（机械电子工程专业论文）基于trio运动控制平台的三棱形内外圆磨削系统设计与实现.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床已经成为实现装备制造业现 代化的关键设备，而目前我国中高档机床还主要依赖进口，因此，我们有必要生 产具有自主知识产权的中高档数控机床。本课题研究与开发了一套基于t r i o 运动 控制平台的三棱形内外圆磨削控制系统。 本文首先对三棱形轮廓的插补算法进行研究，然后根据实际磨削运动情况， 生成了理论运动轨迹。 本系统采用了当前国际上先进的第三代数控系统p c + 运动控制器”系统结构 和开放式的数控平台。系统以工业p c 机作为硬件平台，采用t r i om c 2 0 6 运动控 制器，配以永磁交流伺服电机，构建了高性能的系统硬件结构。采用c a n 总线通 信技术，扩张了6 个f o 模块，搭建了新型的p l c 系统内嵌型p l c 系统，并 对p l c 系统的输入输出点的分配、信息交换和软件实现做了详细设计。基于 w i n d o w s 操作系统的数控系统软件的开发，以v i s u a lc i * 6 ，0 开发平台，运用了面 向对象、模块化的程序设计方法。 为方便系统的调试与实验，编写了专用的仿真软件和m i n i 数控系统。加工后 的工件经过三坐标测量仪的检测，并通过对数据的分析，证明了数学模型和系统 方案的正确性。 关键词：开放式数控系统，三棱形，运动控制器，伺服系统，内嵌型p l c 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n dm a c h i n et o o li n d u s t r y , t h ec n c m a c h i n et o o lh a sb e c o m et h ep i v o t a le q u i p m e n ti nr e a l i z i n gt h em o d e r n i z a t i o no f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b u t ，a tp r e s e n tt h em i d d l ea n dh i g hp r e c i s i o nt y p e so fc n c m a c h i n et o o l sa r em a i nd e p e n d e n to ni m p o r t i n g t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yf o ro u r c o u n t r yt op r o d u c et h eh i g hp r e c i s i o nc n cm a c h i n et o o l sw h i c hh a v e o u ro w n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i sp a p e rs t u d i e da n dd e v e l o p e da ni n t e r n a la n de x t e r n a l t h r e ep r i 蛐m i l l i n gc n c s y s t e mb a s e do nt r i om o v e m e n tc o n t r o l1 , 1 a t f o r m t h i sp a p e rs t u d i e do nt h ei n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i co ft h et h r e ep r i s mo u t l i n ec u r v e , a n dp r o p o s e dt h et h e o r e t i cm i l l i n gt r a c ka c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm i l l i n gs i t u a t i o n t h es y s t e ma d o p t e dt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt h i r d - g e n e r a t i o nn cs y s t e m , w i t l l t h es u u c t u r eo f p ca n dm o v e m e n tc o n t r o l l e r ，c h o s et r i om c 2 0 6m o v e m e n tc o n t r o l l e r a n dap e r m a n e n tm a g n e ta cs e om o t o r , b a s e do i lt h ei n d u s t r i a lp ch a r d w a r ep l a t f o r m , b u i l tt h eh i g h - p e r f o r m a n c 蛤s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e t h es y s t e ma d o p t e dc a nb u