（机械制造及其自动化专业论文）多功能数控龙门刨床控制系统研究与设计.pdf

山东理工大学硕十学位论文 摘要 数控机床在现代制造业中扮演着重要角色，基于p c 机的开放式数控系统 是机床数控系统发展的方向。 本论文依据开放式数控系统的思想，在传统的某小型龙门刨床上，以 w i n d o w s 9 8 为操作系统平台，利用v c + + 6 0 和v t o o ls d 编程语言开发了一套两 坐标数控系统，实现了以下功能：文件操作、图形模拟、图形加工、机床调整、 操作说明。 改造了龙门刨床刀架的纵横进给结构，采用了开环伺服系统，设计了一个 数控接口电路，完成了数控系统装置与刨床开环伺服系统的信息和数据交互任 务。 数控系统软件是一个实时性很强的软件，而w i n d o w s 9 8 不是实时性操作系 统，并对直接操作硬件进行了屏蔽，那么如何完成刨床数控系统的实时性任务 变成了技术难题。本文采取了编写数控接口板卡的虚拟设备驱动程序v x d 来响 应判定工作台位置的传感器信号的中断，解决了实时控制问题。 插补是数控系统的核心功能，其算法直接决定了数控系统性能的优劣。本 论文采用了差分插补算法，统一了直线、二次曲线插补，避免了复杂曲线用直 线和圆弧拟合逼近的作法，降低了计算的复杂性，提高了机床加工精度。 最后，本文总结了研究完成的工作，并指出了在今后进一步研究中应解决 的问题。 关键词：数控系统；实时性；差分插补 山东理t 大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t n cm a c h i n e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，a n o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do np ci st h ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fm a c h i n et 0 0 1 a c c o r d i n g t ot h ei d e ao fa n o p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，t h et w o c o o r d i n a t e sc n cs y s t e mi sm a d ei nv c + + 6 0 a n dv t o o l s do nw i n d o w s 9 8 o p e r a t i n gs y s t e mo nt r a d i t i o n a lp l a n n e r ，a n dm a n yf u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e d ，s u c h a sd o c u m e n to p e r a t i o n s ，g r a p h i c ss i m u l a t i o n ，g r a p h i c sp r o c e s s i n g ，m a c h i n et o o l a d ju s t m e n t ，o p e r a t i o ni n t r o d u c t i o n t h ef e e ds t r u c t u r eo fp l a n e rh e a di sc h a n g e dt ou s eo p e nl o o ps e r v os y s t e m ， a n dt h ei n t e r f a c eo fc n ci sa l s od e s i g n e dt ou n d e r t a k ei n t e r a c t i v et a s k so fp l a n e r c n cs y s t e ma n do p e nl o o ps e r v os y s t e m c n cs y s t e ms o f t w a r ei sah i g hr e a l - t i m es o f t w a r e ，b u tw i n d o w s 9 8i sn o tt h e r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n ds h i e l d so p e r a t i n gb a s i ce q u i p m e n td i r e c t l y ，s oh o w t oc o m p l e t er e a l - t i m et a s ko fp l a n e rc n c s y s t e mb e c o m e st e c h n i c a lp r o b l e m s b y w r i t i n gv i r t u a ld e v i c ed r i v e ro ft h ei n t e r f a c ec a r do fc n c t or e s p o n s et oi n t e r r u p t o