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数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析摘要：高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动，其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法，并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置，并用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。关键词：旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0 前言高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统（即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节，把传动链的长度缩短为零。）广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单，运行可靠，通过在结构上采取措施，如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等，可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2，重量轻60%，转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到，传统驱动系统由于传动环节的存在，控制环节的受力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直接驱动伺服系统，负载与控制环节之间几乎是直接相联，没有传动链的缓冲，因此控制环节受力较大，对扰动比较敏感，这可能会对系统的动态性能造成影响；同时，摆头与转台的特点是要承受低速大负载，因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此，对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言，其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制，其建立控制模型的基础是经典控制理论，即对系统使用传递函数加以描述，将某个单变量（如转速等）作为输出，直接和输入（如电压等）联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量，而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的，因而不能包含系统的所有信息，不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统，其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反映系统全部独立变量的变化，确定系统全部内部运动状态，方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系，尤其适合应用于非线性、多输入－多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型，并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析，为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系（d－q轴系）中永磁同步电动机定子磁链方程为：（1）其中：——转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感；、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为： （2）其中， 、——定子电压矢量us的d、q轴分量；w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为： （3）电动机转矩系数Kt 为：Kt ＝ pmyr此外，电动机系统还要满足基本运动方程：（ 4）其中，n ——电动机转速；wr ——转子机械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制，一般要求id=0，但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等于0，但id的实际值并不一定总是等于0（特别是在动态过程中）。同时，ud的实际数值也不会等于0。因此，必须将ia也作为状态变量，将md 也作为控制变量，由控制器根据所有状态变量（包括id）的取值进行控制。因此取状态变量 ，q 为转子位置角。将（1）式带入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，则永磁同步电机的状态方程为( ) ：(5)由此可见，该系统是一个非线性时变系统，且在系数矩阵中含有wr，id，iq状态变量的交叉相乘项，因此需要进行系统解耦，令因此采取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系统可化为线性系统。取ud，uq 为控制量，负载转矩TL 作为扰动处理，因此单独提出，则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式，则原系统化为：(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下：则系统状态空间方程为： 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型，系统的传递矩阵为： 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得，系统的能控矩阵秩为4，满秩，则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4，满秩，则系统状态是完全可观测的。 