车焊复合机床车床部分数控系统设计
车焊复合机床车床部分数控系统设计
1.1 研究的背景与意义
制造是人类经济活动的重要基石，也是人类历史发展和文明进步的动力。制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。现代科学技术，特别是微电子、计算机、信息等科学技术的迅速发展及其在各行各业中的广泛应用，给机械制造业带来了深刻的变化[1]。
随着科学技术的迅速发展,社会对产品多样化的要求愈来愈强烈,从而要求产品更新换代的周期越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加。同时,随着航空航天、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高,产品中形状复杂的零件越来越多,加工质量要求也不断提高。采用传统的普通加工设备已难以适应这种多样化、柔性化及复杂形状零件的高效率高质量加工的要求。为解决上述问题,一种高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备-数控机床就应运而生了。
然而，数控车床的产生并没有满足社会对产品多样化的要求，反而使得需求更加的多元化，由此衍生出复合机床，一台机床同时具备车、铣、镗、磨等中的两种或两种以上功能的数控机床。相较于以往功能单一的数控机床来说，复合机床通过集成工序减少工件装夹次数以减小工件尺寸误差，使得到的零件更能满足多样化的需求。本文主要研究的就是复合了车削与焊接功能的数控机床，即车焊复合机床。
车焊复合机床的诞生并不是偶然，在航天科技如此发达的今天，人们对太空探索的欲望从未如此强烈，古人云，工欲善其事，必先利其器。
车焊一体化复合加工技术是针对类似于飞机发动机上大型薄壁筒体零件的复合加工技术，它结合了焊接和数控加工技术，在自动化技术条件下将车加工和焊接两道工序组合在一起，在不卸卡的情况下完成在薄壁筒体两端焊接法兰的工艺过程，避免了传统加工方法中二次装卡带来的精度误差，缩短了加工周期，节约了作业面积[2]。
1.2 车焊复合机床的发展史与现状
车焊技术起源于国外，开发应用时间较长，技术相对成熟。而国内的车焊技术的应用领域还比较狭隘，目前适用领域较少，与发达国家还有不小的差距。所以我们要结合国情，开发出对我国发展有利的对应技术。车焊技术主要运用于飞机发动机上大型薄壁筒体零件的复合加工，所以，其研究进展直接关系到我国航天事业的发展。目前，我国已有车焊复合机床的设计专利，这无疑对我国的航天事业作出了巨大的贡献。
1.3 车焊复合机床的组成
数字控制(Numerical Control,简称 NC)技术是指采用数字化信息进行控制的技术。用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的机床,称作数控机床,它是数字控制技术与机床相结合的产物。
复合机床是典型的机电一体化产品,是集现代机械制造技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。它同其它机电一体化产品一样,也是由机械本体、动力源、电子控制单元、检测传感部分和执行机器(伺服系统)组成[3]。
1.3.1 机械本体
它是复合的主体，完成车削和焊接机械加工的执行者。主要由数控车床和焊接机器人两部分组成。
1.3.2 动力源
将电能分配给复合机床的各个机械机械部件，使之运转。
1.3.3 电子控制单元
其核心是计算机数控(Computer Numerical Control,简称 CNC)装置,它把接收到的各种数字信息经过译码、运算和逻辑处理，生成各种指令信息输出给伺服系统,使机床按规定的动作进行加工。这部分还包括相应的外围设备,如显示器、打印机等。
1.3.4 检测传感部分
主要对工作台的直线位移和回转工作台的角位移进行检测,检测结果送入计算机,或用于位置显示,或用于反馈控制。
1.3.5 执行器(主轴变频器和伺服系统)
用来驱动机床上的移动部件作相应的运动,并对其定位精度和速度进行控制。如许多数控机床的走刀运动就是利用伺服电机驱动滚珠丝杠来完成的。
1.4 车焊复合机床的基本工作原理
将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语言编制出加工程序，然后输入到CNC装置，CNC装置对加工程序进一步处理后向车床及焊接机器人发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动部件运动,使车床与焊接机器人合作，从而自动完成零件的车削与焊接。
1.5 本文的研究目标、研究内容
1.5.1 研究目标