fs e n s o rs i g n a lj u d g i n gw o r k t a b l ep o s i t i o n ，r e a l t i m ec o n t r o lp r o b l e m sa r e s o l v e d i n t e r p o l a t i o ni st h ec o r eo fc n cs y s t e m ，i t sa l g o r i t h md e c i d e sd i r e c t l yt oc n c s y s t e mp e r f o r m a n c eq u a l i t y d i f f e r e n t i a li n t e r p o l a t i o ni su s e di n t h i sp a p e r , a n d t h i sa l g o r i t h mu n i f i e sl i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dq u a d r a t i cc u r v ei n t e r p o l a t i o n ，a v o i d s a p p r o x i m a t i n gc o m p l e xc u r v eb yu s i n gm a n yl i n e a ra n dc i r c u l a rs e g m e n t s ，r e d u c e s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , i m p r o v e sp r o c e s s i n gp r e c i s i o n f i n a l l y ，m a jo ra c h i e v a b l eo u t c o m e sb yr e s e a r c h i n ga r es u m m a r i z e d ，a n daf e w s o l v e dp r o b l e m sa r ea d v a n c e di nf u r t h e rr e s e a r c h i n g k e y w o r d s ：c n cs y s t e m ；r e a l - t i m ec o n t r o l ；d i f f e r e n t i a li n t e r p o l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：2 值犯 时间： 跏龇勘扩帆 年月日 年月日 山东理工大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数控技术和数控系统的发展历史 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行自动控制的技术，综合了计 算机、自动控制、伺服驱动、测量、机械制造等多项技术。数控机床是采用了数控 技术的机床，是数字化的机电一体化产品。主要由加工程序载体、数控装置、机床 主体、伺服系统和其它辅助装置如气液、照明装置等组成，其结构示意图1 - 1 所示， 随着其不断发展和应用的扩大，已经成为现代制造业的基础装备。而数控系统是数 控机床的核心关键部件，由计算机数控装置( c n c ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 、主 轴驱动和迸给驱动装置、检测装置等组成。 图1 - 1 数控机床的基本结构 数控技术是在普通机床的基础上因军事工业需求发展起来的，综合了机械学、 控制学、电子学、计算机科学四大基础学科的一门综合性新型学科。机床数控技术 给传统的制造业带来了崭新的革命，半个多世纪以来，随着电子科技尤其是计算机 技术的发展，经历了两个阶段和六代发展【1 2 1 。 1 9 5 2 年美国帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究室的合作下，成功的研制 成功世界上第一台数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件，只在航空工业等少 数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1 9 5 9 年，制成了晶体管元件和印刷电 路板，使数控装置进入了第二代，1 9 6 5 年，出现了第三代的小规模的集成电路数控 装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机 床品种和产量的发展以上三代的数控装置存在着很大的局限性：数控系统均为硬 件式数控，零件程序的输入、运算、插补、控制功能均为专用硬件来完成，其功能 简单、体系结构不开放，用户接口不完善。随着微电子技术的迅速发展，出现采用 小型计算机控制的计算机数控系统( 简称c n c ) 使数控装置进入了以小型计算机化 为特征的第四代，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的专用的存贮器中， 形成软件控制机床技术。