《毕业设计（论文）双回转数控工作台的设计（全套CAD图纸）.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）双回转数控工作台的设计（全套CAD图纸）.doc（87页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双回转数控工作台。再通过对数控系统的升级（不属于此题范畴），使该机床成为五坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿X、Y、Z方向作平行移动，在A、B两轴能同时运动，且能随时停止，在A轴上能够在一定角度内连续旋转，在B轴上可以做360度的连续旋转。不仅可以加工简单的直线、斜线、圆弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。关键词：数控，回转工作台，五坐标联动，双回转，机床全套，扣，扣 153893706ABSTRA
2、CTAt current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes
3、a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machines bed become five sit the mark connect the dynamic number c
4、ontrols the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning the
5、360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts.Key words：The numeric controls, Turning round the work set, Five sit the mark; Con
6、nect to move, The double turns round, Machine bed目 录第1章 绪 论11.1 本课题的研究范围及应解决的主要问题11.2 本课题的研究目的和现实意义.11.3 国内外现有数控发展状况21.4当代数控发展的主要趋势31.4.1 基于PC的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力. 51.4.2 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势.61.4.3 多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择.61.4.4 网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展.61.4.5 高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题.81.4.6 智能化控
7、制是提高数控加工效率的有效手段.101.4.7 CAD/CAM与CNC的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径.101.5 数控机床的升级（五轴联动）11第2章 电动机的选择与控制122.1 步进电动机的特点与种类122.1.1 步进电动机的特点122.1.2 步进电动机的种类122.2 步进电动机的选择142.3 步进电动机的控制142.3.1 步进电动机的速度控制142.3.2 步进电动机的点位控制202.3.3 步进电动机的加减速控制22第3章 工作台方案的选定243.1 分度工作台243.2 数控回转工作台253.2.1 开环数控转台263.2.2 闭环数控回转工作台273.3 双螺距蜗
8、杆传动27第4章 双回转数控工作台结构设计30第5章 蜗轮蜗杆设计计算345.1 蜗杆传动输入参数345.2 接触疲劳强度计算345.3 确定蜗轮蜗杆主要尺寸365.4 蜗杆的传动效率375.5 蜗杆蜗轮的精度等级的选择375.6 蜗杆传动的热平衡计算38第6章 齿轮设计计算396.1 齿轮设计输入参数396.2 齿轮传动结构形式和布置形式396.3 材料及热处理396.4 齿轮基本参数406.5齿面接触疲劳强度的校核436.6 齿根弯曲强度的校核44第7章 控制系统的设计467.1 单片机467.2 扩展数据存储器477.3 键盘及显示电路的设计487.4 越界报警电路设计487.5 环形分
9、配器的选用497.6 驱动电路的设计497.7 电源电路设计507.8 程序设计52第8章 误差补偿分析598.1 成型运动误差补偿概述608.2 基本运动形式的软件补偿62821 直线运动的数控指令修正63822 圆弧运动的数控指令修正63第9章 进给系统精度分析659.1 直线轨迹689.2 圆弧轨迹69第10章 结 论71参考文献72英文原文：73中文译文：78致 谢82第1章 绪 论1.1 本课题的研究范围及应解决的主要问题随着科学技术的迅速发展，机械产品的形状和结构不断地改进，这就要求机床设备具有较好的通用性和较大的灵活性，以适用生产对象频繁变化的需要。特别是对于航天航空等部门中的加
10、工批量不大、生产周期要求短、改型频繁、形状复杂、精度要求又很高的这类零件的加工，三坐标联动数控机床在这方面起了举足轻重的作用。但是随着高精尖技术要求的不断提高，三坐标联动机床已经不能满足要求。而五坐标联动机床就能满足这些要求。采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。在现有的三坐标联动的数控机床的工作台上，增加一个旋转工作台（一台带有两个旋转自由度的数控回转工作台），在通过对数
11、控系统的升级改造（不属于此设计范围）使该机床成为五坐标联动的数控机床.1.2 本课题的研究目的和现实意义.装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术
