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數(shù)控畢業(yè)論文

五軸數(shù)控加工測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究的論文

時(shí)間:2022-10-09 20:59:23 數(shù)控畢業(yè)論文 我要投稿
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五軸數(shù)控加工測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究的論文

  摘要:在五軸數(shù)控切削工件表面的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫升、力、振動(dòng)等。這些因素會(huì)使加工精度降低,零件表面質(zhì)量變差,降低產(chǎn)品的合格率。為了解決這些問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一種五軸數(shù)控加工測(cè)試平臺(tái),并對(duì)溫度、力、振動(dòng)對(duì)加工過(guò)程中的影響進(jìn)行了分析。為進(jìn)一步的提高五軸數(shù)控加工精度提供了測(cè)試平臺(tái)。

五軸數(shù)控加工測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)研究的論文

  關(guān)鍵詞:CPAC;五軸數(shù)控加工;測(cè)試平臺(tái)

  引言

  隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求也變得越來(lái)越迫切,現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)械加工產(chǎn)品的附加值不高,其主要原因就在于對(duì)復(fù)雜曲面、高精度和優(yōu)良的表面質(zhì)量等對(duì)機(jī)械制造裝備要求較高的零件加工能力嚴(yán)重不足。目前來(lái)說(shuō),五軸數(shù)控加工中心在附加值較高的零件加工中具有不可取代的重要作用,代表著一個(gè)國(guó)家的機(jī)械加工水平。由于五軸加工具有一次裝夾,可以加工多個(gè)曲面,定位誤差較小的特點(diǎn)。不僅縮短了零件在多次裝夾時(shí)浪費(fèi)的時(shí)間,而且提高了零件的精度。隨著時(shí)代的發(fā)展,人工和時(shí)間成本的提高,五軸數(shù)控加工會(huì)在制造業(yè)中占據(jù)越來(lái)越重要的位置。

  1測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

  (1)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床包括3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸,其實(shí)現(xiàn)形式的主要不同集中在機(jī)床主軸的安裝方式上。目前的主流實(shí)現(xiàn)方式有雙轉(zhuǎn)臺(tái)、雙擺頭、一擺頭一轉(zhuǎn)臺(tái)形式。為了構(gòu)建三軸大零件與復(fù)雜曲面都可以加工的重構(gòu)機(jī)床,故采用的是較為經(jīng)濟(jì)的A—C雙擺臺(tái)形式。其中擺臺(tái)可以沿X、Y方向移動(dòng),A、C方向旋轉(zhuǎn),電主軸可以上下移動(dòng),這樣就構(gòu)成了X、Y、Z、A、C五個(gè)自由度的加工范圍。該測(cè)試平臺(tái)主要由床身、直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。其中直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)會(huì)影響安裝在其上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),該五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)拓?fù)鋱D如圖1所示。為了保證加工過(guò)程中的安全,X軸設(shè)計(jì)行程為700mm,Y軸設(shè)計(jì)行程為500mm,Z軸設(shè)計(jì)行程為600mm,A軸旋轉(zhuǎn)角度為—90°~+90°,C軸旋轉(zhuǎn)角度為0~360°。機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。(2)坐標(biāo)變換由于機(jī)床結(jié)構(gòu)采取的是A—C雙擺臺(tái)形式,而且擺臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心線的交點(diǎn)和機(jī)床夾具裝夾工件時(shí)所確定的加工零點(diǎn)不在同一位置。在機(jī)床A—C軸旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)對(duì)其直線坐標(biāo)產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響。對(duì)此構(gòu)建3個(gè)坐標(biāo),如圖3所示從上往下分別為機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系。在加工過(guò)程中,刀具在工件坐標(biāo)系中相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)需要轉(zhuǎn)化為機(jī)床絕對(duì)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于此機(jī)床工件坐標(biāo)系和絕對(duì)坐標(biāo)系來(lái)說(shuō),可以列出其坐標(biāo)系變換的方程表達(dá)式:XNYNZN00000000000000000000=ΔX0ΔY0ΔZ000000000000000000000+Q(I)XMYMZM00000000000000000000,Q(I)=Q(A)Q(B)Q(C)式中XM、YM、ZM———機(jī)床運(yùn)動(dòng)前坐標(biāo);XN、YN、ZN———運(yùn)動(dòng)后坐標(biāo);Q(I)———坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換矩陣。對(duì)于A—C雙擺臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)系來(lái)說(shuō),繞X軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q(A)=1000cosXsinX0—sinXcos00000000000000000000X,繞Y軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q(B)=10001000000000000000000000001,繞Z軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣Q(C)=cosZsinZ0—sinZcosZ000000000000000000000001,初始刀具矢量為(001)T,對(duì)于空間任意一點(diǎn)以及這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的任意方向的矢量,都可以看作是刀具從初始位置先旋轉(zhuǎn)過(guò)后再進(jìn)行平移。由于A—C雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床只能沿X軸方向和沿Z軸方向旋轉(zhuǎn),為了簡(jiǎn)便數(shù)學(xué)計(jì)算難度,同時(shí)達(dá)到在旋轉(zhuǎn)時(shí)可以使刀具初始矢量達(dá)到任意方向的要求,可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)視作先沿X軸方向旋轉(zhuǎn)后沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)。即Q(I)′=Q(C)Q(A)=cosCcosAsinCsinAsinC—sinCcosAcosCsinAcosC0—sinAcos00000000000000000000A,設(shè)旋轉(zhuǎn)過(guò)后所得到的向量為(αβγ)T,則Q(I)=(001)T=(αβγ)T,解之得A=IAarccos(γ),IA=1,-1C=arctan(αβ)—ICπ,IC=0,,,,,,,,,,1即可求出機(jī)床轉(zhuǎn)角軸的絕對(duì)角度變化量,和前一位置角度相減即可得機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值。

