開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控銑床上的應(yīng)用研究

1、目錄1 w w31.1數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生及其發(fā)展31.2數(shù)控系統(tǒng)的組成41.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)51.4開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)61.4.1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的定義及特征61.4.2基于pc的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的分類71.4.3幵放式數(shù)控系統(tǒng)的研宄現(xiàn)狀81.4.4幵放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則81.5本課題的研宄內(nèi)容92設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及設(shè)計(jì)思想102.1課題要求102.2設(shè)計(jì)原則102.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)102.3.1數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求102.3.2提髙機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度112.3.3伺服系統(tǒng)的選擇113數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算123.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)123.1.1主傳動(dòng)變速系統(tǒng)123.1.2主軸部件的設(shè)計(jì)123.1.3主軸軸承

2、的潤(rùn)滑123.2 v帶的選型和計(jì)算123.3滾珠絲杠副的計(jì)算和選型143.3.1 y軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)143.3.2 x軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)153.3.3 z軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)163.4電機(jī)的計(jì)算和選型174數(shù)控系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)204.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)204.1.1運(yùn)動(dòng)控制器的選擇204.1.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理204.1.3 plc-389卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理214.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)214.2.1開(kāi)發(fā)基于windows平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)214.2.2操作平臺(tái)的選用214.3數(shù)控程序設(shè)計(jì)215 23>k24數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù) 控技術(shù)

3、實(shí)施加工控制的機(jī)床，或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控（nc）機(jī)床。數(shù)控 系統(tǒng)一般包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)器及進(jìn)給裝置等主要部件。數(shù)控 技術(shù)的應(yīng)用不僅給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了巨大的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化以及現(xiàn) 代化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的 一些重要行業(yè)（it、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因 為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。1.1數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生及其發(fā)展隨著電子技術(shù)的發(fā)展，1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世，在此背景下，美 國(guó)的帕森斯公司與麻省理工學(xué)院合作經(jīng)過(guò)四年的吋間，于1952年研制出第一臺(tái)三坐 標(biāo)數(shù)控銑床

4、，此后半個(gè)多世紀(jì)，數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷 了六代系統(tǒng)的更替。第一代數(shù)控系統(tǒng)：1954年底、美國(guó)本迪克斯公司（bendix co）在巾森斯專利的 基礎(chǔ)上生產(chǎn)出了第一臺(tái)工、ik用的數(shù)控機(jī)床。這時(shí)的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)（專用電子計(jì) 算機(jī)）采用的是電子管，其體積龐大，功耗高，成本高，僅在一些軍事部門中承扔普 通機(jī)床難于加工的形狀復(fù)雜零件。第二代數(shù)控系統(tǒng)：1959年晶體管出現(xiàn)，運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用晶體管元件和印刷 電路板，這時(shí)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)跨入了第二代。而h 1959年克耐.杜列克公司（keaney& trecker co簡(jiǎn)稱k&t公司）在數(shù)控機(jī)床上設(shè)置刀庫(kù)，并在刀庫(kù)中

5、裝有絲錐、鉆頭、 鉸刀等刀具，能夠根據(jù)穿孔帶的指令自動(dòng)選擇刀具，并能通過(guò)機(jī)械手將刀具裝在主軸 上，以縮短刀具的裝卸時(shí)間和減少零件的定位裝卡時(shí)間。人們把這種帶自動(dòng)交換刀具 的數(shù)控機(jī)床稱為加工中心（machining center簡(jiǎn)稱mc）。第三代數(shù)控系統(tǒng)：在20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了集成電路，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第三 代，數(shù)控系統(tǒng)采用了小規(guī)模集成電路作為硬件，其特點(diǎn)是體積小，功耗低，可靠性進(jìn) 一步提高。以上三代都屬于硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)，由于點(diǎn)位控制的數(shù)控系統(tǒng)比輪廓控制的數(shù)控系 統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多，在該階段，點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床得到大發(fā)展。第四代數(shù)控系統(tǒng)：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 中，

