开放式数控系统在数控铣床上的应用研究

1、目录1 w w31.1数控技术的产生及其发展31.2数控系统的组成41.3数控系统的发展趋势51.4开放式数控系统61.4.1开放式数控系统的定义及特征61.4.2基于pc的开放式数控系统的分类71.4.3幵放式数控系统的研宄现状81.4.4幵放式数控系统的设计原则81.5本课题的研宄内容92设计的主要参数及设计思想102.1课题要求102.2设计原则102.3总结构设计102.3.1数控机床的结构设计要求102.3.2提髙机床的结构刚度112.3.3伺服系统的选择113数控铣床的设计和计算123.1主传动系统的设计123.1.1主传动变速系统123.1.2主轴部件的设计123.1.3主轴轴承

2、的润滑123.2 v带的选型和计算123.3滚珠丝杠副的计算和选型143.3.1 y轴滚珠丝杠副的设计143.3.2 x轴滚珠丝杠副的设计153.3.3 z轴滚珠丝杠副的设计163.4电机的计算和选型174数控系统的控制部分设计204.1硬件系统设计204.1.1运动控制器的选择204.1.2控制系统硬件结构与工作原理204.1.3 plc-389卡内部结构工作原理214.2软件系统设计214.2.1开发基于windows平台的数控系统的优势214.2.2操作平台的选用214.3数控程序设计215 23>k24数控技术是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数 控技术

3、实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控（nc）机床。数控 系统一般包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等主要部件。数控 技术的应用不仅给传统制造业带来了巨大的变化，使制造业成为工业化以及现 代化的象征，而且随着数控技术不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的 一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因 为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。1.1数控技术的产生及其发展随着电子技术的发展，1946年世界上第一台电子计算机问世，在此背景下，美 国的帕森斯公司与麻省理工学院合作经过四年的吋间，于1952年研制出第一台三坐 标数控铣床

4、，此后半个多世纪，数控技术得到迅猛发展。数控系统从诞生到现在经历 了六代系统的更替。第一代数控系统：1954年底、美国本迪克斯公司（bendix co）在巾森斯专利的 基础上生产出了第一台工、ik用的数控机床。这时的数控机床的控制系统（专用电子计 算机）采用的是电子管，其体积庞大，功耗高，成本高，仅在一些军事部门中承扔普 通机床难于加工的形状复杂零件。第二代数控系统：1959年晶体管出现，运用电子计算机应用晶体管元件和印刷 电路板，这时机床数控系统跨入了第二代。而h 1959年克耐.杜列克公司（keaney& trecker co简称k&t公司）在数控机床上设置刀库，并在刀库中

5、装有丝锥、钻头、 铰刀等刀具，能够根据穿孔带的指令自动选择刀具，并能通过机械手将刀具装在主轴 上，以缩短刀具的装卸时间和减少零件的定位装卡时间。人们把这种带自动交换刀具 的数控机床称为加工中心（machining center简称mc）。第三代数控系统：在20世纪60年代，出现了集成电路，数控系统发展到了第三 代，数控系统采用了小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进 一步提高。以上三代都属于硬逻辑数控系统，由于点位控制的数控系统比轮廓控制的数控系 统要简单得多，在该阶段，点位控制的数控机床得到大发展。第四代数控系统：随着计算机技术的快速发展，小型计算机能够应用于数控机床 中，

6、由此组成的数控系统称为计算机数控（cnc）,数控系统进入第四代。它的大部分 功能通过软件实现，其优点是价格低、可靠性高、使用方便。第五代数控系统：20世纪70年代初、微处理机开始出现，美、日、德等国都迅 速推出了以微处理机为核心的数控系统，这样组成的数控系统，称为第五代数控系统(mxc,通称为cnc)。从而使当时的机电一体化的构想成为可能。第六代数控系统：从1990年开始至今，采用的系统是基于pc机的数控系统。1.2数控系统的组成计算机数控系统由程序、输入/输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器 (plc)、主轴驱动装置和进给驱动装置组成。如阁1.1所示输入设备主轴控制单元plc 以输出设