1 9 7 4 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计 山东理工大学硕 ：学位论文 第一章绪论 算机数控装置( 简称m n c ) ，这是第五代数控系统，第五代与第三代相比，数控装置 的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1 2 0 ，价格降低了3 4 ，可靠性也得到 极大的提高，其后十年，超大规模集成电路、大容量存储器、可编程接口和网络接 口等技术出现，再加上软件技术、计算机图形学技术取得的成就，机床数控技术突 飞猛进。9 0 年代以来，由于个人p c 的c p u 的运算字长、运行速度和准确性越来越 高、操作系统的稳定性、可靠性也越来越好，可以满足数控系统核心部件的要求， 数控系统从此进入了基于p c 的阶段，形成了软件数控，即第六代，并朝着个性化、 开放性、网络化、智能化的方向发展。 基于p c 平台的开放式数控系统，采用模块化、层次化的结构，向外界提供统 一的应用接口，其大部分或全部数控功能用软件来实现，已经成为数控系统发展的 潮流。 1 2 数控系统的国内外研究状况和发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 一、国外数控系统研究现状 目前，先进的数控技术掌握在一些欧美国家，如西班牙f a g o r 、德国s i e m e n s 、 美国a b 、法国的n u m 、日本o k u m a 、f a n u c 、m i t s u b i s h i 。其中日本的f a n u c 、德 国的s i e m e n s 以优越的、稳健的数控系统功能而占据着世界机床市场。日本是数控 系统生产大国，f a n u c 年产量达到了世界总产量的一半，1 9 8 7 年推出了至今仍占领 先地位的f a n u c 1 5 ，先后又推出了f a n u c - 1 6 、f a n u c - 1 8 和f a n u c 一2 0 等系统f 4 】o8 0 年代，美国制造业开始衰退，为了重新振兴机床工业，国家制造科学中心( n c m s ) 与 空军制定了“下一代工作站机床控制器”体系结构的研究计划，简称n g c ( n e x t g e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e t ) ，开始了开放式控制系统的研究。 由于传统的控制系统是一种封闭式系统，相互兼容性不好，内部结构复杂，维修不 便，更难于升级和二次开发而开放式控制系统结合先进c a d c a m c a p p 技术，是 一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统。并且适应制造业的f m s c i m s 发 展要求。 基于标准p c 的开放式数控系统，能提供自由的设备组合、友好的操作界面、 先进的通讯工具，颇受关注。研究机构如美国三大汽车公司的o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 ) 项目；欧共体的“自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ；日本的o s e c ( o p e n s y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划等【3 l 。这标志着对新一代数控系统的研 究如火如荼，商业应用前景非常广阔。 2 山东理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 二、国内数控系统研究现状 我国于1 9 5 8 年开始数控机床行业，技术比较落后，到2 0 世纪7 0 年代初研究 出数控车床、数控立铣床、非圆插齿机、数控磨床和加工中心，这一时期的数控系 统不稳定、可靠性差，限制了数控技术的发展，改革开放后，经过技术引进、创新 和七个五年计划的国家支持，中国的数控技术得到了质的飞跃，开发出了一批具有 自主版权的中高档数控系统。华中科大利用数控专用集成电路嵌入到i p c 构建硬件 平台，以m s d o s 、w i n d o w s 为操作系统平台开发了华中和中华i 型数控系统，具有 曲面造型与自动编程的c a d 功能软件，能进行复杂曲面的造型、数控加工规划、n c 程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面直接插补功能。航天科技集团在p c 机上加上数控通用专用模板构成单机系统，以此与其它p c 机相连组成前后台型的 多机系统，解决了实时多过程控制。蓝天在原7 5 0 0 系列的基础上通过二次集成缩 小化设计后与p c 互连构成8 5 0 0 系列多机系统。表明我国具有开发、生产中、高档 数控系统的能力，为我国在现代制造业从技术上和战略上具有很重要意义和深远影 响。 在开放式数控系统研究上，我国起步较晚，但在“八五 期间做了一些有意义 的探索，上述的几种数控系统就是以开放式控制系统思想而设计制造的，但它们各 自体系，互换性、兼容性极差，关键在于世界上对于开放式控制系统没有统一的协 议，即统一的标准1 3 , 5 , 6 。 