s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，e x p a n d e ds i xi 0m o d u l e s , b u i l tan e w l y - t y p e dp l c s y s t e m ，t h ee m b e d d e dp l cs y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n e da n dc o m p l e t e dt h ea s s i g n m e n t o f i n p u ta n do u t p u tp o i n t s ，i n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g , a n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no f t h e p l cs y s t e m , a n du n d e rv c + + 6 0d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t , b a s e do nt h ew i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m ，u t i l i z e do b j e e t - o r i e n t e da n dm o d u l a rp r o g r a md e s i g nm e t h o d st o c o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e ms o f t w a r e i no r d e rt of a c i l i t a t ed e b u ga n de x p e r i m e n t , w ed e v e l o p e ds p e c i a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ea n dm i n i - c n cc o n t r o ls y s t e m a f t e rm e a s u r i n gt h em i l l e dw o r k p i e c e sb y t h r e ec o o r d i n a t e sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t , t h er e s u l tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es y s t e ms c h e m e k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m , t h r e ep r i s mc u r v e ，m o t i o nc o n t r o l l e r , s e r v os y s t e m , e m b e d d e dt y p ep l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重鏖态堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：级爿i 签字日期：沙7 年钿j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：纭、皮及 签字日期：上四年多月，日 导师签名：条；参一 签字目翔：刀矽年月歹日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 国内外数控技术的发展现状 1 1 1 数控技术的发展趋势 从1 9 5 2 年第一台数控机床在美国问世，至今已有5 0 多年的历史，计算机数 控( c n c ) 从7 0 年代中期出现，到现在也已有3 0 多年了，数控技术日趋成熟。特别 是近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与 c n c 技术的紧密结合，使得开发和生产c n c 系统的技术被越来越多的自动化装备 生产厂所掌握。 当代数控技术的发展具有下述特点： 广泛地应用微机资源。能更好地利用p c 的软、硬件资源，已经成为各 国数控设备生产厂发展c n c 系统十分重要的一种方法。1 9 9 2 1 9 9 3 年，首先是在 美国及欧洲的一些小型的数控设备厂推出，例如美国的a n i l a n 公司推出的1 1 0 0 、 1 2 0 0 、1 4 0 0 系列，意大利f i d i a 公司的1 0 2 0 3 0 系列，都采用了p c 作为基板来 开发自己的数控系统。我国中国珠峰数控公司“八五”攻关成果“中华i 型 ( c m e 9 8 8 ) ”也采用p c 作为主控板，使该系统能充分利用p c 的资源，跟随p c 的 发展而升级。 小型化以满足机电一体化的要求。数控设备厂采用超大规模集成电路并 采用表面安装工艺( s m t ) ，实现了三维立体装配，将整个c n c 装置做得很小，以 适应机械制造业机电一体化的要求。 改善人机接口，方便用户使用。如西班牙f a g o r 公司生产的f a g o r8 0 5 0 系列，采用交互式编辑程序指导系统，简化程序的编辑，用简要的表格编辑程序， 利用蓝图建立程序。 