12、和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 而5轴联动加工又是数控技术发展的重中之重，采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展.当前由于电主轴的
13、出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVOUTION系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。1.3 国内外现有数控发展状况我国数控系统分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。这是根据我国当前市
14、场需求的实际情况，按技术应用不同领域和复杂程度进行的阶段性标准来划分的。在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统是“一花独秀”(其中有10%左右的是合资企业产品)。在普及型数控系统的市场中，我们正在取得进展。进入90年代以来，我国数控系统的各方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京法那科、西门子数控(南京)有限公司等合资企业的基本力量。当然，拥有我国自主版权的数控系统在市场开拓上仍要尽更大的力量。技术状况80
15、年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统2个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术(12 000 r/min18 000 r/min)、快速进给(60 m/min)、快速换刀(1.5 s)、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床
16、的发展奠定的基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 m当量的超精密数控系统、数控仿形系
17、统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15 000 h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成果为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。1.4 当代数控发展的主要趋势数控车床又称数字控制（Numbercal control,简称NC）机床。它是20世纪50年代初发展起来的一种自动控制机床，而数控车床是其中
18、的一类实用性很强的机床形式。数控车床是基于数字控制的。数控机床，就是采用了数控技术的机床。是一个装有程序控制系统的机床，该统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。此种程序控制系统，即数控系统。 数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。 数控机床的组成：主机，CNC,驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备。1）主机 主机是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床及其它类型 。与普通机床不同的是，数控机床的主机结构上具
19、有以下特点：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化。为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形较小。更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。2）CNC装置 这是数控机床的核心。用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。现代数控机床的数控装置都具有下面一些功能。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高
20、驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、
21、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的
22、核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment
23、（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于PC的全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据
24、分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了CNC的工作效率。 本文结合近两年来作者所在国家数控系统工程技术研究中心和武汉华中数控股份有限公司参观汉诺威EMO2005和芝加哥IMTS2006的观感，以及我们长期以来对数控技术发展动态的关注，对上述数控技术的发展趋向作一探讨。数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展。1.4.1 基于PC的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力.从两次机床展上可以看到，著名厂商的高档数控系统都以基于PC的开放数控系统为主流.SINUMERIK 8