1 2 2 数控系统的发展趋势 现在的机电设备基本上具有自动控制系统装置，且机械部件越来越少，内嵌软 件功能模块越来越多，并随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械 制造的高速发展，数控系统朝着功能上个性化，体系结构上开放化的趋势发展【3 , 4 1 ： 一、功能上的个性化 ( 1 ) 高速、高精度、高可靠性 速度和精度是数控产品的两个重要指标，它关系着零件的加工效率和质量。提 高主轴转速、和进给速度、减小换刀时间、提高数据处理速度等实现高速加工。高 精度就是零件的精度等级达到了微米级、纳米级，从普通加工、精密加工到超精密 加工，使产品满足现代工业的加工精度要求。保证零件加工效率和质量，还要求数 控机床有很高的可靠性，一般数控系统的可靠性要高于数控设备的一个数量级，使 其平均无故障运行时间m t f 在一个合适的范围上。 ( 2 ) 复合化 数控机床具有多功能复合加工能力，集车、铣、钻、镗等功能于一身，提供多 轴控制和多轴联动控制，使零件加工工序或工艺集中，实现零件一次装夹后完成各 3 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 种复杂曲面的全部加工，如各种机械加工中心。不仅保证了加工精度，减少了辅助 时间，还提高了生产效率。 ( 3 ) 智能化 人工智能渗透到数控技术领域，利用自适应控制、神经网络、模糊控制、专家 系统、前馈控制、等技术实现机械加工过程中数控装备动态的响应外界变化，使机 床达到加工时最佳状态。 ( 4 ) 柔性化、集成化、网络化 产品的多样化、个性化的需求要求数控机床具有模块化、可重构、可扩充的柔 性化特点，如具有统一处理任何曲线的插补技术、图形交互c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a d e ) c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 自 动编程系统、进行二次开发的接口等，便于技术移植、系统设计研究，提高了机床 使用柔性。柔性化又要求机床装备采用高度集成化的功能模块芯片和应用数控技术 的网络化。最后构成c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 二、体系机构上的开放化 传统的数控系统体系是一个软硬件专用、封闭的体系结构，而开放式数控系统 基于p c 机的软硬件平台，采用模块化、层次化结构设计。目前，对开放式系统定 义很多，各研究机构的定义不尽相同但大体相似。开放式系统一般认为应具有以下 特础3 】： ( 1 ) 模块化：功能模块化和系统体系结构模块化即数控内部实现各功能的算法可分 离可替换。 ( 2 ) 标准化：硬件和软件接口标准化。 ( 3 ) 平台无关性：控制器不依赖于特定的硬件和操作系统平台，实现跨平台移植。 ( 4 ) 二次开发：根据提供的接口标准，可增减硬件和软件功能。 ( 5 ) 适应于网络操作。 基于p c 的数控系统大致分三种类型【7 1 ： ( 1 ) p c 嵌入n c ：将p c 板插入n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统中，两者通过总线 进行通讯，p c 机完成一些非实时任务：显示、编程、存储等，而n c 部分仍然是传 统的数控系统，体系结构不开放。如f a n u c l 8 i 、s i e m e n s 8 4 0 d 、m u m l 0 6 0 。 ( 2 ) n c 嵌入p c i 2 4 j ：以p c 为系统平台，n c 部分主要为运动控制卡或可编程逻辑 控制器( p l c ) ，插入p c 的插槽内，通过p c i 、i s a 、c a n 等总线进行通讯。p c 机完成 数控系统的非实时性任务，而运动控制卡配有开放的函数库，用户可以编写自己的 插补、位控程序实现多轴多通道联动控制。目前市场上著名的运动控制卡是美国 d e l t at a u 公司生产的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) ，p l c 编程器 多为日本三菱。 ( 3 ) 全软件数控 t 2 , t 3 ：数控系统的大部分或全部功能由软件来实现，通过标准的 4 山束4 i 大学磺学位论立 第一章绪论 接口或专有硬件电路控制机床的运动，完成产品的加工，而修改或增减系统功能时， 不需变动硬件电路，只需改变系统软件具有很高的灵活性，充分体现了开放式控 制系统的特征。其典型产品有美国曲s i 公司的o p e nc n c 。德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 在数控功能部件上，如转塔刀架、电主轴、刀库、滚珠丝杠、直流伺服电机等 也发展迅速机床的整体机构设计从串联式向并联式发展，出现了井联机床，能加 工具有复杂空间曲线或曲面的产品。 