提高数控系统产品的成套性。为了满足机床用户厂的需要，数控设备生产 厂都非常重视数控产品的成套性，使系统的各个环节都能很好地匹配，使用户获 得最好的使用效果。例如，日本f a n u c 公司开发了经济型的0 t d 、0 m dc n c 装置，与之相适应也开发了经济型的d c 系列的交流伺服电动机及控制系统。 研究开发智能型数控系统。所谓智能型的数控系统，早在8 0 年代初期已 经开始研究。当时f a n u c 公司推出的f s l 5 系列，就称之为a i ( 人i 智能) c n c 系 统，主要是在故障诊断方面采用了专家系统。系统利用所谓的推理软件，根据存 储在系统中的知识库的经验，分析及查找故障原因。最近f a n u c 公司又在开展被 称为面向2 l 世纪的课题- - i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) ，将无缝地 ( s e a m l e s s ) 把世界范围熟练工人的技术窍1 9 ( k n o wh o w ) 组合进行生产系统中去。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 开发新的数控产品。随着机械加工技术的发展，对数控机床的性能要求越 来越高，迫切地需要开发一些新的机电一体化数控产品来适应及满足这些要求。例 如，铝合金材料的大量采用，要求进行高速切削，以实现高的精度及低的表面租 糙度的要求，数控车床及加工中心主轴转速要求提高到1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n ，这对 采用传统的机械传动是很难实现的。因此，将电动机的电枢直接与机床的主轴做 成一体的“电动主轴”，就成为生产中急需的产品。 综上所述，数控技术的发展是与现代计算机技术、电子技术发展同步的，同 时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术已经成熟，发展将更深更广 更快。未来的c n c 系统将会使机械更好用，更便宜f 1 1 1 2 p 1 1 4 1 。 1 1 2 国外数控化改造的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业， 生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个”永恒” 的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。 在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了 机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 ( r e m a n u f a e t u r i n g ) 业。从事再生业的著名公司有：b e r t s c h e 工程公司、a y t o n 机床公 司、d e v l i e g - b u l l a v d ( 得宝) 服务集团、u s 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办 公司。在日本，机床改造业称为机床改装( r e t r o f i t t i n g ) 、l l 。从事改装业的著名公司 有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程 公司、山本工程公司等 5 1 7 1 1 8 1 。 1 1 3 国内数控设备现状 我国目前机床总量3 8 0 余万台，而其中数控机床总数只有1 1 3 4 万台，即我国 机床数控化率不到3 。近l o 年来，我国数控机床年产量约为0 6 0 8 万台，年 产值约为1 8 亿元。机床的年产量数控化率为6 。我国机床役龄l o 年以上的占 6 0 以上；1 0 年以下的机床中，自动，半自动机床不到2 0 ，f m c f m s 等自动化 生产线更屈指可数( 美国和日本自动和半自动机床占6 0 以上) 。可见我们的大多数 制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 l o 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次 低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企 业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控 化率【9 】i l o 】。 1 1 4 设备数控化改造主要研究的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点；其一是恢复原功能，对机 床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是n c 化，在普通机床上加数显 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 装置，或加数控系统，改造成n c 机床、c n c 机床；其三是翻新，为提高精度、 效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢 复原精度；对其不满足生产要求的c n c 系统以最新c n c 进行更新；其四是技术 更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础 上进行较大规模的技术更新或技术创新f 1 0 】【1 。 