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统，其系统稳定的充分必要条件是：系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'= *[0 - + ]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零，因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4，满秩，因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是：首先求一状态反馈，使得其闭环系统对某一输入（例如第一个输入）是能控的，再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为： *[ + ]（1）构造Q、S 矩阵。，由系统可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 为Q-1 的最后一行向量。（2）先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为，所期望的特征多项式为，则增益阵为:（3）求化为能控标准型的变换矩阵T，即则增益阵返回原坐标系为（4）使原系统（A，B）实现极点配置的状态反馈为: 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应：图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）：图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见，通过极点配置使系统稳定，且对各种输入信号的响应有很大改善，具有很好的跟踪性能，这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统，可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来，并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型，运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算，分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性，通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定，使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。参考文献：[1] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.[2] 张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[3] 李三东,薛花.基于Matlab永磁同步电机控制系统的仿真建模[J].江南大学学报,2004,(2):115-120.[4] 杨平,马瑞卿,张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统的建模仿真方法 [J].沈阳工业大学学报,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇启春,张建军,杜京义.现代控制理论基础[M].北京大学出版社,2006.[6] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社,2006国物流管理逐渐走向社会化和供应链化的形势下，必须接合具体企业的物流运作管理实际，根据精益物流的基本原则和企业信息化状况，通过理论与应用的研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上不断修改和完善，不断地进行研究和实践，以此来推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考文献：[1] 乌跃.论精益物流系统[J].中国流通经济,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麦克, (英)丹尼尔·T. 琼斯, 沈希瑾,张文杰,李京生.精益思想:消灭浪费,创造财富[M].北京:商务印书馆,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都经济贸易大学出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技术,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4): 在机床数控改造中的典型应用邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0 前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5～6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M]