7、备cnc装置主轴电机速度控制单元进给电机位置检测器图1.1计算机数拧系统框图数控系统总体分为硬件系统和软件系统，二者缺一不可，必须相互配合才能正常 工作。(1) 数控系统由硬件来实现数控功能，是固定接线的硬件结构。硬件结构图如 图1. 2所不。epromram输入接口cpumdi/crt输出接口图1.2数控系统的硬件结构mdi/crt 接 口(2) cnc装置釆用专用计算机，由软件来实现部分或全部数控功能，具有良 好的“柔性”，容易通过改变软件来更改或者扩展其功能。软件结构图如图1.3所示。cnc系统软件i/o显诊处理示断输入译刀1速具度插补控码偿制补控制软件|位置控制图1.3数控系统的软件结

8、构1.3数控系统的发展趋势随着当代数控技术的迅猛发展，人们对于数控技术的耍求越来越高，现今其发展 趋势是朝高速化、高精度化、高效加工、幵放性、多功能化、复合化和智能化方向发 展。其主要发展动向是研制开放式全功能通用数控系统。数控技术的典型应用是 emc/fms/cimo（1）向高速化、高精度化发展随着数控机床对于高速度、高精度方向发展的需要，数控装置要能够高速处理 输入的指令数据并计算出伺服机构的位移量，而且要求伺服电机能高速度、高准确度 地做出反应。速度和精度是数控系统的两个重要的技术指标，r前高速主轴单元（电 主轴）转速己经高达15000r/min100000r/min以上；进给运动部件不

9、但要求高速度、 并且具有高的加、减速功能，其快速移动速度需要达到60120m/min以上，工作进 给速度已高达60m/min以上。随着微处理器芯片的迅速发展，为数控系统采用高速处 理技术提供丫高质量的保障。cpu已由80年代的16 （如fanuc-6m等）位发展为现在 的32位（如fanuc-15等）以及64位cpu的数控系统，90年代还出现了精简指令集 （risc）芯片的数控系统（如fanuc-16等）。cpu的频率由原来的5mhz、10mhz，提 高到几百兆mllz、上千兆mllz，甚至更高，进一步提高y系统的运算速度准确度。（2）向智能化发展数控系统的智能化主要体现在能够自我诊断设备故障

10、、自适应控制技术、附加 人机会话自动编程功能、智能化伺服驱动装置等方面，配置多种遥控接门和智能接门。 具有友好的人机界面，可操作性强。（3）向多功能化发展具备多种功能的数控系统，能够最大限度的提高设备的利用率，最大的提高工作 效率。工件一经装夹，数控系统就可以控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个 加工面进行铣削、镗削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多种加工，从而可以避免因为多次装 夹所造成的定位误差。这样减少了设备台数、工夹具和操作人员，节省了占地面积和 辅助时间。（4）向开放式发展a前，以个人微机为平台的开放式数控系统有了很大的发展，数控系统生产厂家 都在进行开放式数控系统的研宂，开放式数控系统是

11、当今数控研宂方面的热点，也是 本课题将要详细介绍的a容。下面我将会对开放式数控系统进行详细的描述和介绍。1.4开放式数控系统1.4.1开放式数控系统的定义及特征iee （国际电气电子工程师协会）对幵放式数控系统的定义是：“符合系统规范 的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具 有一致风格的用户交互界面”。它具有如下特征：（1）模块化釆用分布式控制原则。釆用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可 移植和透明的。(2) 标准化“开放式”是在一定规范下的开放，并不是毫无约束的开放。需要制定一个标准 來约束各类机床控制器的研发。(3) 可扩充性允许用户根据不同

12、的工作环境和需要动态地重组系统的功能。(4) 互操作性此为当前开放式数控系统最关键的一个特性，开放系统往往是由互不兼容的系统 所组成，因此，异构环境的互操作性是非常关键的。(5) 适应网络操作方式作为开放式控制器应考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用。需 要具有一种较好的通信和接门协议，一边各相对独立的功能模块通过通信实现信息交 换，以满足实时控制需要。1.4.2基于pc的开放式数控系统的分类1. 按pc与nc的配合分类(1) pc 嵌入 nc把pc主板嵌入传统的cnc系统，pc主要运行非实时控制，cnc主要运行实 时控制。人机接口开放，系统柔性不高。实时控制部分还是不开放的。(2