查阅大量有关数控车床与复合机床控制系统的文献，认为复合机床是以后机械加工的主流趋势，现代高效化机械设备控制系统的研究将成为重点。设计了车焊复合机床的车床部分控制系统。
1.5.2 研究内容
（1）车床控制系统的总体方案；
（2）系统主电路设计；
（3）完成数控系统的I/O信号处理；
（4）伺服驱动器与伺服电机的驱动电路设计
2 总体设计方案
根据任务书要求，车床数控系统采用KND的数控系统，采用安川交流伺服进给系统。根据车焊复合机床的结构及加工要求，对车床主轴的调速结构要求就会比较高。
2.1 车床主轴调速原理
数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。
2.1.1 交流电动机主轴调速
大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。
交流主轴电动机的驱动目前广泛采用矢量控制变频调速的方法，并为适应负载特性的要求，对交流电动机供电的变频器，应同时有调频兼调压功能。有关交流感应电机矢量控制原理，这里不予介绍。
2.1.2 机械齿轮变速
采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。困此数控机床常采用1-4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。
数控机床在加工时，主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制，即用模拟量或数字量信号（程序中的S代码）来控制主轴电动机的驱动调速电路，同时采用开关量信号（程序上用M41-M44代码）来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电-机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。
2.2 车焊复合机床车床部分主轴设计方案
车床的主轴应能满足加工大型薄壁筒形零件所需的大转矩和高转速，以及进行焊接加工时，能将主轴转速降至0.2r/min。因此，为了延长车床使用寿命及加工工艺要求，采用交流电动机主轴调速方案。在数控系统与主轴电机间加装变频器，同时有调频兼调压功能[2]。
3 车床数控系统设计
3.1 车床数控系统的主要功能
3.1.1 系统界面显示功能
系统界面显示功能主要显示主菜单,子菜单,主信息显示区,状态信息显示区以及程序当前执行条数,能够让用户清楚地了解车床具体运作的情况,如车床刀具的位置,程序运行情况,系统运行参数以及报警信息等。
3.1.2 G代码解析功能
数控机床通常使用G代码来描述车床的加工信息,如走刀轨迹,坐标系的选择,冷却液的开启等,将G代码解释为数控系统能够识别的数据库是G代码解释器的主要功能。
3.1.3 数控操作功能
数控系统里的数控操作功能主要包括刀具补偿功能和参数设置功能。参数设置功能包括:通用参数设置如对某种工作坐标系下的各轴原点设置等。系统参数设置功能,如对系统参数,密码设置等进行设定和修改。
3.1.4 控制系统辅助功能
在主控制器里面嵌入一个虚拟的PLC作为嵌入式系统操作系统的一个任务,用以控制各种开关量。如:冷却液,吹气开关,照明,手动点动模式,电子手轮移动模式等功能,更加方便地对数控机床进行控制。
3.1.5 系统通讯功能
数控系统的通讯功能主要体现在于USB存储器,以太网,运动控制器,I/O 扩展板以及键盘输入模块进行数据交互。
3.1.6 系统诊断功能
包括键盘板模块诊断,I/O 模块诊断,编码器板诊断。系统报警功能包括润滑油,冷却液不足,气压不足等,通过屏幕显示和报警灯来提醒使用者。
3.2 数控系统主控制器
作为一个可应用于数控机床中的专有功能模块,应具备嵌入式设备的兼容性与可移植性;同时还应具有计算机系统的独立完整性。为此,在进行总体设计时,与运动控制器的通讯可靠性,人机交互的便捷性,以及系统软硬平台的执行效率应成为重点考虑的内容[1]。
3.3 车焊复合机床车床数控系统设计
根据任务书要求，车床数控系统采用一套KND-100T的机床数控系统。
KND-100T数控系统简介：
KND-100T是北京凯恩帝数控技术公司针对中国国情开发生产的控制全数组伺服或步进电机的经济性车床或两轴机械控制用数控系统，控制电路采用了高速微处理器，超大规模定制式集成电路芯片，多层印刷电路板，显示器采用了高分辨率的液晶屏，从而使整套系统更为紧凑，体积进一步缩小，同时也使系统的可靠性进一步地提高。在控制面板上，将CNC操作面板与机床操作面板集成为一体，极大的简化了联机。在控制软件上，将全功能数控系统的技能引入到机控制系统中，并针对步进机的特点怎家了许多适合于步进电机的技能，使其发挥最佳的性能，从而使系统具有较高的性价格比[12]。
1.1 研究的背景与意义