  2平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

  固高CPAC計(jì)算機(jī)可編程自動(dòng)化控制器具有運(yùn)動(dòng)控制,邏輯控制和人機(jī)交互融合一體的功能。CPAC支持符合IEC61131—3標(biāo)準(zhǔn)的OtoStudio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境,可以進(jìn)行文本和圖形化的混合編程,在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)較為簡(jiǎn)便。CPAC—Oto—box系列控制器由控制器以及端子板兩部分組成,在使用過(guò)程中用24V電源向兩部分供電,控制信號(hào)由運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)端子板發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器,由伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A、C軸的運(yùn)動(dòng)。CPAC自動(dòng)化控制器輸入、輸出接口分為專(zhuān)用輸入輸出、通用專(zhuān)用輸入輸出、控制輸出以及編碼器輸入。專(zhuān)用輸入用來(lái)連接驅(qū)動(dòng)報(bào)警信號(hào)、限位信號(hào)等,專(zhuān)用輸出用以輸出驅(qū)動(dòng)允許、報(bào)警信號(hào)復(fù)位等。而通用輸入、輸出信號(hào)可以外接傳感器、開(kāi)關(guān)量等信號(hào),編碼器輸入可以使用雙端輸入或單端輸入,控制輸出可以工作于脈沖量工作模式或模擬量工作模式。其中主軸驅(qū)動(dòng)方式為運(yùn)動(dòng)控制裝置將脈沖信號(hào)發(fā)送至變頻驅(qū)動(dòng)器,由運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)于變頻器的輸出頻率從而控制主軸電機(jī),數(shù)據(jù)采集部分采用傳感器連接CPAC模擬量輸入模塊,實(shí)時(shí)將機(jī)床的加工狀態(tài)反饋到機(jī)床控制系統(tǒng)中。同時(shí)通用輸入輸出接口連接機(jī)床的限位開(kāi)關(guān)和報(bào)警信號(hào)以保障安全。機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用運(yùn)動(dòng)控制裝置與X、Y、Z、A、C軸驅(qū)動(dòng)器以及主軸變頻器和開(kāi)關(guān)量執(zhí)行裝置相連。同時(shí)利用CPAC提供的網(wǎng)絡(luò)接口將加工零件時(shí)的狀態(tài)信息發(fā)送至上級(jí)管理計(jì)算機(jī)。

  3測(cè)試平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)