13、) nc 嵌入 pc把运动控制卞插入到pc的标准卡梢中做运动控制，而pc机主要做逻辑控制， 可以实现全开放的功能。但它仍只是在一定程度上的开放，其软、硬件的一部分还是 专用的，机床伺服系统、反馈设备的接口也可能是专用的。(3) 全软件型nc该类型系统的各项功能，如插补、编译、解释和plc等，均由相应的软件模块 来实现，它通过安装在pc扩展梢中的接口卞对伺服驱动器进行控制。目前国际上对 于这种体系结构的研宄还处于起步阶段。2. 按采用的操作系统分类(1) 采用linux操作系统此操作系统具有良好的实时性，一般用于高档多轴高同步场合的应用，其源代 码是开放的，能偶更好的对系统进行修改和配置(2)

14、采用dos系统其主要特点是实时性好，技术成熟，但是其操作太复杂，制作界面比较繁琐， 可移植性差，开放程度有限，只适合中、低档数控系统的研宄和开发。(3) 采用windows操作系统其主要特征是人机界面友好，用户多，大部分用户都是采用此操作系统，能够 胜任中、高档开放式数控系统的要求，此课题就是采用windows操作系统的。1.4.3开放式数控系统的研究现状(1) 国外研究现状就0前来看，开放式数控系统在国外的研究比较成熟，美国在九十年代提出来 了 omac计划，该计划的0的就是使系统制造业、机床厂和最终用户分别缩短周期、 降低开发周期、降低开发费用、便于系统的集成和二次开发、简化系统使用以及维

15、护 等方面受益。欧洲德、意、法等国家也在1990年左农提出来了 osaca计划，其计划提出了 一个“分层系统平台+结构功能苹元”的结构。osaca的三个主要的组成部分是通 讯系统、参考体系结构、配置系统。日本也提出来了一个osec计划，其重点集中在数字控制本身和分布式控制系统 上，包括了三个功能层和七个处理层，此外韩国和其他国家也各自进行了开放式数控 系统的开发和研究。(2) 国内研究现状随着中国经济和科技实力的迅猛发展，中国逐渐由劳动密集型生产模式转换到靠 机械加工为主的机械制造、ik,传统的普通加工模式满足不了当今经济的发展，难以适 应市场对产品多元化的要求，因此以数控技术为核心的新型数字

16、程序控制机床应运而 生，我从网上了解到，s前中国已经连续六年成为世界机床第一大消费国和进口国， 产值居世界第三，出口排名世界第八位。数控机床经过多年的发展，逐步走向高速化, 精密化，高性能化，系列化及复合化，但是0前仍与世界其他国家如德国，日本的数 控技术还是有一定的差距，因此。国家的发展壮大，科技生产力的进步，制造业的进 步，这样才能拉小与其他国家的差距。1.4.4开放式数控系统的设计原则上面描述了许多关于开放式数控系统的内容，为了能够使课题能够顺利进行，支 持其的幵放理念、应用特性和功能特性，接下来本文提出了几点关于开放式数控系统 的设计原则：(1) 在结构上，应以模块化、分布式控制为设计

17、原则，采用系统、子系统和模 块分级式的控制结构，其构造应该是可移植性的。(2) 在功能上，支持以模块为单元的模式，便于实现系统的多样化、多层次化 的用途，并且能够快速响应制造业市场的变化。(3) 在开发方法上，系统中各模块相互独立，允许进行独立开发，控制软件按 系统一子系统一模块三级幵发、集成模式，各模块接口协议应当明确，以便于制造厂、 机床厂和最终用户幵发集成自己的个性化模块、扩展专用功能。(4) 在支撑平台上，以通用pc为基础平台，需采用性能良好的标准化通信接口 协议，支持系统集成，实现各相对独立的功能模块间的通信和互操纵，并能够满足实 时控制的要求。1.5本课题的研究内容木课题应用研宄对

18、象是一个基于pc机和windows平台的具有三轴联动功能的南 京四开数控铣钻床，它釆用运动控制器，配上pc微机，并结合数控铣钻床中原有的 步进电机等主要驱动设备，开发出一个具有三轴联动功能的开放式数控系统。数控机床被改造完成以后，主轴电机需采用交流电机，三轴联动均采用步进电机 驱动；用单片机来控制所有的电机；通过滚珠丝杠的运用，来对工作台的传动结构进 行设计。2设计的主要参数及设计思想2.1课题要求题目名称：开放式数控系统在数控铣床上的应用研宄 主要技术参数：(1) 脉冲当量：x、y、z向均为0.01mm/脉冲；(2) 伺服驱动使用步进电机；(3) x、y、z轴的快速进给速度分别为6、6、3m