制造是人类经济活动的重要基石，也是人类历史发展和文明进步的动力。制造业水平的高低是衡量一个国家工业发达程度的重要标志。以传统机电工业为代表的制造业，正经历着深刻的变革。现代科学技术，特别是微电子、计算机、信息等科学技术的迅速发展及其在各行各业中的广泛应用，给机械制造业带来了深刻的变化[1]。
随着科学技术的迅速发展,社会对产品多样化的要求愈来愈强烈,从而要求产品更新换代的周期越来越短，使多品种、小批量生产的比重明显增加。同时,随着航空航天、造船、军工、汽车、农业机械等行业对产品性能要求的不断提高,产品中形状复杂的零件越来越多,加工质量要求也不断提高。采用传统的普通加工设备已难以适应这种多样化、柔性化及复杂形状零件的高效率高质量加工的要求。为解决上述问题,一种高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备-数控机床就应运而生了。
然而，数控车床的产生并没有满足社会对产品多样化的要求，反而使得需求更加的多元化，由此衍生出复合机床，一台机床同时具备车、铣、镗、磨等中的两种或两种以上功能的数控机床。相较于以往功能单一的数控机床来说，复合机床通过集成工序减少工件装夹次数以减小工件尺寸误差，使得到的零件更能满足多样化的需求。本文主要研究的就是复合了车削与焊接功能的数控机床，即车焊复合机床。
车焊复合机床的诞生并不是偶然，在航天科技如此发达的今天，人们对太空探索的欲望从未如此强烈，古人云，工欲善其事，必先利其器。
车焊一体化复合加工技术是针对类似于飞机发动机上大型薄壁筒体零件的复合加工技术，它结合了焊接和数控加工技术，在自动化技术条件下将车加工和焊接两道工序组合在一起，在不卸卡的情况下完成在薄壁筒体两端焊接法兰的工艺过程，避免了传统加工方法中二次装卡带来的精度误差，缩短了加工周期，节约了作业面积[2]。
1.2 车焊复合机床的发展史与现状
车焊技术起源于国外，开发应用时间较长，技术相对成熟。而国内的车焊技术的应用领域还比较狭隘，目前适用领域较少，与发达国家还有不小的差距。所以我们要结合国情，开发出对我国发展有利的对应技术。车焊技术主要运用于飞机发动机上大型薄壁筒体零件的复合加工，所以，其研究进展直接关系到我国航天事业的发展。目前，我国已有车焊复合机床的设计专利，这无疑对我国的航天事业作出了巨大的贡献。
1.3 车焊复合机床的组成
数字控制(Numerical Control,简称 NC)技术是指采用数字化信息进行控制的技术。用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的机床,称作数控机床,它是数字控制技术与机床相结合的产物。
复合机床是典型的机电一体化产品,是集现代机械制造技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。它同其它机电一体化产品一样,也是由机械本体、动力源、电子控制单元、检测传感部分和执行机器(伺服系统)组成[3]。
1.3.1 机械本体
它是复合的主体，完成车削和焊接机械加工的执行者。主要由数控车床和焊接机器人两部分组成。
1.3.2 动力源
将电能分配给复合机床的各个机械机械部件，使之运转。
1.3.3 电子控制单元
其核心是计算机数控(Computer Numerical Control,简称 CNC)装置,它把接收到的各种数字信息经过译码、运算和逻辑处理，生成各种指令信息输出给伺服系统,使机床按规定的动作进行加工。这部分还包括相应的外围设备,如显示器、打印机等。
1.3.4 检测传感部分
主要对工作台的直线位移和回转工作台的角位移进行检测,检测结果送入计算机,或用于位置显示,或用于反馈控制。
1.3.5 执行器(主轴变频器和伺服系统)
用来驱动机床上的移动部件作相应的运动,并对其定位精度和速度进行控制。如许多数控机床的走刀运动就是利用伺服电机驱动滚珠丝杠来完成的。
1.4 车焊复合机床的基本工作原理
将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语言编制出加工程序，然后输入到CNC装置，CNC装置对加工程序进一步处理后向车床及焊接机器人发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动部件运动,使车床与焊接机器人合作，从而自动完成零件的车削与焊接。
1.5 本文的研究目标、研究内容
1.5.1 研究目标
查阅大量有关数控车床与复合机床控制系统的文献，认为复合机床是以后机械加工的主流趋势，现代高效化机械设备控制系统的研究将成为重点。设计了车焊复合机床的车床部分控制系统。
1.5.2 研究内容
（1）车床控制系统的总体方案；
（2）系统主电路设计；
（3）完成数控系统的I/O信号处理；