13 课题的提出和研究意义 本课题来源于企业委托的项目“龙门刨床数控系统研究与设计及复杂柱面零 件刨削c a p p c a m 一体化”，该课题为龙门刨床数控系统的研究与设计部分。 该企业专业研制、生产预应力混凝土预制构件成型机( 如图卜2 ) 其上( 箭头 所指零件) 空心异型截面芯模是影响产品质量的重要零部件，截面( 如图卜3 ) 由直 线、圆弧组成，有些新产品由其它二次曲线( 椭圆、抛物线、双曲线等) 或外摆线、 渐开线等非规则曲线组成，芯模长度9 0 0 、1 1 9 0 、1 2 0 0 不等。传统的龙门刨床通常 加工大型工件的平面、沟槽、斜面、成形平面，但对于截面轮廓复杂曲线的长柱面 工件就不好加工或加工成本很高，如罗菠鼓风机转子，其端面型线为多段渐开线、 圆弧、直线等曲线连接而成，长度3 0 0 m m 以上：大型水环泵叶轮模型叶片，其截面 轮廓有多段直线和圆弧组成长度5 0 0 姗以上4 l 。 百- d _ _ _ 一 图卜2 混凝土预制构件成型机 山东理t 大学硕二i ：学位论文第一章绪论 图1 - 3 空心异型截面芯模轮廓 用先进的数控技术研制龙i - n 床的数控系统，可以用柔性很高的软件功能模块 弥补传统机床的不足。扩宽加工工艺范围，提高机床加工精度，降低制造成本。 虽然现在市场上有数控龙门刨床、数控龙门刨铣床、数控龙门铣磨刨床、龙门 加工中心，适用于该产品，但价格昂贵。更令人遗憾的是数控系统多用国外的，如 日本f a n u c ，德国西门子8 4 0 d 。本课题提出在原有的某小型龙门刨床上开发两坐标 数控系统，能插补截面为任意直线和二次曲线或其联接成的曲线的长型柱面件，也 适合于加工空心异型截面芯模。 利用目前的数控技术，在原有的制造装备上研究和设计控制系统可提高设备自 动化水平，提高生产效率、降低制造成本，扩宽工艺范围，提高加工产品的加工精 度，是推广机电一体化技术、先进制造技术的重要手段，易适用于小中型企业。也 大大减轻了工人的劳动强度，为装备制造业做出贡献。 1 4 课题的研究内容和方法 由于基于p c 的开放式数控系统是一个模块化、层次化、可重构、可扩充，具 有友好的操作界面，向外界提供统一的应用接口的控制系统，是构成先进制造系统 的理想控制系统结构。所以本论文依据开放式数控系统的思想，在传统的某小型龙 f - f l u 床上开发两坐标数控系统，实现插补截面为任意圆锥曲线的长型柱面件。本论 文研究内容和方法如下： ( 1 ) 建筑产品的精度要求不高，采用开环伺服系统，步进电机控制方案，主要设 计刀架的纵、横向进给传动系统，包括步进电机、滚珠丝杠螺母副的选择和一些辅 助零部件的设计制造。为完成数控装置对伺服系统的控制，设计了一个数控接口电 路，实现两者的信息和数据交互。 6 山东理丁大学硕十学位论文第一章绪论 ( 2 ) 基于p c 机，以w i n d o w s 9 8 为系统软件平台，利用面向对象语言v c + + 6 0 编 写数控系统软件，该数控软件主要实现以下功能：文件编辑、图形模拟、图形加工、 机床调整。数控软件是一个实时性很强的控制软件，而w i n d o w s 9 8 系统不是实时性 操作系统，又工作在保护模式下，不能直接操作底层硬件，本文通过v c + + 6 0 和 v t o o l s d 编写数控接口板卡的虚拟设备驱动程序v x d 解决了数控软件的实时性问题。 ( 3 ) 数控系统处理数据的过程分为：译码一刀补处理一速度处理一插补一位控， 其中插补是数控系统的核心，其算法直接决定着数控系统功能的优劣。本论文采用 了一种新的插补算法一差分插补算法，统一了直线、二次曲线的插补，避免了复杂 曲线用直线和圆弧拟合逼近的作法，降低了计算的复杂性，提高了机床的加工精度。 1 5 本章小结 本章论述了数控技术和数控系统的发展历史，数控系统的国内外研究现状和发 展趋势。详细介绍了课题的来源、提出、研究意义。顺应数控系统发展的潮流，提 出了依据开放式数控系统的思想，在原有的小型龙门刨床上开发一套两坐标数控系 统。最后概括了本论文研究的主要内容和方法。 7 山东理t 大学硕十学位论文第二章数控龙门刨床伺服系统和数控接口设计 第二章数控龙门刨床伺服系统和数控接口设计 2 1 龙门刨床机床方案设计 传统的龙f - j n 床由床身、工作台、立柱、顶梁、横梁、垂直刀架、侧刀架组成， 工作台相对刀架作直线往复运动构成龙门刨床的主运动，刀架相对工作台作垂直和 横向运动构成刨床的进给运动，主要用于加工各种机械上的大、中型零件的水平面、 垂直面、倾斜面以及各种平面组合的导轨面，但不能直接加工圆弧面，更不能加工 截面轮廓线为非圆二次曲线的零件。如果改变刀架的转动机构，添加回转结构和靠 模曲面装置来加工，只能针对某系列类型的零件，加工范围太窄，不能适应零 件的多样化f 9 】。本数控龙门刨床引入两个步进电机、滚珠丝杠和一些连接部件 组成开环伺服系统，带动刀架在x 方向和y 方向运动。工作台的原转动装置保 留，其直线往复运动由行程开关控制，在床身上安装一个非接触式电磁传感器 和在工作台的侧面加一个配合传感器的铁条( 长度要大于被加工的零件) ，协调 刀架和工作台的运动，从而实现龙门刨床的进给运动，并能刨削直线，圆弧或 其它二次曲线，对于加工不同截面的零件只需修改程序即可，减少了设备的数 量，增大了加工柔性。