1 2 课题来源及意义 本课题来源于“某公司福图拉数控内外圆磨床改造颂目。这台机床承当了某装 备的三棱形内外圆磨削工序，共有1 3 个品种。这道磨削工序是生产该装备的关键 工序，如果磨削曲线不符合三棱形曲线标准，该装备将无法生产；如果该工序效 率低下或者工艺不严格，将直接影响到该装备的生产效率和作战性能。据我们调 查，该设备在国内仅2 台，三棱形磨削技术已经被国外垄断。 本课题的意义在于，通过开发具有自主知识产权的三棱形内外圆磨削控制系 统，打破国外对三棱形磨床技术的垄断，用我们自己的核心技术振兴民族数控产 业。 3 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案的设计 2 系统总体方案的设计 2 1 系统总体需求 该公司根据自己的实际的情况，对系统提出了具体的要求： 采用关键技术进行理论公式和数据曲线仿真及参数化三棱形编程。三棱形 编程软件实现参数化编程方式；针对不同的工件d m ，具有最大砂轮直径限制功能。 对福图拉( f o r t u n a ) 数控内外圆磨床c n c 系统进行改造。采用新的方案 对c n c 系统、p l c 等进行改造；在新的环境下对n c 、p l c 等软件进行编程。 加工的工件，磨削曲线符合三棱形标准非圆要求。 改造后的磨床尽量保留原有操作模式。 新系统运行稳定可靠。 主要技术指标 重复定位误差：x 轴斜肛m ，c 轴郢0 0 4 0 ，z 轴$ p m 极限偏差：+ 7 9 i n 配合公差精度等级：6 级精度 单件平均加工：1 5 r a i n 2 2 系统总体方案的设计 根据厂方的要求和当前数控系统的发展趋势，结合我们现有的技术水平，提出 了系统的总体方案。 采用基于p c 的开放式数控系统。开放式体系结构的数控系统，其硬件、 软件和总线规范都是对外开放的，可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同 时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多 档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统 可随c p u 升级而升级，而结构可以保持不变 c a n 总线扩展i o 嵌入型p l c 。通过添加c a n 总线的扩展i o 模块，运 动控制器可以连接1 6 个c a n l 6 i o 模块，2 5 6 个输入输出点。 i p c 采用工业级一体化工作站( 显示器采用1 2 1 ”彩色液晶显示器) 。 x 轴和z 轴采用全闭环控制，c 轴采用半闭环控制，选用交流伺服电机驱 动【3 j 【1 1 1 。 其系统框图如图2 1 所示。 4 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案的设计 图2 1 系统框图 f i g u r e2 1s y s t e mf l a m ef i g u r e 2 3 本论文主要研究的内容 本文将设计一套基于t r i o 运动控制平台的三棱形内外圆磨削系统，主要研究内 容如下： 系统整体方案设计，采用当前先进、流行的开放式数控系统体系。 对三棱形轮廓的插补算法进行研究，生成理论运动轨迹。 系统硬件结构设计，构建高性能的系统硬件结构。 内嵌型p l c 设计。采用c a n 总线通信技术，搭建内嵌型p l c 系统。 5 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案的设计 开放式数控系统设计。选择数控系统开发平台，并进行功能模块设计。 系统调试与仿真，加工出样本工件，并对工件进行检测和数据分析。 6 重庆大学硕士学位论文 3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 3 1 三棱形曲线的建立 三棱形曲线是一种延长外摆线，其截面形状如图3 1 所示。 图3 1 三棱形孔、轴截面形状 f i g u r e3 1s e c t i o ns h a p eo f t h et h r e el m s mc u r v eh o l ea n da x i s 相关参数如下：d 1 三棱形轴外接圆直径 d 3 三棱形轴内切圆直径 d m l 三棱形轴基本尺寸 d 2 三棱形孔外接圆直径 d 4 一三棱形孔内切圆直径 d l n 2 一三棱形孔基本尺寸 d s _ 一三棱形孔最大砂轮直径 e 截面偏心距 r 1 一形面曲率半径 r 2 棱端曲率半径 截面形状的近似计算公式( 仅适应于三棱形面截面的近似图形设计) ： r 1 = d m 2 + 6 5 e ( 3 1 ) r 2 = d m 2 6 5 e ( 3 2 ) d 1 = d 2 = d m + 2 e ( 3 3 ) d 3 = d 4 = d m 一2 ( 3 4 ) 当d i n 2 为1 1 2 8 m m 时 d s = 0 9 ( d m 2 1 6 e ) ( 3 5 ) 7 搦 重庆大学硕士学位论文3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 当d i n 2 大于2 8 时 d s = 0 8 ( o m 2 1 6 e 1 3 