基于運動控制器的三軸小型數控銑床研制

李學光，楊 盼，陳 哲，苗立琴

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.中國兵器工業集團長春設備工藝研究所，長春 130012）

0 引言

在經濟全球化和信息技術革命的影響下，國際制造業正在發生深刻變化，制造業的規模和水平已成為衡量一個國家綜合實力的重要標志[1]。隨著德國工業4.0時代的到來，“中國制造2025” 規劃和“互聯網+”行動相繼提出，智能制造、高檔數控機床和機器人已成為未來10年的重點發展領域，高層次的人機交互，智慧生產，人機之間的協調配合是未來制造業的發展趨勢[2]，數控機床正朝著智能化、綠色化、復合化的方向發展，制造系統應具備網絡化、開放化的特點[3,4]，制造系統或數控系統的開放及二次開發需要符合相應的行業標準及體系[5]，同時，數控機床應該能夠滿足多品種中小批量的柔性生產模式，能夠實現遠程操作及監控。在現代制造工程領域，選擇合適的數控機床能有效地保證產品產量與質量、減少生產成本、充分利用企業的制造資源，并提高制造過程的智能化水平[6]。

模塊化設計、優化設計及機床的各種靜動態分析是機床設計時采用的重要方法[7,8]，本文主要進行了桌面式的小型數控銑床的模塊化設計，設計了不同的機床結構方案，并對不同的機床結構進行對比分析，最后確定了移動龍門機床結構方案，基于Delphi編程語言開發了“PC + 運動控制器”型的開放式數控系統，系統可實現數控程序的編輯、刀具路徑的模擬、機床狀態信息顯示、數控加工工藝制定等，系統的功能模塊可由用戶定制，最后進行了該數控機床的安裝調試。

1 機床方案設計

本文主要設計一臺基于運控控制器的開放式系統小型數控銑床，機床的設計參數如表1所示。

表1 機床設計參數

機床主要部件采用HT250和45號鋼等材料，材料的各項參數如表2所示。

表2 HT250和45號鋼兩種材料的相關參數

機床結構設計過程中要考慮到機床各軸的有效行程，本文在初步擬定機床結構方案時，設計了如圖1、圖2所示的兩種機床方案。圖1所示為立柱式機床結構方案，圖2所示為固定龍門式機床結構方案。立柱式機床結構方案中，進給運動由三個伺服電機驅動，主軸通過安裝在立柱上的懸臂支架進行安裝和固定，工作臺與十字滑臺安裝在一起，主軸安裝在懸臂支架上，由于主軸自身的重力及加工過程中的切削力的影響，會產生一定的變形，影響機床的整體剛度，Y方向的工作行程也會受到影響。固定龍門式結構方案中，進給運動同樣由三個伺服電機驅動，但主軸安裝在龍門的橫梁上，該方案可以有效增加三個坐標方向的工作行程，同時可以避免主軸安裝支架在Y方向伸出過長而產生一定的變形問題。主軸在龍門的橫梁上移動，由于具有較高的龍門立柱尺寸，加工過程中機床會產生一定的變形、振動和沖擊等，進而損壞傳動系統，而且由于龍門框架重心高，不宜設置過高的加速度。

圖1 立柱式數控銑床結構

根據圖1、圖2所示兩種方案中存在的問題及不足之處，對方案進行了改進，設計了移動龍門式數控銑床結構，如圖3所示。該方案取消了十字滑臺的結構，同時最大限度降低了龍門立柱的高度，龍門可沿著Y方向的雙導軌移動，確保了X、Y兩個方向的工作行程，既消除了方案一中懸臂支架的變形問題，也消除了方案2中龍門框架重心偏高的問題，進給運動由三個方向的伺服電機驅動。

圖2 固定龍門式數控銑床結構

圖3 移動龍門式數控銑床結構

1 機床有限元分析

1.1 機床結構的模態分析

模態分析用于確定系統的振動特性，即結構的固有頻率和振型[9]。機床模態分析的目的是確定機床結構或機床部件的振動特性，主要包括固有頻率和振型，這兩個參數也是機床結構設計中重要的參數，能夠反應機床結構本體的相關力學性能，而且與載荷無關，通過固有頻率和振型能夠體現出機床的結構特性及在某個方向上的薄弱環節，因此通過分析可以對機床進行相應的結構優化。機床主體剛度和動態特性的好壞直接影響著整臺機床的工作性能，最終影響到加工工件的精度[10]。因此本文進行了機床結構的模態分析，移動龍門式數控銑床方案分析結果如表3及圖4所示，立柱式數控銑床及固定立柱式銑床的分析結果如表4、表5所示。

圖4 移動式龍門數控銑床結構的模態分析結果

表3 移動式龍門數控銑床主體的前六階固有頻率和主振型

表4 立柱結構機床主體的前六階固有頻率和主振型

由模態分析的結果可知，移動龍門式數控銑床結構的前六階固有頻率范圍是83.42～353.54Hz，各階最大變形量范圍是10.56～28.51mm，第二階與第六階模態機床的變形量較大，分別為23.69mm和28.51mm，第二階模態振型X軸電機出現震動，第六階模態振型Y軸電機出現震動，對比三種結構前六階模態振型的最大變形量，可以看出立柱式結構各階振型的最大變形量的值和波動最大，固定龍門式結構次之，移動龍門式結構最小。

表5 固定龍門式機床主體結構的前六階固有頻率和主振型

1.2 機床動力學分析

數控機床在加工過程中必須保證運動軌跡正確，同時能夠保持穩定的速度及加速度變化狀態，避免機床產生沖擊和振動而影響機床的壽命。因此，為了驗證機床各坐標軸的運動軌跡的正確性及各軸運動速度和加速度的變化情況，基于ADAMS軟件，建立了機床運動學模型并進行了相應的動力學分析。