6、由此組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（cnc）,數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第四代。它的大部分 功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、可靠性高、使用方便。第五代數(shù)控系統(tǒng)：20世紀(jì)70年代初、微處理機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，美、日、德等國(guó)都迅 速推出了以微處理機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)，這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)，稱為第五代數(shù)控系統(tǒng)(mxc,通稱為cnc)。從而使當(dāng)時(shí)的機(jī)電一體化的構(gòu)想成為可能。第六代數(shù)控系統(tǒng)：從1990年開(kāi)始至今，采用的系統(tǒng)是基于pc機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。1.2數(shù)控系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由程序、輸入/輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程控制器 (plc)、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置組成。如閣1.1所示輸入設(shè)備主軸控制單元plc 以輸出設(shè)

7、備cnc裝置主軸電機(jī)速度控制單元進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)器圖1.1計(jì)算機(jī)數(shù)擰系統(tǒng)框圖數(shù)控系統(tǒng)總體分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，二者缺一不可，必須相互配合才能正常 工作。(1) 數(shù)控系統(tǒng)由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能，是固定接線的硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)圖如 圖1. 2所不。epromram輸入接口cpumdi/crt輸出接口圖1.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)mdi/crt 接 口(2) cnc裝置釆用專用計(jì)算機(jī)，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，具有良 好的“柔性”，容易通過(guò)改變軟件來(lái)更改或者擴(kuò)展其功能。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示。cnc系統(tǒng)軟件i/o顯診處理示斷輸入譯刀1速具度插補(bǔ)控碼償制補(bǔ)控制軟件|位置控制圖1.3數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)

8、構(gòu)1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著當(dāng)代數(shù)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)于數(shù)控技術(shù)的耍求越來(lái)越高，現(xiàn)今其發(fā)展 趨勢(shì)是朝高速化、高精度化、高效加工、幵放性、多功能化、復(fù)合化和智能化方向發(fā) 展。其主要發(fā)展動(dòng)向是研制開(kāi)放式全功能通用數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用是 emc/fms/cimo（1）向高速化、高精度化發(fā)展隨著數(shù)控機(jī)床對(duì)于高速度、高精度方向發(fā)展的需要，數(shù)控裝置要能夠高速處理 輸入的指令數(shù)據(jù)并計(jì)算出伺服機(jī)構(gòu)的位移量，而且要求伺服電機(jī)能高速度、高準(zhǔn)確度 地做出反應(yīng)。速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)的兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，r前高速主軸單元（電 主軸）轉(zhuǎn)速己經(jīng)高達(dá)15000r/min100000r/min以上；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件不

9、但要求高速度、 并且具有高的加、減速功能，其快速移動(dòng)速度需要達(dá)到60120m/min以上，工作進(jìn) 給速度已高達(dá)60m/min以上。隨著微處理器芯片的迅速發(fā)展，為數(shù)控系統(tǒng)采用高速處 理技術(shù)提供丫高質(zhì)量的保障。cpu已由80年代的16 （如fanuc-6m等）位發(fā)展為現(xiàn)在 的32位（如fanuc-15等）以及64位cpu的數(shù)控系統(tǒng)，90年代還出現(xiàn)了精簡(jiǎn)指令集 （risc）芯片的數(shù)控系統(tǒng)（如fanuc-16等）。cpu的頻率由原來(lái)的5mhz、10mhz，提 高到幾百兆mllz、上千兆mllz，甚至更高，進(jìn)一步提高y系統(tǒng)的運(yùn)算速度準(zhǔn)確度。（2）向智能化發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在能夠自我診斷設(shè)備故障

10、、自適應(yīng)控制技術(shù)、附加 人機(jī)會(huì)話自動(dòng)編程功能、智能化伺服驅(qū)動(dòng)裝置等方面，配置多種遙控接門和智能接門。 具有友好的人機(jī)界面，可操作性強(qiáng)。（3）向多功能化發(fā)展具備多種功能的數(shù)控系統(tǒng)，能夠最大限度的提高設(shè)備的利用率，最大的提高工作 效率。工件一經(jīng)裝夾，數(shù)控系統(tǒng)就可以控制機(jī)床自動(dòng)地更換刀具，連續(xù)對(duì)工件的各個(gè) 加工面進(jìn)行銑削、鏜削、鉸孔、擴(kuò)孔及攻螺紋等多種加工，從而可以避免因?yàn)槎啻窝b 夾所造成的定位誤差。這樣減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)、工夾具和操作人員，節(jié)省了占地面積和 輔助時(shí)間。（4）向開(kāi)放式發(fā)展a前，以個(gè)人微機(jī)為平臺(tái)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家 都在進(jìn)行開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研宂，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是

