移动式数控机床系统的研究

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1、前 言数控机床简称NC机床，它将加工过程所需的各种操作和步骤以及刀具与工件间的相对位移量都用数字化代码来表示，通过控制介质将数字信息送入计算机，由计算机对输入的信息进行处理和运算，然后发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需的工件。数控机床与其他机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换一条新的程序，不需要对机床作任何改动。数控机床集机械制造技术和计算机、液压气动、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，是技术密集型的机电一体化产品，它具有下列优点：1能完成很多普通机床难以加工，或者根本不能加工的复杂型面零件的加工；2采用数控机床

2、，可以提高零件的加工精度，稳定产品的质量；3可以提高生产率。采用数控机床比普通机床可提高生产率23倍，对复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍；4具有柔性，只需更换程序，就可以适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工；5大大减轻了工人的劳动强度。可以看出，数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又具有一定柔性的生产设备。数控机床的广泛使用，将给机械制造业的生产方式、产品结构和产业结构带来深刻的变化，其技术水平高低和拥有量多少，是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。我国数控机床的发展起步较早，从1958年开始研制，已经历了40多年的发展历程。但到1978年底，数控机床

3、的发展几经周折，走了不少弯路，当年数控机床产量仅223台。1979年开始的改革开放，为我国的机械工业开辟了新时期，数控机床的发展也进入了一个崭新的阶段。20世纪80年代初，我国引进国外的数控装置和伺服系统为国产主机配套，这使得数控机床在品种、数量和质量方面得到迅速发展。典型的国产产品有北京航天机床数控集团公司的航天I型，中科院沈阳计算所的蓝天I型和华中理工大学的华中I型等国产高性能数控系统。尽管近几年我国数控机床迅速发展，但与工业发达国家相比，我们还有差距。但在这同时，我们也看到这种差距正在不断缩小。在本此研究中，我的研究题目是一台移动数控铣床系统的研究，工作台为工件,加工有效行程X/Y/Z轴

4、分别为130/530/518 mm。数控铣床结构可根据实际的加工要求来自行选定，给了我很大的自由，同时也增加了研究的难度，提高了对自己的要求。在研究的过程中，我对铣床先后进行了总体方案的研究进给伺服系统的研究整体零部件的选型与校核绘制数控铣床总装图等过程。在这次研究中，我查阅了大量的相关书籍、期刊、公司样本等资料。 如：机械设计实用手册吴宗泽著，数控技术张建刚等著，PMI滚珠螺杆型号公司样本等。同时还得到了张洛平教授的指导以及帮助，在此表示深深的感谢！第一章 微机数控系统总体方案的研究1.1 总体方案概述对于一个数控系统，首先必须拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种参数和机构，然后再分

5、机械部分和电气部分。机床数控系统的总体方案应包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构和传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。一 系统运动方式的确定如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。由于数控铣床要具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补，暂停循环加工等功能，故选择连续控制系统。二 伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。由于这是一台经济型数控铣床，加工精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，故采用开环控制系统。三 计算机系统根据机床要求，采用8位微机，由于MCS-51系

6、列单片机性能优越，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/0接口及光隔离电路，步进电机，功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。四 机械传动方式采用交流伺服电机驱动，X/Y轴方向传动采用联轴器直联的形式，Z轴传动和主轴转动采用了同步带传动形式，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构，同步带传动需有张紧装置。1.2 总体方案框图73根据系统的要求，采用点位控制、用伺服电机驱动的半闭环控制系统。这样可使

7、控制系统结构简单、成本低廉、调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，计算机系统仍采用高性能价格比的MCS51系列单片机扩展系统。第二章 机床进给伺服系统机械结构部分2.1 工作台外形尺寸及重量估计加工材料：铝合金铣刀直径：铣刀齿数：3最大铣削余量：0.5最大铣削深度：2.5分辨率：0.01工作台加工范围：X=130，Y=530工作台纵向快速移动速度：工作台横向快速移动速度：纵向铣削最大进给速度：横向铣削最大进给速度：X向拖板（上拖板）尺寸（长宽高）：588500210 重量：58850

8、02107.810-2=4815.72N实重：4815.720.5=2407.86N Y向拖板（下拖板）尺寸（长宽高）：562488210 重量：5624882107.810-2=4492.3N实重：4492.30.5=2246.2NX导轨座尺寸（长宽高）：680500180 重量：6805001807.810-2=4773.6N实重：4773.60.3=1432.08N Y导轨座尺寸（长宽高）：1480500245 重量：14805002457.810-2=14141.4N实重：14141.40.3=4242.4N电机重约：400N工作台运动部件总重：2407.86+2246.2+1432.