本数控龙门刨床的机床结构如图2 1 所示 8 山东理下大学硕十学位论文第二章数控龙门刨床伺服系统和数控接口设计 图2 - 1 数控龙门刨床的机床结构 2 2 伺服传动系统设计 2 2 1 数控龙门刨床的伺服系统 数控机床的伺服系统是指各坐标轴的进给伺服系统，必须保证数控装置发出的 控制指令转化成符合速度要求的相应角位移或直线位移，带动运动部件在各坐标轴 上联动或单独动。一般由驱动控制单元、驱动件、机械传动部件、执行件和检测反 馈环节组成。是连接c n c 和数控机床主体的关键部分，其性能关系到数控执行件的 静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢等【1 0 】。 数控机床的伺服系统从控制角度上分为开环控制、半闭环控制、全闭环控制三 种。开环伺服系统不需要位置检测与反馈，驱动电机主要为步进电机。电机转过的 角度正比于指令脉冲个数，运动速度由进给脉冲频率决定。结构简单、运行平稳、 易于控制、使用和维修方便，但精度不高，一般用于经济型数控机床和普通机床改 造中。半闭环伺服系统通过角位移测量元件测量伺服电机或滚珠丝杠轴端的转动间 接得到工作台的直线位移，然后反馈数控系统中与指令位置值比较，用差值实现控 制。由于滚珠丝杠螺母副、导轨副在反馈环节外，其传动误差仍然影响工作台的位 置精度，但可以在数控程序中调整反向间隙误差、丝杠螺距累积误差进行定位补偿。 闭环伺服系统是把位置测量装置安装在工作台上，实时动态的反馈工作台的位移， 在数控系统中与指令值比较，差值实现移动部件的控制，控制精度高、速度快，主 9 山东理工大学硕十学位论文 第二章数控龙i - j 包l j 床伺服系统和数控接口设计 要用在精密机床上。由于在原有的某小型龙f - i n 床上进行数控系统开发，而且建筑 产品的精度要求不高，故采用开环伺服系统，其结构示意图如2 - 2 所示。 指令脉冲 图2 - 2 开环伺服系统 在设计伺服系统的机械传动机构时，应尽量使用低摩擦的传动副，满足最佳降 速比的脉冲当量，低转动惯量、传递路径短、传动间隙小的传动链，采用预紧的方 法提高传动系统的刚度。选择的伺服电机要与负载间的转矩和转速得到合理的匹 配。确保数控机床迸给系统的传动精度、定位精度和工作的平稳性。 2 2 2 步进电机的选型与计算 开环伺服系统大都采用反应式步进电机作为执行元件，但因龙门刨床的刨削运 动是往复间歇运动，使用中容易产生冲击，故选用混合式步进电机。选用的步进电 机又要响应迅速、负载能力大、不丢步、失步、控制性能优越等，必须满足下列要 求p 4 j s ： ( 1 ) 转动惯量匹配：系统的惯量匹配对于系统的灵敏度影响很大。如果负载转 动惯量过大，电机加减速时间要长，同时伺服系统的动态特性会使整个系统的综合 性能变差，如果负载惯量过小，说明电动机选择或进给系统设计不合理，应使折算 到电机轴上的全部负载惯量z 限制在一定范围内，满足下列关系式： 0 2 5 厶4 以，其中以是伺服电机转子的转动惯量。 ( 2 ) 力矩匹配：为了保证进给系统的正常工作，步进电机的输出转矩要大于负 载所需的转矩，而且留有一定余量，电机的负载转矩z 应满足下列关系式： k 乃以i = ( o 2 - 0 5 ) 最佳，其中为伺服电机的最大静态力矩。 ( 3 ) 最高工作频率能满足机床移动部件快速运动的要求，使最高频率下的启动 力矩大于快速空载启动时所需力矩，如果小于，可通过硬件和软件方法解决，若解 决不了，重新选择步进电机。硬件方面采用性能好的驱动电路，软件方面研究步进 电机加减速的插补器。 下面以刀架横向( x 向) 传动机构的步进电机选择为例加以说明。x 向步进电机 经减速结构、连接轴、套筒联轴器带动滚珠丝杠转动，进而带动丝杠螺母水平移动， 丝杆螺母与滑枕通过与螺母配合的螺母套筒座上的三个螺钉联接固定，最终带动滑 1 0 山东理t 大学硕十学位论文第二章数控龙l j 包l l 床伺服系统和数控接口设计 枕和刀架在横梁上滑动。已知：滑枕和滑枕上的零部件总和w = 1 8 0 0 n ，滑枕与横 梁导轨( 导轨类型为直线和燕尾形组合) 间的摩擦系数材= 0 0 6 ，要求滑枕的进给速 度5 0 - - - l o o m m m i n ，其中= 5 0 m m m i n ，快速空载行程速度= 1 0 0 0 r a m m i n ， 滚珠丝杠直径d = 2 5 r a m ，导程只= 6 m m ，丝杠有效长度l = 1 4 0 0 m m ，滑枕最大行程为 t o = 8 0 0 m m ，定位精度0 0 1 。步进电机选择步骤如下： 1 、脉冲当量的选择：步进电机开环进给系统的一般取为万= o 0 1 m m p 。初选混合 式三相步进电机步距角= 0 6 。，三相六拍工作方式。 2 、降速比计算： 待黑：鱼兰鱼一1 ：1 ( 2 1 ) 3 6 0 ”万3 6 0 0 o l 表明步进电机作为驱动装置的进给传动系统中，电机轴与滚珠丝杠轴可以直接连 接，但考虑工况条件，仍采用一级齿轮传动，模数m = 1 ，z i = z = 7 0 ，齿轮厚度 b = 2 0 r a m 。由于刀具在刨削时刀架不作运动，不承受切削力，也不承受滑枕和刀架 的重力，只克服滑枕和横梁间的摩擦力，载荷较少，对于齿轮不作校核了。 