25、40Di sl是基于PC的数控系统，其软件系统MMC(人机通信)软件系统、NC(数字控制)软件系统、PLC(可编程逻辑控制)软件系统和通信及驱动接口软件中的MMC软件系统采用Windows NT或XP操作系统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技术改变人机界面(HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整.FANUC 16i/18i/21i/30i系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档CNC系统，其硬件结构采用CNC内建PC型式，NC卡完成高实时性要求的数控运算和PLC控制功能，PC完成操作界
26、面、编程、数据管理、网络等相对弱实时性要求功能。操作系统采用Windows 2000/XP或Windows CE。备有C语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。CNC系统与主计算机的连接接口采用高速串行总线(HSSB)。FANUC 300i/310i/320i系列采用Windows CE作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开发.HEIDENHAIN公司推出的最新一代TNC控制器iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力，可控制12轴，控制器本身包含主机单元和控制单元两个部分。主机单元采用Intel处理器以及AGP图形显示卡，并带有各类数据通信接口(Ethernet
27、/RS232/RS422/USB等)，是典型的基于PC的系统. FAGOR公司最高档数控系统CNC8070是CNC技术与PC技术的结晶，是与PC兼容的数控系统，采用Pentium CPU，可运行WINDOWS和 MS-DOS，可控制16轴+3电子手轮+2主轴，可运行VISUAL BASIC，VISUAL C+，程序段处理时间1ms，PLC可达1024输入点/1024输出点，执行时间1ms/1k指令，具有以太网、CAN、SERCOS通讯接口，可选用10V模拟量接口.能在基于PC的体系结构上设计出世界顶级数控系统，说明基于PC结构的开放数控系统具有很强的生命力。1.4.2 全数字化是未来数控系统发
28、展的必然趋势.全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数字化接口、驱动单元内部三环(位置环、速度环及电流环)数字化，是数控系统全数字化的重要标志。 1) 编码器到伺服的接口数字化也必将获得发展 编码器到伺服驱动的数字化接口虽然只在Heidenhain的系统中得以实现，但作为数字化数控系统的必要构成环节，未来将获得更多发展。2) 驱动单元三环全数字化是全数字化的重要内容 .三环(位置环/速度环/电流环)数字化是全数字化的重要内容。HEIDENHAIN iTNC 530控制单元最新的设计中集成了控制系统所有伺服控制回
29、路(位置环/速度环/电流环)，所有伺服计算都在DSP(数字信号处理器)中完成。测量组件的反馈均集成在控制单元上，包含位置反馈和速度反馈。1.4.3 多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择.针对制造业对整合数控机床(即融合工业机器人、影像处理系统和精密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断和联网等功能)的巿场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴(包括多主轴)多通道控制、轴同步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究点。同步控制可以令不同通道的运动轴按照某种时序关系或某种条件达到同步，混合控制可让一个轴
30、的混合命令在各通道之间进行交换，阀加控制能把一个轴的移动命令叠加到属于另一通道的另一个轴上去.如Fanuc 30i系统，具有10通道，八根主轴，可控进给轴数达32根，可联动控制进给轴数达24个，能同时运行十个独立的数控加工程序，具有轴同步、混合、叠加控制等功能。基于此系统，FANUC公司推出了四个搬运机器人、一套天车输送线、外加两部六腿切削加工机器人的整合加工系统。整个系统动作协调、有序，衔接顺畅，体现了典型的多通道数控系统的特徵.1.4.4 网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展.1) 以太网接口已成为数控系统与外部计算机联网通讯的主要选择，零件程序等数据文件的快速网络传
31、输已成为数控系统的基本功能.著名系统厂的数控系统均具备强大的网络功能，并将以太网接口作为数控系统的基本配置或选择配置，实现与外部计算机的联网通讯。SIEMENS 840D采用SINDNC软件模块可将SINUMERIK系统快速、简单和经济地添加到标准的以太网网络中，并与Windows PC和UNIX工作站之间建立稳定的连接，还可以使用标准CF卡进行程序与数据的传输。集成的以太网功能保证了数控系统文档与计算机之间的快速传输，其满量程的传输速率是标准串行口的100倍.FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC系统与企业主计算机之间的接口协议采用DNC1或DNC2。DNC1是FANUC自行开
32、发的实现CNC与主计算机之间传送数据信息的一种通讯协议及通讯指令库，一台计算机可连16台CNC机床。DNC2功能与DNC1基本相同，但通讯协议不同，用的是欧洲常用的LSV2协议，一台计算机可连8台CNC机床，通讯速率最快为19Kb/秒。此外，FANUC系统还提供了两种以太网口：PCMCIA卡和内埋的以太网板。PCMCIA局域网卡可临时插入显示装置侧的插槽，用于连接PC机，传送数据，调整机床参数或作一些维护，用完后即可拔下；高速以太网板(100 Mbps)是装在CNC系统内部的，因此可长期与主机连结，用于传输零件程序和检查机床工作状态.HEIDENHAIN iTNC530所配备的“高速以太网”通