11、當(dāng)今數(shù)控研宂方面的熱點(diǎn)，也是 本課題將要詳細(xì)介紹的a容。下面我將會(huì)對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的描述和介紹。1.4開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)1.4.1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的定義及特征iee （國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)幵放式數(shù)控系統(tǒng)的定義是：“符合系統(tǒng)規(guī)范 的應(yīng)用可以運(yùn)行在多個(gè)銷售商的不同平臺(tái)上，可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用互操作，并且具 有一致風(fēng)格的用戶交互界面”。它具有如下特征：（1）模塊化釆用分布式控制原則。釆用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造是可 移植和透明的。(2) 標(biāo)準(zhǔn)化“開(kāi)放式”是在一定規(guī)范下的開(kāi)放，并不是毫無(wú)約束的開(kāi)放。需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 來(lái)約束各類機(jī)床控制器的研發(fā)。(3) 可擴(kuò)充性允許用戶根據(jù)不同

12、的工作環(huán)境和需要?jiǎng)討B(tài)地重組系統(tǒng)的功能。(4) 互操作性此為當(dāng)前開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個(gè)特性，開(kāi)放系統(tǒng)往往是由互不兼容的系統(tǒng) 所組成，因此，異構(gòu)環(huán)境的互操作性是非常關(guān)鍵的。(5) 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式作為開(kāi)放式控制器應(yīng)考慮到迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。需 要具有一種較好的通信和接門協(xié)議，一邊各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)信息交 換，以滿足實(shí)時(shí)控制需要。1.4.2基于pc的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的分類1. 按pc與nc的配合分類(1) pc 嵌入 nc把pc主板嵌入傳統(tǒng)的cnc系統(tǒng)，pc主要運(yùn)行非實(shí)時(shí)控制，cnc主要運(yùn)行實(shí) 時(shí)控制。人機(jī)接口開(kāi)放，系統(tǒng)柔性不高。實(shí)時(shí)控制部分還是不開(kāi)放的。(2

13、) nc 嵌入 pc把運(yùn)動(dòng)控制卞插入到pc的標(biāo)準(zhǔn)卡梢中做運(yùn)動(dòng)控制，而pc機(jī)主要做邏輯控制， 可以實(shí)現(xiàn)全開(kāi)放的功能。但它仍只是在一定程度上的開(kāi)放，其軟、硬件的一部分還是 專用的，機(jī)床伺服系統(tǒng)、反饋設(shè)備的接口也可能是專用的。(3) 全軟件型nc該類型系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如插補(bǔ)、編譯、解釋和plc等，均由相應(yīng)的軟件模塊 來(lái)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)安裝在pc擴(kuò)展梢中的接口卞對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。目前國(guó)際上對(duì) 于這種體系結(jié)構(gòu)的研宄還處于起步階段。2. 按采用的操作系統(tǒng)分類(1) 采用linux操作系統(tǒng)此操作系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性，一般用于高檔多軸高同步場(chǎng)合的應(yīng)用，其源代 碼是開(kāi)放的，能偶更好的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和配置(2)

14、采用dos系統(tǒng)其主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，技術(shù)成熟，但是其操作太復(fù)雜，制作界面比較繁瑣， 可移植性差，開(kāi)放程度有限，只適合中、低檔數(shù)控系統(tǒng)的研宄和開(kāi)發(fā)。(3) 采用windows操作系統(tǒng)其主要特征是人機(jī)界面友好，用戶多，大部分用戶都是采用此操作系統(tǒng)，能夠 勝任中、高檔開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的要求，此課題就是采用windows操作系統(tǒng)的。1.4.3開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀(1) 國(guó)外研究現(xiàn)狀就0前來(lái)看，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在國(guó)外的研究比較成熟，美國(guó)在九十年代提出來(lái) 了 omac計(jì)劃，該計(jì)劃的0的就是使系統(tǒng)制造業(yè)、機(jī)床廠和最終用戶分別縮短周期、 降低開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、便于系統(tǒng)的集成和二次開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)使用以及維