9、08+4242.4+400=10728.54N 2.2 铣削力的计算 式中：-铣削接触弧深 =4-每齿进给量 =0.2-铣刀直径 =10-铣削深度 =5-铣刀齿数 Z=3-系数 =20Fc=9.812040.860.20.7210-0.8653=420.05N查表得： -圆周切削力-轴向切削力-进给方向的水平力-进给方向的垂直分力所以 =157.5 = =2.3 滚珠丝杠螺母副的选择一 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （1）计算进给牵引力 式中：-考虑颠覆力矩影响的实验系数 =1.4 -导轨上的摩擦系数 =0.04 =1081.7N（2）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的

10、轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C 式中： L-使用寿命。以转为一个单位 -运转系数 式中： T-使用寿命 取15000h -丝杠导程 =5mm -为最大切削力条件下的进给速度。可取最高进给速度的一半 （3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅机床数控化改造指导手册选用L5010型标准滚珠丝杠副，因其额定动载荷29500N，故精度等级选为4级。（4）计算最大静负载 当滚珠丝杠副在静态或低速（n）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允

11、许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一，产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载。 式中： -滚珠丝杠的最大轴向负荷； -静态安全系数； =2 选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷=96300N所以 滚珠丝杠副合格（5）传动效率计算 式中： -丝杠螺旋升角； = -摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.0030.004。其摩擦角约等于 （6）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。最大牵引力为686.3N，支承间距为830mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。a.丝杠的拉伸或压缩变形量查综合作业指导图3-4。根据 Fm=1081.7N D

12、0=50mm查出可算出 由于丝杠进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高2倍。其实际变形量 b.滚珠与螺纹滚道接触变形查综合作业指导图3-5，可知滚珠和螺纹滚道接触变形 因进行了预紧， c.支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用70000型角接触球轴承。滚动体数量Z=13 因进行了预紧，故 d因滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量一般占的比重较小，常忽略不计。 e.螺母座及轴承支座的变形常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难。一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。 f.根据以上计算得出总变形量 （7）稳定性校验 式中： E-丝杠材料的弹性模量；E= 截面惯性矩，对于丝杠为

13、 -丝杠两支承端距离；=830mm -丝杠的支承方式系数；=2 所以 丝杠不致失稳； 二 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算切削分力 所以 （2）计算进给牵引力 式中：-考虑颠覆力矩影响的实验系数 =1.1 -导轨上的摩擦系数 =0.04 =584.07N （3）计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠所能承受的最大动负载C 式中： L-使用寿命。以转为一个单位 -运转系数 式中： T-使用寿命 取15000h -丝杠导程 =5mm -为最大切削力条件下的进给速度。可取最

14、高进给速度的一半 （4）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅机床数控化改造指导选用L5010型标准滚珠丝杠副。其额定动载荷31400N，精度等级按综合作业指导表3-17选为4级。（5）计算最大静负载 当滚珠丝杠副在静态或低速（n）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形。当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载。 式中： -滚珠丝杠的最大轴向负荷； -静态安全系数； =2 选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷=30100 所以 滚珠丝杠合格（6）传动效率计算 式中： -丝杠螺