33、讯接口能以100Mbit/s的速率传输程序数据。Rexroth公司的数控系统在各个层面上采用通用通讯机制：外部计算机级，基于工业PC的开放式体系结构，提供了简单有效的外围计算机通讯方法，如以太网TCP/IP，OPC以及COM/DCOM的Windows访问机制；HMI级基于Windows XP或Windows CE.NET等操作系统，使用如Microsoft network等标准网络，轻松实现数据交换；I/O级使用诸如PROFIBUS-DP或DeviceNet等世界通用标准，连接传感器等I/O设备；驱动级使用诸如SERCOS等国际标准接口，以获得高的动态特性和精度。 2) 加工过程的网络监控允许
34、对整个工厂进行网络管理，远程网络服务使系统厂和用户双双受益,数控系统有了网络功能后，可方便实现其网络监控、维护与管理。SIEMENS基于internet的“ePS”(电子产品服务)软件方案，可以通过互联网访问Sinumerik 810D/840D/840Di控制系统，通过其CM(Condition Monitoring状态监控)系统在线连续监控数控系统的轴状态、PLC状态等，并评估机床状况、分析相关的机床参数，实现远程诊断、维修服务，防止早期故障引起的意外停机，减少检修停工期，增强可靠性，提升机床有效性，提高生产率，降低维护费用。FANUC系统通过高速以太网板，实现对机床侧运行状态实时的集中监
35、控；通过工厂网络，CNC可同时连接到机床和办公室，这种连接允许对整个工厂进行管理，以提高生产率；通过互联网，在工厂外或家里，亦可远程监控机床工作状态；使用机床远程诊断软件包，机床制造商能方便地构建远程机床维护系统，不用去现场即可检查故障(问题)产生的原因(状况),减少停机时间，机床制造商还可提高服务效率。FANUC通过运行于PC上CIMPLICITY i CELL软件包，可实现多台联网CNC的管理.1.4.5 高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题. 1) 高速、高精度已成为高档数控机床的主要特征.速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种
36、、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对高速高精度控制的追求。在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到23g，快速移动速度提高到150200m/min。在这些高速高精度数控机床中，有一部分是利用直接驱动技术，但随着滚珠丝杠技术的发展，大导程高精度的滚珠丝杠也已大量应用到高速高精度数控机床中，实现了加速度11.5g，快速移动速度120150m/min。为了能够优化金属切削的加工过程，现代化的加工将越来越多地采用高性能切削(High Performance Cutting)。HPC技术不仅要求提高切削速度(即提高主轴转速)，而且要求提高刀具的
37、进给速度。目前生产效率低的问题，不单在于刀具的切削速度低，也不单在于刀具的进给速度低，而在于针对给定的材料和其它条件，如何将刀具切削速度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削(HPC)。除了从软的方面得到高性能切削外，人们还从硬的方面追求高速切削(HSC)，如提高刀具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下的切削功率和旋转扭矩，这些指标对生产过程的经济性也有着举足轻重的影响，它可以使金属切削加工更快、更好、更经济。在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级(0.01mm)提升到微米级(0.001mm)。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05m左右，
38、形状精度可达0.01m左右。数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速高精动态特性控制技术等提出了更高的要求。2) 数控系统高速、高精度控制的主要措施.各著名数控系统厂商对高速高精性能的追求始终是坚持不懈的，根据自身特点，各自采取了提高高速高精性能的各种措施. FANUC公司 FANUC公司一直走在数控技术的前沿，并不断提出新的概念来引导数控技术的发展，除纳米插补，纳米CNC系统等概念外，在高速高精方面又推出了以下较新的技术:HRV(高响应矢量)4控制技术.HRV4继承并发展了HRV3的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制，并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层
39、次的位置指令；超高速伺服控制处理器；ai高分辨率的脉冲编码器(16 million/rev)；防止机械振颤的HRV滤波器.MTC(Machine Tip Control):为了控制机床在加工点处的振颤，FANUC研究了机床顶部控制(MTC)和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率。采用MTC后可明显减小机床振颤。 反向间隙加速功能:由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度.MPC(Machining Point Control加工点控制):采用MPC功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度. SIE