15、護(hù) 等方面受益。歐洲德、意、法等國(guó)家也在1990年左農(nóng)提出來(lái)了 osaca計(jì)劃，其計(jì)劃提出了 一個(gè)“分層系統(tǒng)平臺(tái)+結(jié)構(gòu)功能蘋元”的結(jié)構(gòu)。osaca的三個(gè)主要的組成部分是通 訊系統(tǒng)、參考體系結(jié)構(gòu)、配置系統(tǒng)。日本也提出來(lái)了一個(gè)osec計(jì)劃，其重點(diǎn)集中在數(shù)字控制本身和分布式控制系統(tǒng) 上，包括了三個(gè)功能層和七個(gè)處理層，此外韓國(guó)和其他國(guó)家也各自進(jìn)行了開(kāi)放式數(shù)控 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究。(2) 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的迅猛發(fā)展，中國(guó)逐漸由勞動(dòng)密集型生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換到靠 機(jī)械加工為主的機(jī)械制造、ik,傳統(tǒng)的普通加工模式滿足不了當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，難以適 應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多元化的要求，因此以數(shù)控技術(shù)為核心的新型數(shù)字

16、程序控制機(jī)床應(yīng)運(yùn)而 生，我從網(wǎng)上了解到，s前中國(guó)已經(jīng)連續(xù)六年成為世界機(jī)床第一大消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)， 產(chǎn)值居世界第三，出口排名世界第八位。數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐步走向高速化, 精密化，高性能化，系列化及復(fù)合化，但是0前仍與世界其他國(guó)家如德國(guó)，日本的數(shù) 控技術(shù)還是有一定的差距，因此。國(guó)家的發(fā)展壯大，科技生產(chǎn)力的進(jìn)步，制造業(yè)的進(jìn) 步，這樣才能拉小與其他國(guó)家的差距。1.4.4開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則上面描述了許多關(guān)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)容，為了能夠使課題能夠順利進(jìn)行，支 持其的幵放理念、應(yīng)用特性和功能特性，接下來(lái)本文提出了幾點(diǎn)關(guān)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)原則：(1) 在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)以模塊化、分布式控制為設(shè)計(jì)

17、原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模 塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)該是可移植性的。(2) 在功能上，支持以模塊為單元的模式，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多樣化、多層次化 的用途，并且能夠快速響應(yīng)制造業(yè)市場(chǎng)的變化。(3) 在開(kāi)發(fā)方法上，系統(tǒng)中各模塊相互獨(dú)立，允許進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)，控制軟件按 系統(tǒng)一子系統(tǒng)一模塊三級(jí)幵發(fā)、集成模式，各模塊接口協(xié)議應(yīng)當(dāng)明確，以便于制造廠、 機(jī)床廠和最終用戶幵發(fā)集成自己的個(gè)性化模塊、擴(kuò)展專用功能。(4) 在支撐平臺(tái)上，以通用pc為基礎(chǔ)平臺(tái)，需采用性能良好的標(biāo)準(zhǔn)化通信接口 協(xié)議，支持系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊間的通信和互操縱，并能夠滿足實(shí) 時(shí)控制的要求。1.5本課題的研究?jī)?nèi)容木課題應(yīng)用研宄對(duì)

18、象是一個(gè)基于pc機(jī)和windows平臺(tái)的具有三軸聯(lián)動(dòng)功能的南 京四開(kāi)數(shù)控銑鉆床，它釆用運(yùn)動(dòng)控制器，配上pc微機(jī)，并結(jié)合數(shù)控銑鉆床中原有的 步進(jìn)電機(jī)等主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備，開(kāi)發(fā)出一個(gè)具有三軸聯(lián)動(dòng)功能的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床被改造完成以后，主軸電機(jī)需采用交流電機(jī)，三軸聯(lián)動(dòng)均采用步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)；用單片機(jī)來(lái)控制所有的電機(jī)；通過(guò)滾珠絲杠的運(yùn)用，來(lái)對(duì)工作臺(tái)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及設(shè)計(jì)思想2.1課題要求題目名稱：開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控銑床上的應(yīng)用研宄 主要技術(shù)參數(shù)：(1) 脈沖當(dāng)量：x、y、z向均為0.01mm/脈沖；(2) 伺服驅(qū)動(dòng)使用步進(jìn)電機(jī)；(3) x、y、z軸的快速進(jìn)給速度分別為6、6、3m