15、旋升角； = -摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.003-0.004。其摩擦角约等于 因横向和纵向选用的是同一型号，同一尺寸标准的滚珠丝杠螺母副，而横向的切削力小，故刚度及稳定性可以满足要求，不用再验算。Z方向同样也选用了型的标准滚珠丝杠螺母副，公称直径同样是50mm，故刚度和稳定性可以满足要求。三 丝杠的使用注意事项1.在安装此滚珠丝杠副时，因为它是外循环式滚珠丝杠副，所以严禁敲击和拆卸管道，以免造成钢球堵塞，运动不流畅；2.在安装或使用时要避免螺母脱离丝杠表面，因为螺母一旦脱离，滚柱将散落，此时滚珠丝杠副不能正常工作，严重时还会引起设备事故，因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程保护装

16、置，尤其是在高速运转的场合；3.在安装滚珠丝杠副的时候两端支承座孔与螺母支承座孔要调整到“三点同心”的最佳状态，不能在不同心的情况下强迫安装；4.由于滚珠丝杠副的传动效率在90%以上，不能自锁，在需要自锁的场合，必须在丝杠轴上配置相应的自锁装置；5.为了使滚柱丝杠副灵活运转，延长使用寿命，必须考虑充足的润滑条件；6.除滚柱丝杠副本身防尘圈外，外露的丝杠轴上也应安装防护装置，以免灰尘，杂物进入丝杠副。四 滚珠丝杠的注意事项1.滚珠丝杠螺母副的设计需考虑丝杠的预紧方式，预紧方式有：双螺母垫片式，双螺母螺纹式，双螺母齿差式，单螺母变导程以及过盈滚珠预紧。在本设计中所选用的南京工艺装备厂BS型标准滚珠

17、丝杠副其本身内部已经进行了预紧； 2.该丝杠螺母副可消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚珠丝杠副因其磨损小，效率高，预紧后仍能轻快的传动，因此它能通过预紧完全消除间隙，使反向时无空行程，且可通过预紧给予一定的预变形来提高轴向刚度； 3.因其传动效率很高，滚珠丝杠副一般不能自锁。因此在不准许产生逆传动的地方，如Z方向主轴的升降等，必须增设制动或自锁机构。2.4 滚动导轨的选型导轨是机床上关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好，便于间隙调整、具有良好的润滑和防护等要求。目前，滚动导轨在数控机床上的

18、应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.00250.005；动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。一 导轨类型和特点滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。第一大类滚动体不作循环运动的导轨又分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨三类。第二大类是滚动体作循环运动的直线运动导轨，又称作直线导轨块（副）组件，是由专业厂家生产制造好的导轨块组件。这种导轨块组件本身的制造精度很高，而对机床的安装机面要求不高，安装调试非常方便。其刚度高，承载能力

19、大。二 直线滚动导轨的选定（1）滚动体尺寸和数目的选择原则滚动体的数目也应适当选择。滚动数目过少，则导轨的制造误差将明显地影响动导轨的位置精度。随着滚动体数量的增多，不仅提高了动导轨的位置精度，还可以降低导轨的抗压强度。通常每个导轨上每排滚子的数量最少为1216个。但滚动体数目太多，则会出现载荷在滚动体上分布不均匀的现象，部分滚动体可能受不到载荷而不起作用，反而使刚度下降。在根据结构选择滚动体的尺寸和数目后，还要验算滚动体的承载能力，发现不能满足要求时，可加大滚动体的直径或增加滚动体数目。对于滚珠导轨，由于承载能力与滚珠直径的平方成正比，因而增大滚珠直径比增加滚珠数目有利。对于滚柱导轨，增大直

20、径和增加数目效果相同。（2）所选导轨1. 纵向AB型，代号65，横向AB型，代号20，Z向AB型，代号35 2. 验算强度： 纵向： 测得，纵向导轨的间距为408 mm 丝杠的最大进给力为387.46N 由此，导轨所承受的最大转矩为 T= 686.30.4082= 140NM 3237KNM 即导轨的最大抵抗扭矩 横向： 测得，横向导轨的间距为210 mm 丝杠的最大进给力为490.8275N 由此，导轨所承受的最大转矩为 T= 490.82750.212=51.54NM 121.8KNM即导轨的最大抵抗扭矩 由上计算可知，导轨的强度可以很好的满足机床的要求。（3）滚动导轨滑块参考图2.5 交