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摘要:介绍了普通车床的数控改造条件,同时介绍了对CA6140车床的主传动系统和进给传动系统进行了数控化改造 的过程。改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。同时介绍了该车床机电联动调试的经验。 关键词:普通车床;数控改造 中图分类号: TG659 文献标识码: B 文章编号: 1001-3881 (2006) 4-208-2 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学,对CA6140车床进行了数控化改造。 1 机床数控化改造的条件 1·1 机床基础件有足够的刚性 数控机床属于高精度机床,工件移动或刀具移动的位置精度要求很高,必须在0·001~0·01mm之间,高的定位精度和运动精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。本次用于改造的CA6140车床自购进后一直保养良好,机床基础件刚性满足要求。 1·2 机床数控改装的总费用合适,经济性好 机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分。更换或修理磨损零件,调试大型基础零件,增加新的功能装置,提高机床的精度和性能,另一方面是舍弃原有的一部分进给系统,用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车床价格的50% ~60%时,该机床数控改造在经济上适宜。经过考查,若购买同样配置的车床约需10万元,而我校机床数控改造的总费用为5·1万元,仅占51%,因此该机床数控改造在经济上是合适的。 2 系统配置及主要技术规格 该系统由SIEMENS 802S系统、接口电路、驱动线路及步进电机等组成,另外还配有自动转塔刀架、主轴变频调速器及主轴编码器等,系统属开环控制系统。其主要技术性能和参数如下: (1)系统控制部分。采用SIEMENS 802S系统,键盘和显示部分装在面板上。 (2)系统软件具有若干指令。其中加工指令有 直线、斜线、螺纹、锥螺纹和圆弧等5条指令。可实现车削外圆、端面、台阶、割槽、锥度、倒角、螺纹、顺圆弧和逆圆弧等操作。控制指令有结束循环、暂停、延时、延时换刀、编码换刀、通讯等,与加工指令配合,可加工出各种较复杂的零件。 (3)系统环境工作条件。温度-10~+40℃;湿度为40% ~80%。 (4)输入电网电压。交流(220±22)V;频率为50Hz;电流为1·5A。 (5)步进电机。BYG550C-2型电机两台,驱动电压为110V;相电流为2·5A;步距角为0·36°/步;静力距为12N·m。 3 主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴,使工件以不同的速度运动,主传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性,可乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。针对机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴脉冲发生器,如图1所示。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转,即主轴转一周,主轴脉冲发生器也 图1 主轴脉冲发生器安装示意图转一周,主轴脉冲发生器的安装方式很重要。改装时,主轴传动必须经过原有CA6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现1∶1)传递到原有CA6140车床的挂轮轴X,拆除挂轮留出空间,安装脉冲发生器,并用法兰盘固定。 4 进给传动的数控化改造 进给传动的作用是接受数控系统的指令,驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动,加工出符合要求的零件,对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用步进电机驱动系统实现开环控 图2 进给传动系统制,这样结构简单,安装调试和维修都非常方便。 4·1 进给传动链 图2为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱。 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·3 传动滚珠丝杠副 数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行,采用滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中,用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动变换为直线运动。滚珠丝杠螺母副安装时需预紧,通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙,提高传动刚度。预紧的方法是采用双螺母齿差调隙式结构(图3)。通过改变两个螺母的轴向相对位置,使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现的。 图3 双螺母齿差调隙式结构 一般需要几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除间隙,又能灵活运转。 4·4 刀架 根据需要,拆除原方刀架,安装620型四方刀架(图4)。该刀架由120W的三相交流异步电机正转驱动,使刀架正转选刀,到预定刀位时,电机则反转,使刀架夹紧。换刀方式有手控和机控两种。机控时当零件在加工过程中需要换刀时,数控系统发出预先编制好的换刀控制指令,控制器接到换刀指令时,立即驱动刀架回转。手控时,按动面板上的按钮,刀架能转一个刀位(90°),也可连续按动按钮,直至任一刀位。 