圖5所示為在ADAMS中建立的機床運動學模型，定義了各個部件之間的運動副，為確保與機床的實際結構及各軸動作一致，床身底座與地面之間定義固定副；Y軸滑臺與底座之間定義固定副；X軸滑臺與Y軸滑臺之間定義直線運動副，即機床的Y軸方向移動副；Z軸滑臺與X軸滑臺之間定義直線運動副，即機床的X軸方向移動副；電主軸與Z軸滑臺之間定義直線運動副，即機床的Z軸方向移動副。

圖5 三軸數控銑床運動學模型

采用STEP函數實現機床各坐標軸運動的分段控制，其表達式為：

STEP（x，x0，h0，x1，h1）。其中X、Y、Z三軸對應的速度驅動函數為:

X：STEP（time，0，0，1，0.01）+STEP（time，1，0，8，0）+STEP（time，8，0，9，-0.01）；

Y：STEP（time，0，0，1，0.01）+STEP（time，1，0，10，0）+STEP（time，10，0，11，-0.01）；

Z：STEP（time，0，0，1，-0.01）+STEP（time，1，0，5，0）+STEP（time，5，0，6，0.01）。

計算后分別得到X、Y、Z三個軸位移、速度、加速度隨時間變化的曲線，如圖6所示。

圖6 位移、速度、加速度隨時間變化曲線

由圖6可以看出，X、Y、Z三軸的位移分別為80mm、100mm、50mm；X軸0～1s時間內做勻加速運動，1～8s時間內做勻速運動，8～9s時間內做勻減速運動；Y軸0～1s時間內做勻加速運動，1～10s時間內做勻速運動，10～11s時間內做勻減速運動；Z軸0～1s時間內做勻加速運動，1～5s時間內做勻速運動，5～6s時間內做勻減速運動；由圖1～圖5可以看出X、Y、Z軸的最大加速度都是0.015，X軸加速度在0～2s內先增后減，在7.5～10s內負向先增后減，Y軸加速度在0～2s內先增后減，在5～7.5s內負向先增后減，Z軸加速度在0～2s內先增后減，在10～11s內負向先增后減。由運動學仿真結果可以看出，機床動態響應仿真結果與實際情況相符。分析結果表明機床的X、Y、Z三個軸可以按照所設計的軌跡進行運動，驗證了機床結構設計的合理性和功能實現的正確性，確保了設計更加接近物理樣機。

2 開放式數控系統設計

本文基于Windows XP系統，采用DELPHI編程語言，基于“PC+運動控制器”形式進行開放式數控系統開發，選用研華工控機，型號為IPC-610-E，配置了GT-400系列運動控制器，通過對運動控制器內部提供的接口函數進行編程，可以實現高速的點位運動，具有良好的運動控制以及邏輯控制等功能，實現伺服控制、路徑規劃、可編程邏輯控制等操作，并通過接收PC機發出的指令信號控制伺服驅動系統驅動機床各軸運動，實現機床的多軸聯動控制，實現刀具與工件之間產生復雜的相對運動。所設計的開放式數控系統由五個模塊組成，如圖7(a)所示，各模塊可根據用戶需要通過模塊定制功能在主界面中選擇性顯示，加工程序編輯模塊相對獨立，完成對NC代碼的編輯，同時能夠以文檔的形式保存在PC機本地硬盤，為工件加工提供程序代碼。NC代碼保存的文檔可與主界面其他幾個模塊同步共享，以此來保證機床操作模塊、系統參數設置模塊與數據顯示模塊之間數據的一致性，程序管理模塊如圖8所示。如果用戶需要增加或減少功能模塊，只需要通過模塊定制功能選擇即可，不用改變主界面的整體結構。因此，主界面擴展性好，可操作性較強。系統主要包括登錄、各種機床狀態信息顯示、刀具軌跡生成模擬、數控程序驗證、數控程序管理、機械加工工藝過程卡片及工序卡片編制生成等功能。通過主操作界面模塊實現用戶與數控系統之間人機交互，模塊中提供了工件加工參數設置、NC代碼調用及各種操作指令等功能。此外，通過該界面獲得機床當前狀態及位置坐標等相關信息，實現了對加工過程的實時監控。

圖7 開放式數控系統結構

通過開放式數控系統中的NC程序信息，驅動運動控制器發出相應的信號通過端子板發送給各軸的伺服驅動器，驅動各軸電機動作，實現零件的數控加工，其控制過程如圖7(b)所示。

系統設計了數控加工工藝模塊，如圖9所示，該模塊可實現計算機輔助工藝設計，包括機械加工工藝過程卡片編制和機械加工工序卡片編制兩個子模塊。用戶可在該模塊下實現對機械加工工藝過程卡片和機械加工工序卡片的編制、修改、瀏覽、打印及查詢等功能，可以具體詳細地了解零件加工的工藝過程及工序內容。

圖8 程序管理模塊

圖9 機械加工工藝模塊

整機裝配后的效果如圖10所示，其中圖10(a)為機床傳動部分的結構，圖10(b)為整機裝調后的效果，圖10(c)為開放式數控系統。

圖10 機床裝調

3 結論

本文針對小型三軸數控銑床設計了立柱式和固定龍門式的機床結構方案，通過有限元分析及仿真，得到了機床主體的前六階最大變形量、固有頻率和主振型，針對其結構中存在的缺陷，對機床結構進行了優化設計和改進，最后確定了移動龍門式機床結構方案，基于Windows XP系統，采用DELPHI編程語言，基于“PC+運動控制器”進行開放式數控系統開發，最后進行了機床的裝配及整機聯調，所設計的機床及數控系統能夠滿足使用要求。