19、/min；(4) 工作臺(tái)面尺寸500x500mm；(5) x、y、z方向的最大切削力分別為1500n, 1500n, 2000n；(6) 重復(fù)定位精度0.01mm;(7) 使用年限為10年，每年工作300天，每天單班工作。2.2設(shè)計(jì)原則根據(jù)設(shè)計(jì)要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計(jì)方案如下：(1) 工作臺(tái)需要沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)冇確定的函數(shù)關(guān)系，則機(jī)床采用連續(xù)控制系 統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。(2) 考慮到機(jī)床加工精度要求不高，并且開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、容易 掌握、調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單，因此采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。(3) 進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床必須有精確的進(jìn)給傳動(dòng)系

20、， 才會(huì)冇高的精度和表面質(zhì)量。考慮到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選用，為達(dá)到 分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。(4) 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件、盡量消除傳動(dòng)間隙、提高系統(tǒng)剛度。 為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求機(jī)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高 傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。(5) 傳動(dòng)系統(tǒng)需要加上脈動(dòng)裝置。2.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求需要滿足以下兒個(gè)方面的要求：(1) 提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度；(2) 提商機(jī)床結(jié)構(gòu)的抗振性；(3) 減少機(jī)床的熱變形；（4）改善運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦特性。2.3.2

21、提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度機(jī)床剛度是指在外力作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。一般分為靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài) 剛度，機(jī)床在切削過(guò)程中要承受各種力。提高機(jī)床剛度的措施有以下兒個(gè)方面：（1）正確選擇截面的形狀和尺寸；（2）合理選擇及布置隔板和筋條；（3）提高構(gòu)件的局部剛度；（4）選用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。2.3.3伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)伺服系 統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于另外兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。3數(shù)控銳床的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源、變速裝置及執(zhí)行元件，以及

22、開(kāi)停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等 組成。數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)應(yīng)該具冇足夠的變速范圍、較高的精度和剛度、好的抗振 性和熱穩(wěn)定性、較大驅(qū)動(dòng)功率和較高的結(jié)構(gòu)性能以滿足當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展。3.1.1主傳動(dòng)變速系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的調(diào)速傳動(dòng)是自動(dòng)變速，一般采用無(wú)級(jí)自動(dòng)變速，這樣能夠在一定的范 圍內(nèi)選用到理想的切削速度，一方面能夠提高切削精度，另一方面還能夠提高切削效 率。在數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)中一般選用三大類無(wú)級(jí)變速裝置：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變 速裝置以及液壓無(wú)級(jí)變速裝置。3.1.2主軸部件的設(shè)計(jì)（1）主軸部件一般由主軸及其支撐軸承、密封件、傳動(dòng)件和定位元件組成。（2）主軸軸承的選擇，我采用的是角接觸球軸承。這種軸承的優(yōu)點(diǎn)在

23、于既能夠承 受軸向載荷又能夠承受徑向載荷。然而角接觸軸承又分為三種組配方式：背對(duì)背、同 向組配以及面對(duì)面三種。木課題我選擇的是背對(duì)背組配，因?yàn)榇朔绞桨惭b的角接觸軸 承具有較高的抗顛覆力矩的能力。（3）主軸傳動(dòng)件的定位。我采用帶傳動(dòng)鏈接，主軸傳動(dòng)件位于后懸伸端，這樣可 以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)。（4）承載能力和壽命，主軸軸承一般情況下都是由于磨損導(dǎo)致精度的降低，一般 情況下精度應(yīng)保持在四級(jí)。3.1.3主軸軸承的潤(rùn)滑主軸軸承之間的接觸一般存在較高的壓強(qiáng)，很容易磨損，其潤(rùn)滑一般采用兩種方 式，一種是脂潤(rùn)滑，常用在要求不高、難以經(jīng)常供油，或者低速重載以及作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) 之處的軸承屮。另一種是油氣潤(rùn)滑，其