40、MENS公司:西门子公司对高速高精度位置控制的本质有着精辟的理解：通过避免机床振颤来优化工件表面的加工质量；通过增加对加加速度控制能力，提高机床动态响应能力；通过增加加速度提高加工速度等。 HEIDENHAIN公司: 号称在欧洲数控系统销售第一的HEIDENHAIN公司，由于多年来从事精密模具加工，对加工速度及精度的提升有着深刻、独到的见解。HEIDENHAIN公司研究了不同分辨率的码盘对扭矩脉动的影响，并提出了使用高分辨率的编码器有利于减小转矩脉动的影响。另外，HEIDENHAIN还对机床运行时间和丝杠温升变形规律进行研究。综上所述，各数控系统厂商对高速高精度控制的理解基本上是相同的，而且对
41、动态精度的提高非常重视，所采取的主要措施体现在以下方面.1) 高速下的平滑控制.通过对运动速度、加速度、加加速度的优化，减少机床振颤，使加工更加平稳,获得更高的加工表面质量。如HEIDENHAIN采用高分辨率的反馈器件减小转矩脉动，FANUC 利用MPC技术减少机床振颤.2) 提高系统的快速响应能力.提高系统的快速响应能力不仅是高速加工的前提，也是保证精度的有利措施。如FANUC采用HRV4，反向间隙加速等方式减少因响应滞后带来的误差.3) 提高数据分辨率.以纳米级的分辨率参与到各个环节，如：FANUC系统的纳米插补技术。 1.4.6 智能化控制是提高数控加工效率的有效手段.由于数控加工过程是
42、一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率.在芝加哥IMTS2006上，加拿大英属哥伦比亚大学Yusuf Altintas教授展示的切削参数优化系统，采用现代测试技术检测机床的各项运行参数和动态参数，并结合CAD/CAM技术，经过优化计算，合理地将刀具参数、机床参数以及被加工材料性能参数结合起来
43、，得到刀具轨迹和运行参数，极大地提高了切削加工的效率和刀具的使用寿命。据介绍北美几大飞机制造企业和汽车企业应用了他的智能切削系统后，平均切削效率提高了8倍，平均刀具寿命提高了20倍.1.4.7 CAD/CAM与CNC的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径. 国际主流数控系统厂商在研制最新数控系统的同时，都非常注重对CAD/CAM/CNC集成技术的开发，并明确的将图形化、集成式的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机交互方式友好性的重要途径。SIEMENS的Shop Turn、Shop Mill车间级集成式编程系统，FANUC公司的集成式编程系统，HEIDENHAIN公司的对话框式集成编
44、程系统等，都已成为各公司历次展会宣传的重点.总之,高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。1.5 数控机床的升级（五轴联动）我国现有数控机床主要以经济型数控系统和数控机床为主，只适应于形状简单的直线，斜线等类零件加工，对于那种复杂的型面却只能用手动加工，这对于产品多样化和产品更
45、新可以及效率高的年代已经不再适应。为适应生产的发展，必须对现有的机床进行升级。在我国，从经济和技术角度出发，对数控机床的升级主要是对机床的性能和功能方面的增加。在现有的3轴联动机床的工作台上增加一个旋转数控工作台（一台带有两个旋转自由度的数控回转工作台），再通过对数控系统的升级改造使该机床成为五轴联动的数控机床。设原镗床旋转刀具的轴线为Z轴，水平方向平行于工作台装夹面的方向为X轴，并且与Z轴垂直，确定了X,Z轴正方向后，可以根据右手螺旋定则确定Y轴的方向。两个旋转轴A与X轴平行，B与新工作台垂直，他们的原点都在 Y轴上（如下图）其中B轴是随A轴的旋转而随时变化。该数控机床的工作台不仅可以沿X、
46、Y、Z方向做平行移动，还可以沿A、B方向旋转进给或者分度运动，升级后的数控机床，它的新工作台可以和原来的工作台作为一个整体，既可以做3坐标的直线运动，还可以做绕3坐标中的两个做旋转进给运动或分度，因此该机床的适应范围很广，不仅适合于简单的直线，斜线，圆弧加工外还能适应那些更复杂的曲面以及球面零件的加工。如沈阳机床股份有限公司开发的五轴车铣中心。刀库容量16，数控系统：Siemens840D，可控X、Y、Z、B、C五个轴，具有车削中心加铣削中心的特点。上海重型机床厂开发的双主轴倒顺式立式车削中心，第一主轴正置，第二主轴倒置。主轴具有C轴功能，采用12工位动力刀架，具有自动上下料装置和全封闭等多道
47、防护装置，可一次上料完成零件的正反面加工，包括车削、镗孔、钻孔、攻丝等多道工序。适用于大批量轮毂、盘类零件加工。第2章 电动机的选择与控制本设计中选择式步进电机来驱动工作台。因为本电机驱动工作台是在控制系统控制下作进给运动的，采用开环控制。1 转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制；2 有定位转矩；3 可构成廉价的开环控制系统。2.1 步进电动机的特点与种类2.1.1 步进电动机的特点步进电动机又称为脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，既每当电动机的绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数与频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角，转速及转向，很容易用微机实现数字控制。步进电动机具有以下主要特点：） 步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动，电流的大小与波形的变化，温度等）的影响，只要在他们的大小未引起步进电动机产生“丢失”现象之前，就不会影响其正常工作；） 步进电动机的步距角有误差，转子转过一定的步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转之后，其累计误差就会变为“零”，因此不会长期积累；