3 、等效转动惯量计算： ( 1 ) 滑枕和刀架的转动惯量： 厶= 詈( 去) 2 = 等( 慧) 2 乩6 7 6 6 k g 耐 p 2 ， ( 2 ) 滚珠丝杠的转动惯量： 以：i 咒p d 4 l ：3 1 4 x 7 8 x 1 0 3 _ x 0 0 2 5 4 一x 1 4 ：4 1 8 5 6 k g 册2 ( 2 3 ) ，= ：一= = 一= f ：，hz - j - j 丝杠材料刚的密度p = 7 g x l 0 3 妇m 3 ( 3 ) 齿轮的转动惯量：为了消除齿轮传动中的齿侧间隙，保证齿轮轴输出扭矩 和转速变化小，采用双片齿轮错齿调整法，把与丝杠轴连接的齿轮分为两个相同齿 数等厚的薄片齿轮，与电机轴上齿轮啮合，但在其计算转动惯量是按一个计算。 厶= 厶：7 r p ( 瓦m z 一, ) 4b ：3 1 4 x 7 8 x 1 0 3 x ( 1 瓦x 7 0 x 1 0 - 3 ) 4x 2 0 x 1 0 - 3 ( 4 ) 联轴器、连接轴等其它部件转动惯量： 2 0 = 1 o k g 俐2 故负载折算到电机轴上的转动惯量： = + 砉( 以+ 厶+ l + 以) = 1 4 2 1 2 8 k g 册2 4 、等效转矩的计算 刀具在刨削时，刀架不移动，故电机只需克服摩擦力矩： - 3 6 7 5 3 k g c m 2 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 山东理下大学硕：l ：学位论文第二章数控龙门刨床伺服系统和数控接口设计 7=：互益：竺!厶!墨：006x(1800+500)x0006：o16朋( 2 7 ) ” 2 n r 2 聊 2 3 1 4 0 8 5 、 丝杠预紧产生的附加力矩： 弓= 筹( 1 - 2 ) = 怒( ，刊= 裳器( 1 - 0 9 8 2 ) = 0 0 0 2 n - m ( 2 8 ) 启动时的加速力矩： t q 簪( + 厶) x 1 0 - 2 _ _ - - 等( 1 4 2 1 2 8 + 1 1 5 ) x 1 0 - 2 = 0 2 3 n 聊( 2 - 9 ) 其中丝杠与电机直连，7 = 0 9 ，不连取0 8 5 ；丝杠螺母副效率取r o = 0 9 8 ；c 为摩擦力。 c 为滚珠螺母副的预紧力，一般取1 3 e ；为运动部件最快快进速度；乞为加速 时间2 0 m s ：滑枕导轨紧固力疋= 5 0 0 n 。 负载力矩： 乃= 瓦+ 乃+ 乙= 0 3 9 n 朋 ( 2 - 1 0 ) 所选电机的最大静态转矩满足： k r , o 8 6 6 = 0 4 5 n m ( 2 - 1 1 ) 故选择步进电机l l o b y g 3 5 0 2 ，其保持转矩m = 1 2 n m ，转动惯量厶= 1 1 5 k g c m 2 最高工作频率： 丘2 嵩= 1 6 6 7 h z ( 2 - 1 2 ) 正常工作频率8 3 1 6 7 h z 。查l l o b y g 3 5 0 2 运行矩频特性图上知0 4 5 n 肌对应的频率 远远大于怎，说明电动机工作时不丢步，满足上述要求。 由于刀架托板在切削时不垂直上下运动，只在空载时克服托板和托板上零部件 的重力及其产生的摩擦力。为了便于设计与控制，刀架纵向步进电机选择 1 l o b y g 3 5 0 3 ，步进角0 6 0 ，脉冲当量0 0 1 m m p 。 2 2 3 滚珠丝杠螺母副的选型和计算 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的传动装置，具有传动效率 高、摩擦损失小、运动平稳，传动精度高等优点，广泛应用在数控机床的伺服传动 系统。为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求， 必须合理的选择滚珠丝杠副。在滚珠丝杠副的设计时一般按数控机床的精度选择滚 珠丝杠的精度；按额定动载荷或额定静载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格1 1 0 , 1 5 1 ；丝 杠的安装方式特别是支承方式对于丝杠的回转精度、刚度、临界转速有很大的影响。 实际工程中对于细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠要作压杆稳定性核算，对转速 高、承受距离大的滚珠丝杠螺母副作临界转速校核，对精度要求高的作刚度校核， 山东理工大学硕士学位论文 第二章数控龙门刨床伺服系统和数控援1 2 议计 对于闭环系统，还需核算谐振频率f 1 6 i 。 以刀架横向( x 向) 运动机构的滚珠丝杠副的选择为例说明，计算步骤孛下： ( 1 ) 精度选择：一般数控机床选用中等级，5 级精度。 ( 2 ) 按额定动载荷初步选择丝杠副： 电机最大转速： = 等= 半_ 1 6 7 ( 2 - 1 3 ) 查1 1 0 b y g 3 5 0 2 运行矩频特性知转矩1 2 n m 对应f = 5 6 1 4 ，则电机的功率： p ：坐盟：1 2 0 6 x 5 6 1 4 ：7 0 5 w 3 3 w ( 2 1 4 ) f ，= 二o = 一= z - l ， 9 5 5 x 69 5 5 x 6 丝杠的最小轴向载荷： = “( 形+ 譬) = 0 0 6 x ( 5 0 0 + 1 8 0 0 ) = 1 3 8 n ( 2 1 5 ) 其中滑枕导轨紧固力= 5 0 0 n 刨刀刨削时的主切削力： f , = 0 6 7 x d 1 5 = 0 6 7 x ( 器) 1 5 翊2 4 p 峋 其中d 为刨削零件截面周长折算的直径： 切削机床切削力c ：e ：e = o 2 5 ：0 4 ：1 ，则丝杠的最大轴向载荷： ，觚= c + l ，( 形+ 石+ e + f y ) = 1 0 5 0 n ( 2 - 1 7 ) 平均轴向载荷： f ：兰垒血：7 4 6 n ( 2 1 8 ) 电机最低转速： l m i n = 等= 5 0 6 = 8 ( 2 - 1 9 ) 平均转速： 刀= 毕= 8 7 5 d m i n ( 2 - 2 0 ) 丝杠的额定载荷： c m - - 瓶老= 厕而7 4 6 丽x 1 4 = 6 1 6 x 1 0 3 n ( 2 - 2 1 ) 其中数控机床寿命厶= 2 0 0 0 0 h ；载荷性质兀= 1 4 ，有冲击；精度等级五= o 8 ；可 靠性系数z = 1 。 初步选择g d 系列2 5 0 6 3 ，公称直径2 5 ，基本导程6 ，丝杠底径吐= 2 0 2 r a m ， 额定动载荷1 2 0 9 7 n ，额定静载荷2 5 3 4 0 n 。 山东理t 大学硕十学位论文第二章数控龙门刨床伺服系统和数控接1 ：3 设计 ( 3 ) 稳定性校核：横向丝杠相对较长，采用两个推力球轴承固定其左端，一端 游动，承受变化的轴向载荷，容易失稳，应校核其稳定性。 临界压缩载荷： j4 c = 二争墨t 1 0 5 ( 2 - 2 2 ) i 畋为丝杠底径，k 、k 与丝杠支承方式有关的安全系数k 。= a 3 ，k s = 2 ，z 为最大受 压长度，一般取丝杠有效长度。经计算c = 5 6 6 3 n e 。，稳定性足够。 ( 4 ) 刀架装置移动速度不高，不作临界转速校核；y 向的步进电机和托板上的零 部件重力通过滑枕加载在横梁上，横向丝杠垂直方向的载荷很小，主要受到轴向载 荷，不易发生弯曲变形和扭转变形；开环伺服系统中一般忽略谐振频率的核算。 y 向的滚珠丝杠采用一端用两个推力球轴承固定在托板的支架上，另一端自 由，丝杠螺母固定在燕尾导轨的丝杠螺母座上，垂直方向上静止不动，丝杠相对螺 母运动，带动托板和刀架垂直上下运动。经过计算选择g d 系列2 0 0 6 3 。 在安装伺服系统传动机构过程中，由于滚珠丝杠螺母的尺寸可能比原来的丝杠 螺母尺寸大，要将横梁卸下进行加工，以便螺母在横梁中移动时不受阻碍。两方向 丝杠主要受轴向力载荷，参考文献 1 5 选择推力球轴承5 1 1 0 3 g b t 3 0 卜1 9 9 5 。横梁 的长度大于丝杠全长，要用联接轴加长，为了防止过载和冲击，保护步进电机和数 控装置的安全稳定，选用弹性套筒联轴器连接联接轴和丝杠。 2 3 龙门刨床数控系统接口设计 2 3 10 n 0 系统的硬件特点 c n c 系统是一个按照存储在存储器的控制程序去执行部分或全部数控功能的数 字控制系统，其硬件由数控装置( c n c 装置) 、位置控制、输入输出接口、可编程 序控制器、电源等模块组成【1 7 1 ，硬件结构如图2 - 3 所示。c n c 装置是数控系统的控制 核心，其硬件与软件控制着各种数控功能的实现，通过接口与其它部分相连。数控 装置由中央处理器( c p u ) 及存储数据与程序的存储器等组成。e p r o m 存储器用来储存 系统控制软件，用来完成c n c 系统的各项功能，r a m 储存加工零件程序，以及运算 中间结果等，中央处理器( c p u ) 执行系统程序，读取加工程序，经过加工程序段译 码、预处理计算，然后根据加工程序段指令，进行实时插补与机床位置伺服控制， 同时将辅助动作指令发往机床，并接收返回的机床各部分信息，以决定下一步操作。 1 4 山东理工大学硕上学位论文第二章数控龙门刨床伺服系统和数摔接口设计 图2 - 3c n g 系统硬件结构图 目前，c n c 系统硬件结构从专用型、封闭型c n c 系统向开放式、个人计算机式 c n c 系统发展，c n c 软件全部装在计算机中，硬件部分仅是计算机部分与伺服驱动 和外部i o 之间的通用性接口，用户可在实时性操作系统平台上开发所需的功能， 灵活性很大。 从c n c 系统使用的微机及结构来分，c n c 系统的硬件结构一般分为单c p u 和多 c p u 结构两大类。单c p u 的c n c 系统所有功能都是通过一个c p u 进行集中控制、分 时处理，c p u 通过总线与各种电路相连，随着c p u 处理字长已达到6 4 位，主频提高、 。内存和硬盘容量增大，这种系统能满足普通数控机床的要求，应用广泛。多c p u 的 c n c 系统采用功能模块化设计，每个c p u 独立执行程序，通过共享总线或储存器交 换信息，适合多轴控制、高进给速度、高精度的数控机床。从组成c n c 系统的电路 板结构上看，有大板式结构和模块化结构两种。 2 3 2 龙门刨床c n c 系统的硬件方案 生产建筑产品的龙门刨床数控系统设计要求不高，脉冲当量要求0 0 1 m