2 三棱形轴、孔截面尺寸 三棱形轴、孔截面尺寸见表3 1 ( 单位：r a m ) ： 表3 i 三棱形轴、孔截面尺寸 ( 3 6 ) 基本尺寸d m截面孔、轴外截面孔、轴内切 截面偏心距e 曲率半径曲率半径 ( d m ) 接圆d l ( d 1 )圆d 2 ( d 2 ) r lr 2 1 41 4 8 81 3 1 20 4 49 8 4 4 1 6 1 61 7 o o1 5 0 0o 5 01 1 2 34 7 7 1 81 9 1 21 6 8 8o 5 61 2 6 25 3 8 1 8 51 9 6 61 7 3 40 5 81 3 0 2 5 4 8 2 0 2 1 2 61 8 7 40 6 3 1 4 0 75 9 3 2 22 3 4 02 0 6 00 7 01 5 5 26 4 8 2 52 6 6 02 3 4 0o 8 01 7 6 7 7 3 3 2 82 9 8 02 6 2 0 o 9 0 1 9 8 28 1 8 3 03 2 o o2 8 0 01 0 02 1 4 68 5 4 3 23 4 2 42 9 7 61 1 22 3 2 4 8 7 6 3 53 7 5 03 2 5 01 2 52 5 5 89 4 2 4 04 2 8 03 7 2 01 4 02 9 0 51 0 9 5 4 54 8 2 04 1 8 01 6 03 2 8 41 2 1 6 5 05 3 6 04 6 4 01 8 03 6 6 41 3 3 6 5 55 9 0 05 1 o o2 0 04 0 4 31 4 5 7 6 06 4 5 05 5 5 02 2 54 4 5 41 5 4 6 6 56 9 9 06 0 1 02 4 54 8 3 41 6 6 6 7 07 5 6 06 4 4 02 8 05 3 1 01 6 9 0 7 58 1 3 06 8 7 03 1 5 5 7 8 6 1 7 1 4 8 08 6 7 07 3 3 03 3 56 1 6 51 8 3 5 8 59 2 1 07 7 9 03 5 56 5 4 51 9 5 5 9 09 8 0 08 2 0 04 o o7 0 8 61 9 1 4 9 51 0 3 5 08 6 5 04 2 57 4 9 72 0 0 3 1 0 01 0 9 0 09 1 0 04 5 07 9 0 92 0 9 1 3 3 联接的分类和检测 3 3 。l 联接的分类 三棱形轴、孔联接分为两类：可拆卸的联接和不可拆卸的联接。 不可拆卸的联接为锥形三棱形轴、孔的联接，联接的孔和轴在相应接合长度 上是小锥度，一般接合长度为三棱形基本尺寸的4 8 倍，锥度值为# 0 0 0 2 8 重庆大学硕士学位论文3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 0 0 0 4 r a m ，本联接在承受交替强负荷时使用。 加工三棱形面孔时，锥孔大端5 m m 长度内，直径必须保证公差为h7 。 加工三棱形面轴时，轴在孔中要紧密配合，装配时，必须有占接合长度l “ 1 3 的挤紧量。即靠联接件自身的重量在垂直的轴上能滑到占接合长度的2 3 3 4 处，加压装配，能这样配合的装配件就符合k 6 的需求。 3 3 2 联接的检测 可拆卸联接的检验：三棱形孔其内接圆用光滑极限量规检验，其截面形状和 尺寸用三棱形塞规检验；对于三棱形轴，其基本尺寸用光滑极限长规检验，其截 面形状和尺寸用三棱形综合环规检验；由于装配工艺要求，需要将三棱形轴的公 差由k 6 提高要求按k 5 制造时，因为无适用制造工差k 5 的综合环规，仍用公差 k 6 的综合环击剑与带指示器外径量规检验。 不可拆卸联接的检验：对于不可拆卸的联接，可只检验其挤紧量，但应1 0 0 检验。 3 4 三棱形曲线圆弧插补策略研究 从3 1 节可以看出，该曲线的加工是由x 轴的直线运动与c 轴的旋转运动做 插补。在现有的数控系统里是无法将这两根轴直接做插补运动的。对这个问题， 一般有两种做法，其一，将c 轴的旋转运动分解成两个方向的直线运动，再做插 补；其二，自己做最低层的插补，不使用数控系统的插补指令。现在，我们采用 第三种做法，把这条蓝线展开。以某个三棱形曲面为例，如图3 2 ，把这个三棱形 曲面，沿它的一条母线切开并展开，把展开后的三棱形曲面看成一个横向为臀 轴，纵向为y 轴的平面，那么这条曲线就可以直接采用圆弧插补来实现了。由于 三棱形曲面是旋转面，因此这个x ”轴应该是三棱形曲面的旋转轴c 轴，最后就是 由旋转轴c 轴与直线轴y 轴组成的平面坐标，用圆弧插补就可以实现三棱形曲线 的加工( 图3 3 ) t 1 2 1 t 1 3 h 1 砸嘲。 图3 2 三棱形曲面 f i g u r e3 2t h r e ep r i s mc i l l v ef a c e 9 重庆入学硕士学位论文 3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 图3 3 三棱形曲线展开图 f i g u r e3 3u n w r a p p e df i g u r eo f t h et h r e 2p r i s mc u l w e 3 5 三棱形轮廓内外圆磨削关键技术的研究 假设：在磨削过程中我们是以c 轴转角增量为六度来计算三棱形曲线一周0 3 6 0 度一系列离散点，再用这些点做圆弧插补。 由于三棱形轮廓为非标准圆，而且砂轮总有大小，这就导致实际磨削点不在 砂轮圆心和工件几何中心的连线上。即根据数学模型里的转角计算出的轮廓点并 不是实际磨削点，如图3 4 所示。 