24、是滑動(dòng)軸承屮應(yīng)用最廣的潤(rùn)滑劑。3.2 v帶的選型和計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)容包括帶的型號(hào)、確定基準(zhǔn)長(zhǎng)度、根數(shù)、中心距、帶輪的材料、基準(zhǔn)直徑 以及結(jié)構(gòu)尺寸、初拉力和壓軸力、張緊裝置等。（1）確定計(jì)算功率pea式屮：pea計(jì)算功率，kw; ka工作情況系數(shù);p電機(jī)額定功率，kw。(2) 選擇v帶的帶型根據(jù)計(jì)算功率pea以及小帶輪轉(zhuǎn)速n,，取1=1440 r/min,選用a型v帶。(3) 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑dd并驗(yàn)算帶速v 初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑d d i = 100mm。(4) 驗(yàn)算帶速ddln,v 一60x1000x 100x1440_ _.=7.5m / s < 25m / s60000故帶速合適。選擇

25、傳動(dòng)比i=2大帶輪的基準(zhǔn)直徑dd2 = ixddl = 2x100 = 200mm(5)確定中心距a以及基準(zhǔn)長(zhǎng)度l,0.7(ddl+dd2)<6/() <2(ddl +dd2) 210mm < a() < 600mm初選 = 350mm 帶長(zhǎng),71ld = 20 + (ddi +dd2) +=1178mm取帶長(zhǎng) l = 1200mm 屮心距屮心距的調(diào)整范圍:l,-l,“ =+ = 361mm2in - a0.015lf/ = 343mm (7max = a + 0.03 = 397mm(6) 驗(yàn)證小帶輪上的包角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，滿足條件。(7) 計(jì)算帶的根數(shù)zp()= 1.32kwap( =0.17kwka = 0.96z(p0+ap0)尺人得z=3.6，取4根帶。(8) 計(jì)算初拉力f。fo=5oo(|-l) + 9v2ka= 0.12kg / m算得g = 135n(8) 計(jì)算壓軸力fpfp=2zf0 sin專= io68n3.3滾珠絲杠副的計(jì)算和選型3.3.1 y軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)(1)計(jì)算進(jìn)給率引力fmy向進(jìn)給為矩形導(dǎo)軌：fni=kfx+f(fz+fy+

27、g)fx= 1500n fy= 1500nfz= 2000ng= 2000n式中k一考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌中k= 1.1f一導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，矩形導(dǎo)軌f=0.15(2)計(jì)算最大動(dòng)載荷c式中t 60xnx7 l= 71061ooov n=lo絲杠導(dǎo)程，初選l(f5mm(3-13)(3-14)vs-最大切削力條件下的進(jìn)給速度(-/mm),可取最高進(jìn)給速度的去4vs =6m/mint一為使用使命(h), 10年，300天，單班工作，24000h fw一運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2 l一壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位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) .滾珠絲杠螺母副的選型查表知，可采用wd4510外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈， 額定動(dòng)載荷為29500n,可滿足要求，精度等級(jí)按表3-15選為3級(jí)。3.3.2 x軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)(1) 計(jì)算進(jìn)兒率引力？， y向進(jìn)給為矩形導(dǎo)軌fm=kfx+f(fz+fy+g)= 1.1x1500+0.15 x (2000+1500+2000) =2475(n)式中k一考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌取k=l.l f一滑動(dòng)導(dǎo)軌系數(shù)f=0.15

29、(2) 計(jì)算最大動(dòng)載荷c=vzfwfmt 60 x a: x r l=1061 ooovs式中l(wèi)o一絲杜導(dǎo)程，初選l()=5mmvs最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min)，可取最高進(jìn)給速度的11， 23此處 vs =6m/mint一為使用使命(h), 10年，300天，單班工作，24000h fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2 l一壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位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、 滾珠絲杠螺母副的選型查表知，可采用wd4510外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈, 額定動(dòng)載荷為29500n,可滿足耍求，精度等級(jí)按表3-15選為3級(jí)。3.3.3 z軸滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)(1)計(jì)算進(jìn)幾率引力fm y向進(jìn)給為矩形導(dǎo)軌fm=kfx+f(fz+fy+g)= 1.1x1500+0.15 x (2000+1500+2000) =2475(n)式屮k一考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌取k=l.lf一滑動(dòng)導(dǎo)軌系數(shù)f=0.15(2) 計(jì)算最大動(dòng)載荷c=vz fwfint 60xnxr l=1061000v n=l4)式中 lo一絲杠導(dǎo)程，初選l()=5mmvs一最大切削力條件下的