19、/min；(4) 工作台面尺寸500x500mm；(5) x、y、z方向的最大切削力分别为1500n, 1500n, 2000n；(6) 重复定位精度0.01mm;(7) 使用年限为10年，每年工作300天，每天单班工作。2.2设计原则根据设计要求和铣床的具体情况，课题的基本设计方案如下：(1) 工作台需要沿各坐标轴的运动冇确定的函数关系，则机床采用连续控制系 统，定位方式采用增量坐标控制。(2) 考虑到机床加工精度要求不高，并且开环系统结构简单、成本低廉、容易 掌握、调试和维修都比较简单，因此采用步进电机开环伺服系统驱动。(3) 进给传动的设计是机床设计的重点，数控机床必须有精确的进给传动系

20、， 才会冇高的精度和表面质量。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选用，为达到 分辨率0.01mm的要求，需采用齿轮降速传动，利用电子控制系统消除误差。(4) 尽量采用低摩擦的传动和导向元件、尽量消除传动间隙、提高系统刚度。 为了保证一定的传动精度和平稳性，又要求机构紧凑，所以选用丝杠螺母副。为提高 传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。(5) 传动系统需要加上脉动装置。2.3总结构设计2.3.1数控机床的结构设计要求数控机床的结构要求需要满足以下儿个方面的要求：(1) 提高机床结构的静刚度；(2) 提商机床结构的抗振性；(3) 减少机床的热变形；（4）改善运动导轨副的摩擦特性。2.3.2

21、提高机床的结构刚度机床刚度是指在外力作用下，机床抵抗变形的能力。一般分为静态刚度和动态 刚度，机床在切削过程中要承受各种力。提高机床刚度的措施有以下儿个方面：（1）正确选择截面的形状和尺寸；（2）合理选择及布置隔板和筋条；（3）提高构件的局部刚度；（4）选用焊接结构的构件。2.3.3伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环伺服系 统主要由步进电机驱动，相对于另外两个系统来讲，开环伺服系统结构简单、成本低 廉、容易掌握、调试和维修都比较简单，因此本系统采用开环控制系统。3数控锐床的设计和计算3.1主传动系统的设计主传动系统一般由动力源、变速装置及执行元件，以及

22、开停、换向和制动机构等 组成。数控机床主轴传动应该具冇足够的变速范围、较高的精度和刚度、好的抗振 性和热稳定性、较大驱动功率和较高的结构性能以满足当今数控机床的快速发展。3.1.1主传动变速系统数控机床的调速传动是自动变速，一般采用无级自动变速，这样能够在一定的范 围内选用到理想的切削速度，一方面能够提高切削精度，另一方面还能够提高切削效 率。在数控机床的主传动中一般选用三大类无级变速装置：变速电动机、机械无级变 速装置以及液压无级变速装置。3.1.2主轴部件的设计（1）主轴部件一般由主轴及其支撑轴承、密封件、传动件和定位元件组成。（2）主轴轴承的选择，我采用的是角接触球轴承。这种轴承的优点在

23、于既能够承 受轴向载荷又能够承受径向载荷。然而角接触轴承又分为三种组配方式：背对背、同 向组配以及面对面三种。木课题我选择的是背对背组配，因为此方式安装的角接触轴 承具有较高的抗颠覆力矩的能力。（3）主轴传动件的定位。我采用带传动链接，主轴传动件位于后悬伸端，这样可 以实现分离传动和模块化设计。（4）承载能力和寿命，主轴轴承一般情况下都是由于磨损导致精度的降低，一般 情况下精度应保持在四级。3.1.3主轴轴承的润滑主轴轴承之间的接触一般存在较高的压强，很容易磨损，其润滑一般采用两种方 式，一种是脂润滑，常用在要求不高、难以经常供油，或者低速重载以及作摆动运动 之处的轴承屮。另一种是油气润滑，其