5 机电联动调试 5·1 机械调试 丝杠上,侧母线和横、纵导轨的平行度误差控制在0·01mm/全长之内;转动丝杠,丝杠轴向窜动在0·01mm之内;丝杠螺母同轴度误差控制在0·01mm之内。 5·2 机电联动调试 (1)单坐标点动,主要调试其有无动作,运动方向是否符合要求,机械传动是否正常,有无不正常响声等。 1·上刀体 2·活动销 3·反靠盘 4·定轴 5·蜗轮 6·下刀体 7·螺杆 8·离合器盘 9·霍尔元件 10·磁钢 图4 四方刀架结构图 (2)点动合格后,做连续运动。反复多次,若出现故障或异常,排除后方可继续进行。 (3)先试Z坐标方向,后试X坐标方向,这是因为Z坐标方向调试方便。 (4)测量两坐标重复定位精度。在Z向坐标做连续移动时,若发现与丝杠相联的齿 额定转速: 2000r/min 额定输出功率: 2kW 编码器:绝对位置检测方式,分辨率1000000p/r 轴端形式:锥轴伺服放大器采用与电机配套的SJV2系列20型,其驱动能力为2kW。对于2kW电机,也可采用SJV2系列的10型放大器,但此时的输出扭矩要比20型减少1/3,不利于大功率切削。I/O设备选用型号为HR341的基本I/O单元,主要用于机床操作面板及与机床间的输入输出控制。另外附加一个远程I/ODX110,主要用于教学功能的“故障模拟设置”的输入输出。伺服及I/O单元连接原理图如图2所示。 图2 电气连接原理图 2·2·2 主轴控制 主轴电机采用交流变频控制电机,由变频器进行控制,转速范围60~6000r/min。模拟量由基本I/O单元的A0端口输出0~10V的直流电压,变频器根据输入的电压变化而输出相应的转速。由于模拟主轴电机没有编码器,因此在发出转速命令后,系统无法检测到主轴的是否运行。为解决这一问题,我们利用变频器上的功能端子,将其通过参数设置成“到达指令频率闭合”状态,并通过PLC检测此信号,从而实现对电机的运转进行监控。 2·3 教学功能的附加 本机改造后除保证加工功能和精度外,还要满足一定的教学功能。所谓的教学功能主要是针对学习数 控系统调试及维修人员而设立的附加功能。该功能通过参数设置及调整PLC程序人为地设置故障,让学生通过故障现象先判断故障种类,再分析故障产生的原因,直至排除故障。通过这种实训,学生可全面学习工业现场可能出现的故障现象,掌握故障排除方法,提高学生解决现场问题的综合能力。 3 结束语 我国现有机床中,近几年急需技术改造的约占25%,这将蕴藏着无限商机。机床改造主要是采用数控和计算机控制技术,我国数控机床发展和机床数控化改造应紧跟世界潮流,发展多轴联动数控系统,开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术,向智能化方向发展

毕业论文 一，我国数控系统的发展史 1.我国从1958年起，由一批科研院所，高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低，部门经济等的制约，未能取得较大的发展。 2.在改革开放后，我国数控技术才逐步取得实质性的发展。经过“六五"(81----85年)的引进国外技术，“七五”(86------90年)的消化吸收和“八五”(91~一-95年)国家组织的科技攻关，才使得我国的数控技术有了质的飞跃，当时通过国家攻关验收和鉴定的产品包括北京珠峰公司的中华I型，华中数控公司的华中I型和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天I型，以及其他通过“国家机床质量监督测试中心”测试合格的国产数控系统如南京四开公司的产品。 3.我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50%，库存超过4个月。从1 9 9 5年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。 三，数控车的工艺与工装削 阅读：133 数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。 1. 合理选择切削用量 对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。 切削条件的三要素：切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。 进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。 用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。 最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。 然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。 2. 合理选择刀具 1) 粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。 2) 精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。 3) 为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。 3. 合理选择夹具 1) 尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具； 2) 零件定位基准重合，以减少定位误差。 4. 确定加工路线 加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。 1) 应能保证加工精度和表面粗糙要求； 2) 应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。 5. 加工路线与加工余量的联系 目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。 6. 夹具安装要点 目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，如图1。