p o 瀚 厂 “弋； 图3 4 三棱形磨削实际磨削点 f i g u r e3 4p r a c t i c a lc u t t i n gp o i n to f t h et h r e ep r i s m 图中a 点为实际磨削点，但是对于c 轴来说，转动的角度是 1 而不是q 。在 6 0 度整数倍的情况下，即砂轮磨削到三棱形的最低和最高点时r l 和q 重合，在一 个0 到6 0 度的范围内 1 和妒的差值的所有可能性出现一遍，这些差值不成线性分 1 0 重庆大学硕士学位论文 3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 布。此时l e s d = 0 孑可( 即轴中心与砂轮中心的距离) 决定了x 轴进给距离。 我们现在需要研究的是当工件转动角后，即c 轴转动角后，x 轴的实际 运动情况。我们以内圆磨削为例，如图3 5 所示，里面红色曲线为砂轮中心轨迹， 外面蓝色曲线为实际加工后的磨削轨迹。 二= 矗 飞s ! 图3 5 内磨磨削运动轨迹 f i g u r e3 5m o v i n gt r a c ko f i n t 1m i l l i n g 由于实际磨削点不在砂轮圆心和工件几何中心的连线上，因此工件转角与实 际磨削点转角存在非线性的转角误差。在计算砂轮运动轨迹时，必须多进行一 次数学模型的变换，对转角误差进行修正。 对c 轴的旋转运动，我们采用匀角速度进行控制，这样能避免磨削这种非标 准圆轮廓时过于复杂冗长的数学计算，降低了数学模型的复杂程度【1 6 1 。 3 6 利用计算机语言生成运动轨迹 前面我们已经完成了运动轨迹的关键技术的研究。可以采用c 、c 抖、v c + + 或者v b + + 语言，运用参数化编程方式，生成所需要的运动轨迹。图3 7 为三棱形 自动编程界面【1 9 1 2 0 2 ”。 重庆大学硕士学位论文 3 三棱形内外圆磨削运动轨迹研究 图3 7 三棱形自动编程界面 f i g u r e 3 7 a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m i n t e r f a c e o f t h e t h r e e p r i s m 3 7 本章小结 本章首先主要介绍了三棱形曲线及相关参数，然后对直线运动和圆周运动插 补方法进行了研究，本系统采用了将圆弧展开的方法，实现了两轴的圆弧插补。 由于实际磨削点不在砂轮圆心和工件几何中心的连线上，因此工件转角与实 际磨削点转角存在非线性的转角误差。在计算砂轮运动轨迹时，必须对转角 误差进行修正。最后采用参数化编程的方法，生成了所需要的运动轨迹。 重庆大学硕士学位论文4 系统硬件结构的设计 4 系统硬件结构的设计 4 1 硬件平台和系统总线的选择 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，特别是市场的激烈竞争，通用p c 机 的硬件技术( 特别是其中的微处理器) 遥遥领先，为软件的开发和运行创造了较好的 支撑环境。在过去的十几年中，m mp c 机体系结构的普及，已成为越来越多的微型 机的标准再加上m mp c 机的成本低，技术人员对它熟悉，可靠性不断增强，性 能不断提高与完善。所以通用p c 体系结构被越来越多的人所接受，应用所涉及的 面也越来越宽，已被称为“工业标准体系结构”，即i e e e p 9 9 6 ，选择通用p c 机体 系结构的重要原因在于软件开发比硬件更能带动产品的设计周期，通用p c 机有庞 大的软件工具为后援，包括各种操作系统、器件驱动程序、程序库、设计语言及 调试，除错工具等【1 9 】【2 2 】。 目前，开放系统有两种基本结构： c n c + p c 主板：把一块p c 主扳插入传统 的c h i c 机器中，p c 板主要运行实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实 时控制。p c + 运动控制卡：把运动控制卡插入p c 机的标准插槽中作实时控制用， 而p c 机主要作非实时控制。开放结构在9 0 年代初形成；对于许多熟悉计算机应 用的系统厂家，往往采用第方案。为了增加开放性，现代数控系统生产厂家往 往采用方案，即在高速工业控制计算机的支持下采用高性能的运动控制器，使 用户能把p c 和c h i c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能。 基于工业控制计算机的数控系统是一种总线式、模块化、开放式的新型数控 系统。工控机具有模块化的结构、开发周期短、容易升级换代和高可靠性等优点。 一方面，采用工业控制计算机可以充分利用p c 机的硬件资源，为开发者提供 一个良好的开发平台，使设计任务减轻，能方便地实现系统的升级换代。 另一方面，工控机又具有软件工具及资源和现有的个人计算机p c 系统完全兼 容的特点，可以方便地利用p c 机丰富的软件资源及最新的发展成果，并具有联网 通讯方便、软件开发周期短等优点。 本系统采用第三种结构：p c + 运动控制器。这种结构具备以下几个优点：对 p c 依赖降到最低，所有实时控制都在控制器中完成，p c 机仅用于人机交互和传 输加工数据；可采用各种型号p c ( 包括台式机、笔记本电脑) ，对计算机配置要求 不高；数据存储量不受限制，可加工大数据量的文件；避免计算机操作系统稳定 性和软、硬件兼容性带来的问题。本系统选用的是t r i om c 2 0 6 运动控制器。