机与涡轮机的具有空 间曲面叶片或整体叶轮零件等。加工这些复杂3 d 空间构件多需要5 轴数控机床，靠3 轴机床加工再加手工打磨或其它补充加工方法，在生产率、精度、质量等方面都已不能 满足制造q p 在生产复杂产品时对制造技术所提出的要求了。同时，在3 轴数控机床- 上加 工原本需要5 轴数摔机床力f l ：t 的复杂零件，小仪低效率、费时，而且费用反而增高。 2 、对零件精度、孝h 糙度等质量要求日益提高 面对激烈竞争的全球化市场，制造业所面临快速、高效研发和实现具有创新性产品 的压力越来越大，促使制造业将更快速走向采用产品全数字化生产，其结果导致对产品 零部件制造加1 ：精度、粗糙度等质量要求只益提高。 3 、制造业面临快速低费用加工的压力日益增高 工业实践已证明，加工大型复杂零件和多工序加工，不仅加工周期长，而且零件装 央、测量和校j f 作业成本很高，占用机床时问长，增加了生产过程管理的难度，导致制 造企业面临快速低费用加，l 。的j e 力r 益增高。“一次装央加工完成”加工工艺策略显得 越来越重要，已被众多制造企业，特别是航空、航天和汽车等制造业所采用。向实现 这种臼标就需要5 轴数控机床或复合数控机床作为基础和前提。 4 、发展数字化制造技术的；嚣求 随制造、i 止数宁化技术的发展，数字模型和3 d 模型化产品( 零件) 对一个现代制造 企业已是必不一旺少的，实现，氘晶全数字化生产已成制造企业发展的战略目标。包括实士兕 产品数字化总装配在内的产品全数字化生产对零件加i i ：精度、粗糙度、相关联的尺寸精 5 太原理1 人倾- t - l , j j 究- q ：学f _ 论文 度等提h 了史岛要求、采用5 轴数控机床能更好地构建集成数字化设计席4 造环境，适应 产品令数字化t l 二产的璎求。 5 、i 恒用5 轴数控机床益处多多 工业实践证明，应用5 轴数控机床d n _ - i _ ；产品确实能给制造企业带来许多益处，极大 推动了更多制造企业对5 轴数控机床提出需求。 现代5 轴数控机床能为制造业提供更高生产率、更好设备柔性和零件加工质量。制 造q 肛产晶零件切削加工更多地采用5 轴数控机床具有许多明显优点：1 4 】 l 、增加制造复杂零件的能力 能使制造业增加零件制造多样性和具有制造复杂零件的能力，从而能更好适应全球 化市场的多变性、顾客需求多元化和个性化，增强产品的创新能力和竞争力。 2 、优化加工零件精度和质量 采用5 轴数控机床可实现使用刀具最佳几何形状切削( 包括球头铣刀的圆弧部分、 非顶部分) ，大大提高了加工效率，改善了表面粗糙度，优化了零件质量和精度，减少 返工与废品。 3 、降低零件加：e 费用 采用5 轴数控机床，可使原来需要多台数控机床d h i _ 的工序合并在一台机床上实现， 不仅减少了加工工艺链中机床的数量，减少零件装央和搬运次数，甚至可省去某些自动 生产线的运输传送装置，节约了生产占地空f b j 和投资费用，缩短生产周期，降低生产费 用，而且简化了生产过程调度管理，从而提升了制造车问产品产出能力。 4 、减少专用刀夹具及费用 加工同样复杂零件，与3 轴数控机床相比，5 轴数控机床由于具有加t 复杂空问曲 面能力，通常需要较少的专用刀具与央具，存取刀具迅速，从而可提高i j l l t 效率和较大 幅度地降低生产费用。 5 、实现复合加工 一些5 轴数控机床，能使得数控机床5 轴联动加j i j 和血面体加工( f i v e s i d e d m a c h i n i n g ) 于- - 台机床而实现复合加工，适合于复杂整体结构件、箱体零件和大型模 具的加 。 由此，可见5 轴数控机床的优点和实际应用价值，这也讵是本文对单一3 轴联动的 数控机床进行多轴化改造的目的和意义所在。 久i 采j 警1 人