液压卡盘夹紧要点如下：首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。 四，进行有效合理的车削加工 阅读：102 有效节省加工时间 Index公司的G200车削中心集成化加工单元具有模块化、大功率双主轴、四轴联动的功能，从而使加工时间进一步缩短。与其他借助于工作轴进行装夹的概念相反，该产品运用集成智能加工单元可以使工件自动装夹到位并进行加工。换言之，自动装夹时，不会影响另一主轴的加工，这一特点可以缩短大约10％的加工时间。 此外，四轴加工非常迅速，可以同时有两把刀具进行加工。当机床是成对投入使用的时候，效率的提高更为明显。也就是说，常规车削和硬车可以并行设置两台机床。 常规车削和硬车之间的不同点仅仅在于刀架和集中恒温冷却液系统。但与常规加工不同的是：常规加工可用两个刀架和一个尾架进行加工；而硬车时只能使用一个刀架。在两种类型的机床上都可进行干式硬加工，只是工艺方案的制造者需要精心设计平衡的节拍时间，而Index机床提供的模块结构使其具有更强的灵活性。 以高精度提高生产率 随着生产效率的不断提高，用户对于精度也提出了很高的要求。采用G200车削中心进行加工时，冷启动后最多需要加工4个工件，就可以达到±6mm的公差。加工过程中，精度通常保持在2mm。所以Index公司提供给客户的是高精度、高效率的完整方案，而提供这种高精度的方案，需要精心选择主轴、轴承等功能部件。 G200车削中心在德国宝马Landshut公司汽车制造厂的应用中取得了良好的效果。该厂不仅生产发动机，而且还生产由轻金属铸造而成的零部件、车内塑料装饰件和转向轴。质量监督人员认为，其加工精度非常精确：连续公差带为±15mm，轴承座公差为±。 此外，加工的万向节使用了Index公司全自动智能加工单元。首批的两台车削中心用来进行工件打号之前的预加工，加工后进行在线测量，然后通过传送带送出进行滚齿、清洗和淬火处理。最后一道工序中，采用了第二个Index加工系统。由两台G200车削中心对转向节的轴承座进行硬车。在机床内完成在线测量，然后送至卸料单元。集成的加工单元完全融合到车间的布局之中，符合人类工程学要求，占地面积大大减少，并且只需两名员工看管制造单元即可。 五，数控车削加工中妙用G00及保证尺寸精度的技巧 数控车削加工技术已广泛应用于机械制造行业，如何高效、合理、按质按量完成工件的加工，每个从事该行业的工程技术人员或多或少都有自己的经验。笔者从事数控教学、培训及加工工作多年，积累了一定的经验与技巧，现以广州数控设备厂生产的GSK980T系列机床为例，介绍几例数控车削加工技巧。 一、程序首句妙用G00的技巧 目前我们所接触到的教科书及数控车削方面的技术书籍，程序首句均为建立工件坐标系，即以G50 Xα Zβ作为程序首句。根据该指令，可设定一个坐标系，使刀具的某一点在此坐标系中的坐标值为(Xα Zβ)(本文工件坐标系原点均设定在工件右端面)。采用这种方法编写程序，对刀后，必须将刀移动到G50设定的既定位置方能进行加工，找准该位置的过程如下。 1. 对刀后，装夹好工件毛坯； 2. 主轴正转，手轮基准刀平工件右端面A； 3. Z轴不动，沿X轴释放刀具至C点，输入G50 Z0，电脑记忆该点； 4. 程序录入方式，输入G01 W-8 F50，将工件车削出一台阶； 5. X轴不动，沿Z轴释放刀具至C点，停车测量车削出的工件台阶直径γ，输入G50 Xγ，电脑记忆该点； 6. 程序录入方式下，输入G00 Xα Zβ，刀具运行至编程指定的程序原点，再输入G50 Xα Zβ，电脑记忆该程序原点。 上述步骤中，步骤6即刀具定位在XαZβ处至关重要，否则，工件坐标系就会被修改，无法正常加工工件。有过加工经验的人都知道，上述将刀具定位到XαZβ处的过程繁琐，一旦出现意外，X或Z轴无伺服，跟踪出错，断电等情况发生，系统只能重启，重启后系统失去对G50设定的工件坐标值的记忆，“复位、回零运行”不再起作用，需重新将刀具运行至XαZβ位置并重设G50。如果是批量生产，加工完一件后，回G50起点继续加工下一件，在操作过程中稍有失误，就可能修改工件坐标系。鉴于上述程序首句使用G50建立工件坐标系的种种弊端，笔者想办法将工件坐标系固定在机床上，将程序首句G50 XαZβ改为G00 Xα Zβ后，问题迎刃而解。其操作过程只需采用上述找G50过程的前五步，即完成步骤1、2、3、4、5后，将刀具运行至安全位置，调出程序，按自动运行即可。即使发生断电等意外情况，重启系统后，在编辑方式下将光标移至能安全加工又不影响工件加工进程的程序段，按自动运行方式继续加工即可。上述程序首句用 G00代替G50的实质是将工件坐标系固定在机床上，不再囿于G50 Xα Zβ程序原点的限制，不改变工件坐标系，操作简单，可靠性强，收到了意想不到的效果。中国金属加工在线 二、控制尺寸精度的技巧 1. 修改刀补值保证尺寸精度 由于第一次对刀误差或者其他原因造成工件误差超出工件公差，不能满足加工要求时，可通过修改刀补使工件达到要求尺寸，保证径向尺寸方法如下： a. 绝对坐标输入法 根据“大减小，小加大”的原则，在刀补001～004处修改。如用2号切断刀切槽时工件尺寸大了，而002处刀补显示是，则可输入，减少2号刀补。 b. 相对坐标法 如上例，002刀补处输入，亦可收到同样的效果。 同理，对于轴向尺寸的控制亦如此类推。如用1号外圆刀加工某处轴段，尺寸长了，可在001刀补处输入。 2. 半精加工消除丝杆间隙影响保证尺寸精度 对于大部分数控车床来说，使用较长时间后，由于丝杆间隙的影响，加工出的工件尺寸经常出现不稳定的现象。这时，我们可在粗加工之后，进行一次半精加工消除丝杆间隙的影响。如用1号刀G71粗加工外圆之后，可在001刀补处输入，调用G70精车一次，停车测量后，再在001刀补处输入，再次调用G70精车一次。经过此番半精车，消除了丝杆间隙的影响，保证了尺寸精度的稳定。 3. 程序编制保证尺寸精度 a. 绝对编程保证尺寸精度 编程有绝对编程和相对编程。相对编程是指在加工轮廓曲线上，各线段的终点位置以该线段起点为坐标原点而确定的坐标系。