24、是滑动轴承屮应用最广的润滑剂。3.2 v带的选型和计算设计内容包括带的型号、确定基准长度、根数、中心距、带轮的材料、基准直径 以及结构尺寸、初拉力和压轴力、张紧装置等。（1）确定计算功率pea式屮：pea计算功率，kw; ka工作情况系数;p电机额定功率，kw。(2) 选择v带的带型根据计算功率pea以及小带轮转速n,，取1=1440 r/min,选用a型v带。(3) 确定带轮的基准直径dd并验算带速v 初选小带轮的基准直径d d i = 100mm。(4) 验算带速ddln,v 一60x1000x 100x1440_ _.=7.5m / s < 25m / s60000故带速合适。选择

25、传动比i=2大带轮的基准直径dd2 = ixddl = 2x100 = 200mm(5)确定中心距a以及基准长度l,0.7(ddl+dd2)<6/() <2(ddl +dd2) 210mm < a() < 600mm初选 = 350mm 带长,71ld = 20 + (ddi +dd2) +=1178mm取带长 l = 1200mm 屮心距屮心距的调整范围:l,-l,“ =+ = 361mm2in - a0.015lf/ = 343mm (7max = a + 0.03 = 397mm(6) 验证小带轮上的包角d - d(3-2)(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)

26、(3-7)6z, = 180 -x57.3°£ = 0.93(3-8)(3-9)(3-10)(3-11)fm=2475n得6 =16390，满足条件。(7) 计算带的根数zp()= 1.32kwap( =0.17kwka = 0.96z(p0+ap0)尺人得z=3.6，取4根带。(8) 计算初拉力f。fo=5oo(|-l) + 9v2ka= 0.12kg / m算得g = 135n(8) 计算压轴力fpfp=2zf0 sin专= io68n3.3滚珠丝杠副的计算和选型3.3.1 y轴滚珠丝杠副的设计(1)计算进给率引力fmy向进给为矩形导轨：fni=kfx+f(fz+fy+

27、g)fx= 1500n fy= 1500nfz= 2000ng= 2000n式中k一考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨中k= 1.1f一导轨上的摩擦系数，矩形导轨f=0.15(2)计算最大动载荷c式中t 60xnx7 l= 71061ooov n=lo丝杠导程，初选l(f5mm(3-13)(3-14)vs-最大切削力条件下的进给速度(-/mm),可取最高进给速度的去4vs =6m/mint一为使用使命(h), 10年，300天，单班工作，24000h fw一运转系数，按一般运转取fw=1.2 l一寿命，以106转为一单位1000v1000x6x0.5n=l=560x«xr 60x6

28、00x24000=600(r/min)106106=864c=vl fwfm= v§64 x 1.2 x 2475 =28215(n)(3) .滚珠丝杠螺母副的选型查表知，可采用wd4510外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈， 额定动载荷为29500n,可满足要求，精度等级按表3-15选为3级。3.3.2 x轴滚珠丝杠副的设计(1) 计算进儿率引力？， y向进给为矩形导轨fm=kfx+f(fz+fy+g)= 1.1x1500+0.15 x (2000+1500+2000) =2475(n)式中k一考虑颠覆力矩影响的试验系数，矩形导轨取k=l.l f一滑动导轨系数f=0.15

29、(2) 计算最大动载荷c=vzfwfmt 60 x a: x r l=1061 ooovs式中lo一丝杜导程，初选l()=5mmvs最大切削力条件下的进给速度(m/min)，可取最高进给速度的11， 23此处 vs =6m/mint一为使用使命(h), 10年，300天，单班工作，24000h fw运转系数，按一般运转取fw=1.2 l一寿命，以106转为一单位n=1000kj000x6x0.5 a)5=600(r/min)=86460xwxr _ 60x600x 24000 10"_ 10"c=vz fwfm= v864 x 1.2 x 2475 =28215(n)(3)

30、 滚珠丝杠螺母副的选型查表知，可采用wd4510外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈, 额定动载荷为29500n,可满足耍求，精度等级按表3-15选为3级。3.3.3 z轴滚珠丝杠副的设计(1)计算进几率引力fm y向进给为矩形导轨fm=kfx+f(fz+fy+g)= 1.1x1500+0.15 x (2000+1500+2000) =2475(n)式屮k一考虑颠覆力矩影响的试验系数，矩形导轨取k=l.lf一滑动导轨系数f=0.15(2) 计算最大动载荷c=vz fwfint 60xnxr l=1061000v n=l4)式中 lo一丝杠导程，初选l()=5mmvs一最大切削力条件下的