21、流伺服电机的计算和选型一 伺服电机选型依据 为了满足滑台轻巧,简便,实用,而采用了交流伺服电机.交流伺服电机与直流伺服电机相比有以下优点：（1）无电刷磨损，无火花产生，故寿命长，长期不须维修，工作安全可靠。（2）输出转矩高，包括高速下的制动转矩能在很宽的范围内保持较大的转矩。（3）交流伺服电机惯量小,转速高；二 伺服电机的选型计算（1） 纵向伺服电机的选型计算1 .最大切削负载转矩计算所选伺服电动机的额定转矩应大于切削负载的转矩。最大切削负载转矩可按下式计算 P= C/4 从前面的计算，已知最大进给力1081.7N，丝杠导程P =5=0.005m，纵向滚珠丝杠的动载荷C=31.4KN ,则预紧

22、力31.4/4=7.85kN。滚珠螺母丝杠副的机械效率0.695。由于伺服电动机与丝杠通过联轴器直连，即传动比为1。滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 =1.31770000单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。简直端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。最大切削负载转矩T=+0.52+0.32=1.752.负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件、夹具与工作台的最大质量为325.6kg，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算=m=m()=325.6()=0.000206丝杠名义直径D=50，长度l=1.024m，丝杠材料（钢）的密度。实心圆柱体（丝杠）

23、的转动惯量为=0.000842联轴节加上锁紧螺母的惯量故负载总惯量0.000206+0.000842+0.0008=0.0018按中小型数控机床惯量匹配条件，1/21/3，所选伺服电动机的转子惯量应在0.000850.00057范围内。根据电动机参数列表，我们选取安川交流伺服电机SGMSH系列（中惯量）额定功率为1.5kw电机，其额定转矩为4.9，大于最大切削负载转矩，该伺服电机的转子惯量为5.9110，也在0.000850.00057范围内。 总惯量 J=J+J=0.000591+0.0018=0.002391 kgm加速时间t取t的34倍，故，t=(34)15=4560T=0.002391

24、23000/60t=33.7845.05 空载加速转矩T不允许超过电机的最大转矩，由此可见，所选伺服电机可以满足启动时间的要求，可以使用 。 （2） 横向伺服电机的选型计算1 .最大切削负载转矩计算 P= C/4从前面的计算，已知最大进给力584.07N，丝杠导程P=5=0.005m，纵向滚珠丝杠的动载荷C=31.4KN ,则预紧力12.4/4=3.1KN滚珠螺母丝杠副的机械效率0.695。由于伺服电动机与丝杠通过联轴器直连，即传动比为1。滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 =0.5270000单个轴承的摩擦力矩为，故一对轴承的摩擦力矩。因直端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。最大切削负载转矩

25、T=+0.52+0.32=1.332.负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件、夹具与工作台的最大质量为214.2kg，折算到电动机轴上的惯量可按下式计算=m=m()=214.2()=0.00014丝杠名义直径D=50，长度L=0.32m，丝杠材料（钢）的密度。实心圆柱体（丝杠）的转动惯量为=0.00088联轴节加上锁紧螺母的惯量故负载总惯量0.00014+0.00088+0.0008=0.00182按中小型数控机床惯量匹配条件，1/21/3，所选伺服电动机的转子惯量应在0.000910.000607范围内。根据电动机参数列表，我们选取安川交流伺服电机

26、SGMSH系列（中惯量）额定功率为1.5kw电机，其额定转矩为4.9，大于最大切削负载转矩，该伺服电机的转子惯量为7.2410，也在0.000910.000607范围内。 总惯量 J=J+J=0.000724+0.00182=0.002544 kgm加速时间t取t的34倍，故，t=(34)15=4560 T=0.00254423000/60t=35.9647.95 NM空载加速转矩T不允许超过电机的最大转矩，由此可见，所选伺服电机可以满足启动时间的要求，可以使用 。三 电机参考外形图 第三章 微机数控系统硬件电路的研究3.1 单片机数控系统硬件电路研究内容一 绘制系统电气控制的结构框图根据总体