也就是说，相对编程的坐标原点经常在变换，连续位移时必然产生累积误差，绝对编程是在加工的全过程中，均有相对统一的基准点，即坐标原点，故累积误差较相对编程小。数控车削工件时，工件径向尺寸的精度一般比轴向尺寸精度高，故在编写程序时，径向尺寸最好采用绝对编程，考虑到加工及编写程序的方便，轴向尺寸常采用相对编程，但对于重要的轴向尺寸，最好采用绝对编程。 b. 数值换算保证尺寸精度 很多情况下，图样上的尺寸基准与编程所需的尺寸基准不一致，故应先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸。如图2b中，除尺寸外，其余均属直接按图2a标注尺寸经换算后而得到的编程尺寸。其中， φ、φ16mm及三个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸。 4. 修改程序和刀补控制尺寸 数控加工中，我们经常碰到这样一种现象：程序自动运行后，停车测量，发现工件尺寸达不到要求，尺寸变化无规律。如用1号外圆刀加工图3所示工件，经粗加工和半精加工后停车测量，各轴段径向尺寸如下：φ、φ及φ。对此，笔者采用修改程序和刀补的方法进行补救，方法如下： a. 修改程序 原程序中的X30不变，X23改为，X16改为，这样一来，各轴段均有超出名义尺寸的统一公差； b. 改刀补 在1号刀刀补001处输入。 经过上述程序和刀补双管齐下的修改后，再调用精车程序，工件尺寸一般都能得到有效的保证。 数控车削加工是基于数控程序的自动化加工方式，实际加工中，操作者只有具备较强的程序指令运用能力和丰富的实践技能，方能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的工件。 六，数控机床故障排除方法及其注意事项 由于经常参加维修任务，有些维修经验，现结合有关理论方面的阐述，在以下列出，希望抛砖引玉。 一、故障排除方法 （1）初始化复位法：一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存贮区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。 （2）参数更改，程序更正法：系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。 （3）调节，最佳化调整法：调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。如某厂维修中，其系统显示器画面混乱，经调节后正常。如在某厂，其主轴在启动和制动时发生皮带打滑，原因是其主轴负载转矩大，而驱动装置的斜升时间设定过小，经调节后正常。 最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。 （4）备件替换法：用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。 （5）改善电源质量法：目前一般采用稳压电源，来改善电源波动。对于高频干扰可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。 （6）维修信息跟踪法：一些大的制造公司根据实际工作中由于设计缺陷造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员。以此做为故障排除的依据，可正确彻底地排除故障。 二、维修中应注意的事项 （1）从整机上取出某块线路板时，应注意记录其相对应的位置，连接的电缆号，对于固定安装的线路板，还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。拆卸下的压件及螺钉应放在专门的盒内，以免丢失，装配后，盒内的东西应全部用上，否则装配不完整。 （2）电烙铁应放在顺手的前方，远离维修线路板。烙铁头应作适当的修整，以适应集成电路的焊接，并避免焊接时碰伤别的元器件。 （3）测量线路间的阻值时，应断电源，测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。 （4）线路板上大多刷有阻焊膜，因此测量时应找到相应的焊点作为测试点，不要铲除焊膜，有的板子全部刷有绝缘层，则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。 （5）不应随意切断印刷线路。有的维修人员具有一定的家电维修经验，习惯断线检查，但数控设备上的线路板大多是双面金属孔板或多层孔化板，印刷线路细而密，一旦切断不易焊接，且切线时易切断相邻的线，再则有的点，在切断某一根线时，并不能使其和线路脱离，需要同时切断几根线才行。 （6）不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下只是凭感觉那一个元件坏了，就立即拆换，这样误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。 （7）拆卸元件时应使用吸锡器及吸锡绳，切忌硬取。同一焊盘不应长时间加热及重复拆卸，以免损坏焊盘。 （8）更换新的器件，其引脚应作适当的处理，焊接中不应使用酸性焊油。 （9）记录线路上的开关，跳线位置，不应随意改变。进行两极以上的对照检查时，或互换元器件时注意标记各板上的元件，以免错乱，致使好板亦不能工作。 （10）查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电。应注意高压，有的线路板直接接入高压，或板内有高压发生器，需适当绝缘，操作时应特别注意。 最后，我觉得：维修不可墨守陈规，生搬理论的东西，一定要结合当时当地的实际情况，开阔思路，逐步分析，逐个排除，直至找到真正的故障原因。 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CNC系统将会使机械更好用，更便宜。 参考资料：参考资料：1.张耀宗.机械加工实用手册编写组.机械工业出版社，1997