31、进给速度(m/min)，可取最高进给速度的丄丄，此 23处 vs =6m/mint一为使用使命(h), 10年，300天，单班工作，24000hfw运转系数，按一般运转取fw=1.2 l一寿命，以106转为一单位=600(r/min)1000v1000x6x0.5n=l =lo5=86460 x z? x 尸 _ 60 x 600 x 24000_ 10"_ io"c=vz fwfm= v864 x 1.2 x 2475 =28215(n)(3) 滚珠丝杠螺母副的选型查表知，可采用wd4510外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，额 定动载荷为29500n,可满足要

32、求，精度等级按表3-15选为3级。3.4电机的计算和选型(一)纵向进给步进电机计算(1) 等效转动惯量计算:z, 9w l 9人=人/ + 人 +(v-)2(a + a) + (f) (3-15)z2g 271式屮 jm 一步进电机转子转动惯量(知 cm2)ji、j2 歯轮z,、z2的转动惯量(z:g、cm2)js 滚珠丝杠转动惯量(知 cm2)参考同类型机床，初选反应式步进电机150bf，其转子转动惯量jm=10知 j7l = 0.78x10-3 xt/xl,=0.78x10-3x54x2=0.975(岵.cm2)(3-16)jz2 =0.78x10_3xj24xl,=0.78x 1 o&#

33、39;3x 104x 2= 15.6(kg -cm2)(3-17)计算丝杠的转动惯量，公称直径30mm，导程6mm,长度400mm的丝杠。表中查出 lm长的丝杠转动惯量为81.58atg.cm2，则js=81.58xo.4=32.63(kg cm2)(3-18)a = a/ +i +(吾_)21(人 +z2g 2tt=10 + 0.975 + ()2(15.6 + 32.63) +()2109.8 2tt=31.31 cm2考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。jm/7=0.319基本满足惯量匹配的要求。(2) 电机力矩计算1)快速空载启动力矩m#在快速空载起动阶段，加速力矩占得比例较大，具体

34、计算公式如下：河起：从侧，+ a/o«max = x 2兀 n max / 60f“ x 10 2将前而数据代入，式中各符号意义同前。取 nmax = 2000(r/min)启动加速时间ta=150ms«max -x 2兀 n max 60f“ x 10 2=31.31 x2x(2000/60x0.15)xl02=437(n.cm)折算到电机轴上的摩擦力矩mf:mt: f0l0 / 2鄉=ffz + g) x v 2娜=0.15 x (2000 + 2000)x0.5 / (2x 0.8)=59.7 (n-cm)附加摩擦力矩momo=/?pol()(l-"(”/2

35、邮 = fnil0(l-702)/6 挪 =2475 x 0.6 x (1 - 0.92) / (6疋 x 0.8)= 18.72(n-cm)上述三项合计：m«maxf=437+59.7+18.72 =515.42 (n.cm)(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)(3-24)2)快速移动吋所需力矩mrl。(3-25)m 快=mfh-m0=59.7+l 8.72=78.42(n cm)3)最大切削负载时所需力矩mt7j。m w = mf+mo+mt(3-26)=mf+mo+f x l 0 /2 /rz/i=59.7+18.72+1500x0.6/ ( 2x0.9

36、x0.5) =396.9(n.cm)上而计算可以看出，、mt7j三种工况下，以快速空载起动所需力矩最 大，以此项作为初选步进电机的依据。从表3-24斉出，当步进电机为五项十拍时a = 一 =0.951mjmax=mq/z = 541.98(n.cm)(3) 计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率1000vmax60么1000x1560x0.0125000 (hz)(3-28)= 13333( hz)(3-29)1000vs _ 1000x8 60sp 60x0.01从表3-23中杳出150be002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800hz,运行 频率为8000hz。当f=2500hz