t r i o m c 2 0 6 采用高性能3 2 位d s p 技术，具有4 轴伺服或步进功能的控制器，此外还 有一个编码器输入轴。此外，其内部空间还可以容许安装一块予板( 需要p 3 9 9 适配 重庆大学硕士学位论文4 系统硬件结构的设计 器) 。子板可以是额外的轴或者是通信功能子板2 3 】口6 】【2 7 】f 2 8 1 。 t r i om c 2 0 6 运动控制器的具体参数如表4 1 ： 表4 1t r i o m c 2 0 6 资源表 t a b l e4 1t r i om c 2 0 6r c l | r c et a b l e 外形尺寸( m m )1 0 7 ( 高) 1 8 2 ( 宽) + 5 3 ( 厚) 2 个r s 2 3 2 c ，1 2 0 0 - - 3 8 4 0 0 的波特率 1 个r s 4 8 5 ， 通讯端口1 个串口适配口， 1 个1 2 m b i t 的u s b 口， 1 个c a n 总线接口，l m 波特率 位置精度 3 2 - b i t 的位置计数 1 - 5 个轴直线插补、圆弧插补、螺旋线插补、轮廓控制、速 插补方式 度控制、电子齿轮、电子凸轮 编程t h ob a s i c 多任务编程，( 最多可同时执行8 个用户程序) 伺服运算周期2 5 0 u s 、5 0 0 u s 或l m s ( 缺省状态下为i m s ) 带后备电池5 1 2 k 的用户可编程内存。全部内容可闪存到 内存 e p r o m 图4 1 t r i o m c 2 0 6 外型图 f i g u r e4 1e x t e r i o rf i g u r eo f t r i om c 2 0 6 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机 局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供 了强有力的技术支持。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一 种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 1 4 重庆大学硕士学位论文4 系统硬件结构的设计 活性。由于其良好的性能及独特的设计。c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽 车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、 b m w ( 宝马) 等都采用了c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构 间的数据通信。同时，由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽 车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用 机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标 准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。本系统的输入输出点与运动控制 器之间的通信将采用c a n 总线【2 2 1 。 t r i o 公司能够提供多种i o 模块和操作接口单元。通过c a n 总线接口，运动 控制器可以连接i o 扩展模块。i o 模块形成的网络长度要求在1 0 0 m 以内。 c a n l 6 i o 模块为运动控制器提供1 6 路的2 4 v 开关量输入偷出的扩展通道。运 动控制器可以连接1 6 个c a n l 6 - i o 模块，从而可以除控制器本体的t d o 点外，扩 展至2 5 6 个i o 通道。扩展模块上的每个通道都具有双向功能，即可以作为输入口 也可以作为输出 2 1 2 4 1 3 0 。 4 2 系统硬件结构设计 本系统采用开放式数控系统结构，其硬件平台采用标准工控机( p c ) 、软件平 台采用实时扩展的w m d o w s 操作系统。p c 、运动控制器、p l c 之间的相互连接关 系如下图4 2 ： 重庆大学硕士学位论文 4 系统硬件结构的设计 兰竺竺竺辟 机 床 p l c 辟 世片 机 】运动控制器k = = = = = 今床 3 2 i 竺竺竺i 爿 f 机 厂 k 床 4 5 6 匡亟卜垣 7 图4 2 系统结构组成形式 f i g u r e4 2s y s t e ms t r u c t u r ec o m p o s i t i o nf o r m 本系统的连接方式采用图4 2 - 2 。采用这种结构有利于充分利用当今计算机 运算速度高的特点，将大量的数据处理由上层的i p c 完成，运动控制器主要做运 动控制。又由于选用的运动控制器可以同时运行7 个程序，且具有p l c 处理功能， 因此，可以不选用单独的p l c ，由运动控制器完成p l c 功能，其连接图如图4 3 。 i 犷1 1 动器l 广l 电机 p崖查艮 运动控制 r 器 c 完成p l c掣訾厩孔o输入输 功能出点 图4 3 本系统结构框图 f i g m e4 3s t r u c t u r ef r a m eo f t h ed e s i g n e ds y s t e m 4 3 伺服系统设计 4 3 1 伺服驱动装置的控制性能 1 6 重庆大学硕士学位论文 4 系统硬件结构的设计 数控机床的伺服驱动装置分为开环和闭环两大类。