（4）伺服驱动器与伺服电机的驱动电路设计
2 总体设计方案
根据任务书要求，车床数控系统采用KND的数控系统，采用安川交流伺服进给系统。根据车焊复合机床的结构及加工要求，对车床主轴的调速结构要求就会比较高。
2.1 车床主轴调速原理
数控机床的主轴调速是按照控制指令自动执行的，为同时满足对主传动的调速和输出扭矩的要求，数控机床常用机电结合的方法，即同时采用电动机和机械齿轮变速两种方法。其中齿轮减速以增大输出扭矩，并利用齿轮换挡来扩大调速范围。
2.1.1 交流电动机主轴调速
大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求。
交流主轴电动机的驱动目前广泛采用矢量控制变频调速的方法，并为适应负载特性的要求，对交流电动机供电的变频器，应同时有调频兼调压功能。有关交流感应电机矢量控制原理，这里不予介绍。
2.1.2 机械齿轮变速
采用电动机无级调速，使主轴齿轮箱的结构大大简化，但其低速段输出力矩常常无法满足机床强力切削的要求。如单纯片面追求无级调速，势必要增大主轴电动机的功率，从而使主轴电动机与驱动装置的体积、重量及成本大大增加。困此数控机床常采用1-4挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即所谓分段无级变速。采用机械齿轮减速，增大了输出扭矩，并利用齿轮换挡扩大了调速范围。
数控机床在加工时，主轴是按零件加工程序中主轴速度指令所指定的转速来自动运行。数控系统通过两类主轴速度指令信号来进行控制，即用模拟量或数字量信号（程序中的S代码）来控制主轴电动机的驱动调速电路，同时采用开关量信号（程序上用M41-M44代码）来控制机械齿轮变速自动换挡的执行机构。自动换挡执行机构是一种电-机转换装置，常用的有液压拨叉和电磁离合器。
2.2 车焊复合机床车床部分主轴设计方案
车床的主轴应能满足加工大型薄壁筒形零件所需的大转矩和高转速，以及进行焊接加工时，能将主轴转速降至0.2r/min。因此，为了延长车床使用寿命及加工工艺要求，采用交流电动机主轴调速方案。在数控系统与主轴电机间加装变频器，同时有调频兼调压功能[2]。
3 车床数控系统设计
3.1 车床数控系统的主要功能
3.1.1 系统界面显示功能
系统界面显示功能主要显示主菜单,子菜单,主信息显示区,状态信息显示区以及程序当前执行条数,能够让用户清楚地了解车床具体运作的情况,如车床刀具的位置,程序运行情况,系统运行参数以及报警信息等。
3.1.2 G代码解析功能
数控机床通常使用G代码来描述车床的加工信息,如走刀轨迹,坐标系的选择,冷却液的开启等,将G代码解释为数控系统能够识别的数据库是G代码解释器的主要功能。
3.1.3 数控操作功能
数控系统里的数控操作功能主要包括刀具补偿功能和参数设置功能。参数设置功能包括:通用参数设置如对某种工作坐标系下的各轴原点设置等。系统参数设置功能,如对系统参数,密码设置等进行设定和修改。
3.1.4 控制系统辅助功能
在主控制器里面嵌入一个虚拟的PLC作为嵌入式系统操作系统的一个任务,用以控制各种开关量。如:冷却液,吹气开关,照明,手动点动模式,电子手轮移动模式等功能,更加方便地对数控机床进行控制。
3.1.5 系统通讯功能
数控系统的通讯功能主要体现在于USB存储器,以太网,运动控制器,I/O 扩展板以及键盘输入模块进行数据交互。
3.1.6 系统诊断功能
包括键盘板模块诊断,I/O 模块诊断,编码器板诊断。系统报警功能包括润滑油,冷却液不足,气压不足等,通过屏幕显示和报警灯来提醒使用者。
3.2 数控系统主控制器
作为一个可应用于数控机床中的专有功能模块,应具备嵌入式设备的兼容性与可移植性;同时还应具有计算机系统的独立完整性。为此,在进行总体设计时,与运动控制器的通讯可靠性,人机交互的便捷性,以及系统软硬平台的执行效率应成为重点考虑的内容[1]。
3.3 车焊复合机床车床数控系统设计
根据任务书要求，车床数控系统采用一套KND-100T的机床数控系统。
KND-100T数控系统简介：
KND-100T是北京凯恩帝数控技术公司针对中国国情开发生产的控制全数组伺服或步进电机的经济性车床或两轴机械控制用数控系统，控制电路采用了高速微处理器，超大规模定制式集成电路芯片，多层印刷电路板，显示器采用了高分辨率的液晶屏，从而使整套系统更为紧凑，体积进一步缩小，同时也使系统的可靠性进一步地提高。在控制面板上，将CNC操作面板与机床操作面板集成为一体，极大的简化了联机。在控制软件上，将全功能数控系统的技能引入到机控制系统中，并针对步进机的特点怎家了许多适合于步进电机的技能，使其发挥最佳的性能，从而使系统具有较高的性价格比[12]。
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