37、时，m=100n«cm。不能满足机床所要求的空载起动力矩(541.98n.cm)直接使用则会产生失步现象，必须采取升降速控制，将起动频率降 到1000hz时，起动力矩可增高到588.4n.cm,然后在电路上采用高低压驱动电路， 还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。y、z两轴电机的算法与选型，与x轴电机相同，故此处不再详细描述。4数控系统的控制部分设计4.1硬件系统设计4.1.1运动控制器的选择在运动控制卡的选择上，我们在此次设计屮采用基于pc的pcl-839,其主要特 点：pcl-839是一块具有3路独立控制功能的运动控制卡，能够直接与伺服驱动器相 连；能够同时控制三个轴的控制，其应

38、用程序为步进电机的控制设计了友好的用户接 口，可以使程序编写简单；并且有独立的保护措施；具有连续直线插补、阙弧插补 及三轴联动轨迹插补算法。4.1.2控制系统硬件结构与工作原理硬件一般由弱点型数控装罝和强电型输出驱动及其控制电路组成。数控装罝由 pc机、plc-839运动控制卡、i/c接口板组成。强电型输出驱动及其控制电路由驱动 电机、步进电机驱动器、强电控制电路及行程开关与操作面板组成。工作原理：插在pc机isa插梢上的运动控制卡与37 口 d型接口和pc机相连， pc机再通过50根i/o信号线和连，从而控制xyz三个方向电动机，从而实现对三 坐标数控机床的控制，其硬件结构与工作原理由下图所

39、示。控制命令 电平信号行程开关操作面板a apcl6c39 isai总线控制器i/o接i 1板方向与脉冲信号开关信号开关信号冷却泵电机主轴调速屯机轴步进电机轴步进电机轴步进电机图4-1硬件结构组成与原理图4.1.3 plc-389卡内部结构工作原理pcl-839卡是isa总线型高速三轴步进电机控制卡，pcl-839卡脉冲、方向输出 和五个限位幵关的输入在计算机中采用了光电耦合隔离，以此来提高抗干扰能力和保 护板卡袼路。脉冲频率范围一般在1-16kps,机床数控系统可以根据机床的进给速度 来设置pcl-839的脉冲频率。4.2软件系统设计4.2.1开发基于windows平台的数控系统的优势基于p

40、c的开放式数控系统在windows操作平台下可以实现实吋性，并ii有大量 的软件可以在此平台上运行。其主要优点有以下几点：(1) 人机界面友好，并ii有大量的应用软件；(2) 调试、操作都比较简单；(3) 技术成熟，开发工具齐全并ii完善。4.2.2操作平台的选用本课题采用的操作系统是选用的windows xp操作系统，此系统是当前pc机的 主流系统，其操作系统应具有通用性。利用windows xp丰富的应用软件资源，可 以有效地生成各种菜单以及数控指令编辑软件，能够在保证前台加工任务准确完成 的同时还可以执行在线监测、故障诊断等多种仟务，充分发挥主机的性能。4.3数控程序设计数控系统的译码是

41、根据零件程序的编制规则，从程序段中提出各种零件的轮廓 信息(比如g、x、y等代码)、加工信息(f代码)和其他辅助信息，以计算机能 够识别的数据形式来提取出来并以一定数据格式存放到内存单元中。在译码过程 中，除此之外，还要进行程序段语法和词法的检查。并按约定的格式提交给后续处 理步骤。译码处理目的是处理字符信息，因此会用到一些字符串处理函数，这部分 函数自行编写。以下是译码器的实现：void ccncdoc:ncflag(char*lf)int i=0;static k=0;while(*(lf+i)!=v&&*(lf+i+l)!=f)if(*(lf+i)=g*)/判断是否为准备

42、指令switch(*(lf+i+2)caseo1:/建立点运动标志并读入x轴y轴数据,g00和/g01、g02、g03、不在同一行linedatako=o;cout«hgn«*(lf+i+2);break;caset:/建立直线运动标志并读入x轴y轴数据linedatako=l;cout«"g"«*(lf+i+2);break;case2:/建立逆圆弧运动标志并读入x轴y轴数据linedatak0=2;cout«"g”*(lf+i+2);break;case3:/建立顺圆弧运动标忠并读入x轴y轴数据linedatako=3;cout«ng”*(lf+i+2);break;default:afxmessagebox("g 后面数字应为