  (1)軟件結(jié)構(gòu)使用OtoStudio對(duì)測(cè)試平臺(tái)的軟件進(jìn)行編制,在編制過(guò)程中對(duì)所選用設(shè)備型號(hào)所支持的函數(shù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用,縮短了平臺(tái)開(kāi)發(fā)周期。其中測(cè)試平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示,首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理,調(diào)用CPAC提供的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)清除系統(tǒng)的報(bào)警信息,將伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行伺服使能,記錄機(jī)床軸的狀態(tài),驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)軸返回坐標(biāo)零點(diǎn)從而使使機(jī)床回零。然后對(duì)操作信息進(jìn)行處理并選擇工作方式。主要功能包括自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。其中,自動(dòng)方式主要功能是進(jìn)行連續(xù)加工處理,利用從上級(jí)下載NC代碼實(shí)現(xiàn)加工測(cè)試平臺(tái)的工件加工。手動(dòng)方式運(yùn)行是通過(guò)軟件界面選取所需要點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行的軸,后設(shè)置點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行的速度,對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)處理。狀態(tài)信息反饋模塊是通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器通用輸入接口讀取傳感器信息,并實(shí)時(shí)傳遞到顯示面板上。而后判斷程序是否執(zhí)行結(jié)束,結(jié)束后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù),否則返回操作信息處理,系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。(2)狀態(tài)信息反饋對(duì)于固高CPAC系列控制器集成了多種數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出等I/O模塊,機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息可以通過(guò)傳感器進(jìn)行采集,然后通過(guò)I/O模塊等反饋到系統(tǒng)之中,系統(tǒng)可以根據(jù)反饋回的狀態(tài)信息,對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,機(jī)床的反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。溫度傳感器對(duì)在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化進(jìn)行測(cè)量,將加工過(guò)程中產(chǎn)生的溫度變化信息反饋至系統(tǒng)之中,對(duì)主軸的溫度變形進(jìn)行分析,將由溫度變化產(chǎn)生的熱變形帶來(lái)的對(duì)工件產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,減少由加工過(guò)程中溫度變化引起的主軸變形對(duì)加工誤差的影響。同時(shí)振動(dòng)傳感器對(duì)主軸加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,對(duì)主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析從而得到加工工件的刀具的狀態(tài)信息,在加工工件的過(guò)程中,如果刀具磨損達(dá)到了需要進(jìn)行刃磨的工作狀態(tài),則對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)?shù)亟档瓦M(jìn)給量等措施,降低加工效率,保持切削的連續(xù)性,并在加工結(jié)束后產(chǎn)生刀具報(bào)警信號(hào),提醒進(jìn)行刀具刃磨。通過(guò)CPAC控制器控制機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行切削,在切削過(guò)程中使用CPAC—300—300—7KF01模擬量輸入模塊的輸入信號(hào)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,傳感器將機(jī)床的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。根據(jù)模擬量輸入模塊所對(duì)應(yīng)的模擬量輸入類(lèi)型對(duì)通訊模塊進(jìn)行配置,配置后會(huì)顯示該模擬量輸入模塊的所有配置通道的地址值,在程序中可以直接采用賦值語(yǔ)句將通道的地址賦給變量,從而對(duì)通道的信息進(jìn)行采集。采集得到的信息為數(shù)字量信息,可以通過(guò)其提供的DigitalData_To_AnologData函數(shù)將信息轉(zhuǎn)換為模擬量信息,然后根據(jù)傳感器的原理將機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息計(jì)算出來(lái)。由機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息,即可將機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,使得機(jī)床切削過(guò)程的狀態(tài)更穩(wěn)定。

  4結(jié)語(yǔ)

  在構(gòu)建五軸數(shù)控加工平臺(tái)中,采用了PC+GUC的結(jié)構(gòu),使用運(yùn)動(dòng)控制器控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在WindowsCE操作系統(tǒng)下,利用CPAC所支持的IEC61131—3工業(yè)控制語(yǔ)言進(jìn)行軟件的編寫(xiě)。通過(guò)對(duì)數(shù)控加工的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,對(duì)了解數(shù)控加工中各種物理量對(duì)工件精度的影響,提高數(shù)控加工精度具有積極的意義。

  參考文獻(xiàn):

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