31、進(jìn)給速度(m/min)，可取最高進(jìn)給速度的丄丄，此 23處 vs =6m/mint一為使用使命(h), 10年，300天，單班工作，24000hfw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2 l一壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位=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) 滾珠絲杠螺母副的選型查表知，可采用wd4510外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈，額 定動(dòng)載荷為29500n,可滿足要

32、求，精度等級(jí)按表3-15選為3級(jí)。3.4電機(jī)的計(jì)算和選型(一)縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算(1) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:z, 9w l 9人=人/ + 人 +(v-)2(a + a) + (f) (3-15)z2g 271式屮 jm 一步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(知 cm2)ji、j2 歯輪z,、z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(z:g、cm2)js 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(知 cm2)參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150bf，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量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)計(jì)算絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，公稱直徑30mm，導(dǎo)程6mm,長(zhǎng)度400mm的絲杠。表中查出 lm長(zhǎng)的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為81.58atg.cm2，則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考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量相匹配問(wèn)題。jm/7=0.319基本滿足慣量匹配的要求。(2) 電機(jī)力矩計(jì)算1)快速空載啟動(dòng)力矩m#在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占得比例較大，具體

34、計(jì)算公式如下：河起：從側(cè)，+ a/o«max = x 2兀 n max / 60f“ x 10 2將前而數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。取 nmax = 2000(r/min)啟動(dòng)加速時(shí)間ta=150ms«max -x 2兀 n max 60f“ x 10 2=31.31 x2x(2000/60x0.15)xl02=437(n.cm)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩mf:mt: f0l0 / 2鄉(xiāng)=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、郵 = fnil0(l-702)/6 挪 =2475 x 0.6 x (1 - 0.92) / (6疋 x 0.8)= 18.72(n-cm)上述三項(xiàng)合計(jì)：m«maxf=437+59.7+18.72 =515.42 (n.cm)(3-19)(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)(3-24)2)快速移動(dòng)吋所需力矩mrl。(3-25)m 快=mfh-m0=59.7+l 8.72=78.42(n cm)3)最大切削負(fù)載時(shí)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)上而計(jì)算可以看出，、mt7j三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最 大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。從表3-24斉出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十拍時(shí)a = 一 =0.951mjmax=mq/z = 541.98(n.cm)(3) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率1000vmax60么1000x1560x0.0125000 (hz)(3-28)= 13333( hz)(3-29)1000vs _ 1000x8 60sp 60x0.01從表3-23中杳出150be002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800hz,運(yùn)行 頻率為8000hz。當(dāng)f=2500hz

37、時(shí)，m=100n«cm。不能滿足機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩(541.98n.cm)直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，必須采取升降速控制，將起動(dòng)頻率降 到1000hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增高到588.4n.cm,然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路， 還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。y、z兩軸電機(jī)的算法與選型，與x軸電機(jī)相同，故此處不再詳細(xì)描述。4數(shù)控系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1運(yùn)動(dòng)控制器的選擇在運(yùn)動(dòng)控制卡的選擇上，我們?cè)诖舜卧O(shè)計(jì)屮采用基于pc的pcl-839,其主要特 點(diǎn)：pcl-839是一塊具有3路獨(dú)立控制功能的運(yùn)動(dòng)控制卡，能夠直接與伺服驅(qū)動(dòng)器相 連；能夠同時(shí)控制三個(gè)軸的控制，其應(yīng)

38、用程序?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的控制設(shè)計(jì)了友好的用戶接 口，可以使程序編寫簡(jiǎn)單；并且有獨(dú)立的保護(hù)措施；具有連續(xù)直線插補(bǔ)、闕弧插補(bǔ) 及三軸聯(lián)動(dòng)軌跡插補(bǔ)算法。4.1.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理硬件一般由弱點(diǎn)型數(shù)控裝罝和強(qiáng)電型輸出驅(qū)動(dòng)及其控制電路組成。數(shù)控裝罝由 pc機(jī)、plc-839運(yùn)動(dòng)控制卡、i/c接口板組成。強(qiáng)電型輸出驅(qū)動(dòng)及其控制電路由驅(qū)動(dòng) 電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、強(qiáng)電控制電路及行程開(kāi)關(guān)與操作面板組成。工作原理：插在pc機(jī)isa插梢上的運(yùn)動(dòng)控制卡與37 口 d型接口和pc機(jī)相連， pc機(jī)再通過(guò)50根i/o信號(hào)線和連，從而控制xyz三個(gè)方向電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三 坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的控制，其硬件結(jié)構(gòu)與工作原理由下圖所