闭环驱动按位置检测的方 式可分为半闭环和全闭环两种。 开环控制采用步进电动机作为驱动元件，由于它没有位置反馈回路和速度控制 回路，简化了线路，因此设备投资低，调试维修都很方便。但进给速度和精度较 低。开环控制被广泛应用于中、低档数控机床及一般的机床改造中。 闭环型一般采用直流或交流伺服电动机驱动。 半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制 电动机的角度，然后通过滚珠丝杠副等传动机构，将角度转换成工作台的直线位 移。如果滚珠丝杠副精度足够高，间隙小，精度一般是可以满足要求的。加之传 动链上有规律的误差( 如间隙及螺距误差等) 可以由数控装置加以补偿，进一步提高 精度，因此在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到了广泛应用。 半闭环方式的优点是其闭环环路短( 不包括传动机构) ，因而系统容易达到较高的位 置增益，不会发生振荡现象。且其快速性好，动态精度高，传动机构的非线性因 素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难 以补偿 全闭环方式是直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度 不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求， 因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性 有关，还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦因数等因素。而且这些因素对动态 特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了 许多困难。这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与 轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚性，改善滑 动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环控制方式被 大量应用在精度要求较高的大型数控机床上 4 1 1 2 5 1 1 3 2 1 1 3 3 1 。 4 3 2 电气驱动系统及工作特性 早期的数控机床采用电液伺服驱动比较多，现在的数控机床均采用全电气伺 服驱动系统，分为步进驱动系统、直流驱动系统和交流驱动系统三大类9 】【3 5 】。 步进驱动系统 步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合，目前均选用功率型步进电动 机作为驱动元件，其主要有反应式和混合式两类。反应式步进电动机价格较低， 混合式步进电动机价格较高。但步进电动机输出力矩大，运行频率及升降速度快， 性能优异。因而步进驱动系统在我国经济型数控领域和普通机床数控改造过程中 发挥了极其重要的作用。 步迸驱动系统工作特性主要取决于步进电动机，如图4 4 所示为9 0 b f 0 0 1 型 重庆大学硕+ 学位论文 4 系统硬件结构的设计 步进电动机的矩频特性曲线。可见，当步迸电功机正常运行时，若输入脉冲频率 逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在设计步进驱动系统工作频 率点的过程中必须考虑这种变化因索，否则可能会因步进电动机运行过程中的失 步而造成数控机床的加工精度下降。 f h z 图4 a9 0 b f 0 0 1 型步进电机矩频特性曲线 f i g u r e 4 4 f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i cc m l - v e o f 9 0 b f 0 0 1s t e p m o t o r 直流驱动系统 直流伺服系统从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期在数控机床上占据了主导地位， 大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性，其输出转矩大，过载能力强。由于电 动机自身惯量较大，与机床传动部件的惯量相当，因此，所构成的闭环系统在电 动机安装到机床上之前调整好后，在机床上几乎不需再做什么调整，使用十分方 便。 由于伺服系统的要求，直流伺服驱动系统工作特性，已不能简单地用电压、电 流、转速等参数来描述，而需要用一些特性曲线和参数表来全面描述。下面以 f a n u cb e s k1 5 直流伺服电动机为例，介绍其特性曲线。在图4 5 中，直流伺服 电动机的工作区被分为三个区域：连续工作区内转矩转速的任意组合都可长期连 续工作；问断工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电 时间作间歇工作；瞬时加减速区电动机只能在加减速时工作于其中，即只能在该 区域中工作极短的一段时间。 1 8 重庆大学硕士学位论文 4 系统硬件结构的设计 图4 5f b l 5 直流伺服电动机工作曲线 f i g u r e4 5w o r k i n go l i v eo f t h ef b l 5d cs e r