39、示?？刂泼?電平信號(hào)行程開(kāi)關(guān)操作面板a apcl6c39 isai總線控制器i/o接i 1板方向與脈沖信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)冷卻泵電機(jī)主軸調(diào)速屯機(jī)軸步進(jìn)電機(jī)軸步進(jìn)電機(jī)軸步進(jìn)電機(jī)圖4-1硬件結(jié)構(gòu)組成與原理圖4.1.3 plc-389卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理pcl-839卡是isa總線型高速三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡，pcl-839卡脈沖、方向輸出 和五個(gè)限位幵關(guān)的輸入在計(jì)算機(jī)中采用了光電耦合隔離，以此來(lái)提高抗干擾能力和保 護(hù)板卡袼路。脈沖頻率范圍一般在1-16kps,機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)床的進(jìn)給速度 來(lái)設(shè)置pcl-839的脈沖頻率。4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1開(kāi)發(fā)基于windows平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)基于p

40、c的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在windows操作平臺(tái)下可以實(shí)現(xiàn)實(shí)吋性，并ii有大量 的軟件可以在此平臺(tái)上運(yùn)行。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：(1) 人機(jī)界面友好，并ii有大量的應(yīng)用軟件；(2) 調(diào)試、操作都比較簡(jiǎn)單；(3) 技術(shù)成熟，開(kāi)發(fā)工具齊全并ii完善。4.2.2操作平臺(tái)的選用本課題采用的操作系統(tǒng)是選用的windows xp操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)是當(dāng)前pc機(jī)的 主流系統(tǒng)，其操作系統(tǒng)應(yīng)具有通用性。利用windows xp豐富的應(yīng)用軟件資源，可 以有效地生成各種菜單以及數(shù)控指令編輯軟件，能夠在保證前臺(tái)加工任務(wù)準(zhǔn)確完成 的同時(shí)還可以執(zhí)行在線監(jiān)測(cè)、故障診斷等多種仟?jiǎng)?wù)，充分發(fā)揮主機(jī)的性能。4.3數(shù)控程序設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的譯碼是

41、根據(jù)零件程序的編制規(guī)則，從程序段中提出各種零件的輪廓 信息(比如g、x、y等代碼)、加工信息(f代碼)和其他輔助信息，以計(jì)算機(jī)能 夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式來(lái)提取出來(lái)并以一定數(shù)據(jù)格式存放到內(nèi)存單元中。在譯碼過(guò)程 中，除此之外，還要進(jìn)行程序段語(yǔ)法和詞法的檢查。并按約定的格式提交給后續(xù)處 理步驟。譯碼處理目的是處理字符信息，因此會(huì)用到一些字符串處理函數(shù)，這部分 函數(shù)自行編寫。以下是譯碼器的實(shí)現(xiàn)：void ccncdoc:ncflag(char*lf)int i=0;static k=0;while(*(lf+i)!=v&&*(lf+i+l)!=f)if(*(lf+i)=g*)/判斷是否為準(zhǔn)備

42、指令switch(*(lf+i+2)caseo1:/建立點(diǎn)運(yùn)動(dòng)標(biāo)志并讀入x軸y軸數(shù)據(jù),g00和/g01、g02、g03、不在同一行l(wèi)inedatako=o;cout«hgn«*(lf+i+2);break;caset:/建立直線運(yùn)動(dòng)標(biāo)志并讀入x軸y軸數(shù)據(jù)linedatako=l;cout«"g"«*(lf+i+2);break;case2:/建立逆圓弧運(yùn)動(dòng)標(biāo)志并讀入x軸y軸數(shù)據(jù)linedatak0=2;cout«"g”*(lf+i+2);break;case3:/建立順圓弧運(yùn)動(dòng)標(biāo)忠并讀入x軸y軸數(shù)據(jù)linedatako=3;cout«ng”*(lf+i+2);break;default:afxmessagebox("g 后面數(shù)字應(yīng)為