27、方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理器（CPU）；（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4） 接口，即I/O输入/输出接口电路；（5） 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。二 选择中央处理单元（CPU）的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1） 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；（2）

28、 可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量；（3） 指令系统功能，影响编程灵活性；（4） I/O口扩展的能力，即对外设备控制的能力；（5） 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路；此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。三 存储器扩展电路 存储器扩展电路设计应包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。四 I/O即输入/输出接口电路的研究应包括接口芯片的选用、步进电机控制电路、键盘显示电路及

29、其他辅助电路（例如复位电路、时钟电路等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路也不例外。3.2 GE系列运动控制器3.2.1 运动控制器简介 现代运动控制技术是在以数字信号处理器 DSP(Digital Signal Pr ocess or)为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件发展的基础上出现的。而现代的运动控制系统是计算机技术、 传感技术、 电力电子技术和机械工程技术等的集成综合应用系统 ,可以实现机械传动的自动化和智能化 ,对机械传动等的运动位置、 运动轨迹和各种运动参数进行实时的控制和管理。 运动控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯

30、片（ASIC）作为核心处理器的运动控制器，发展到了基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。 目前，通用运动控制器从结构上主要分为如下3类： 基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用DSP或微机芯片作为CPU，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部I/O之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下

31、自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国Deltatau公司的PMAC多轴运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的GT系列运动控制器产品等。 Soft型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。基于Soft型开放式运动控制器开发的典型产品有美国MDSI公司的Open

32、CNC、德国PA（Power Automation）公司的PA8000NT。美国Soft SERVO公司的基于网络的运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的GO系列运动控制器产品等。Soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、

33、RS485、SERCOS、PROFIBUS等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过Internet进行远程诊断。例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GU嵌入式运动控制平台系列产品等。 我们在研究此数控铣床的运动控制系统时选用的是固高GE 系列运动控制器，数控铣床铣切控制系统是基于GE-X00-ESG型号嵌入式运动控制器和标准CNC系统平台的开放式系统。运动控制器应用高速 DSP 芯片实现系统的高性能、高速度和高精度。而 CNC可以实现多轴协调运动和高速的点位运动系统平台并且提供对标准 NC 程序代码的

34、编译，并最终形成运动控制器的控制指令。其核心由 DSP 和FPGA组成，可以实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配生产线、电子加工设备、激光加工设备以及 PCB 钻铣设备等。 GE 运动控制器以 IBM-PC 及其兼容机为主机，提供标准的 ISA 总线和 PCI 总线两个系列的产品。作为选件，在任何一款产品上可以提供 RS232 串行通讯和 PC104 通讯接口，方便用户配置系统。运动控制器提供 C 语言函数库和 Windows 动态链接库，实现复杂的控制功能。将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成

35、在一起，建造符合特定应用要求的控制系统，以适应各种应用领域的要求。使用该运动控制器，要求使用者具有 C 语言或 Windows 下使用动态链接库的编程经验。运动控制器的一般结构如图 1所示图1运动控制器结构框图GE 运动控制器的实物如下：3.2.2 GE 系列运动控制器型号及含义 3.2.3 GE 系列运动控制器功能列表GE 系列运动控制器提供 DOS 下的 C 语言函数库和 Windows 下的动态链接库。用户只要调用函数库中的指令，就可以实现运动控制器的各种功能。下面我们就说一下GE 系列运动控制器指令系统的指令返回值及其意义 3.2.4 指令返回值 运动控制器按照主机发送的指令工作。运动

36、控制器指令封装在 C 语言函数库（DOS 环境）和动态链接库（Windows 环境）中。用户在编写应用程序时，通过调用运动控制器指令来操纵运动控制器。 运动控制器在接收到主机发送的指令时，将执行结果反馈到主机，指示当前指令是否正确执行。指令返回值的定义如表所示 GE-X00-PX 运动控制器指令返回值定义 GE-X00-SX 运动控制器指令返回值定义研究说明：如果指令返回值为-1，而且重复调用该指令仍返回-1，说明运动控制器的通讯出现故障，运动控制器没有正确地接收主机的指令；或是运动控制器工作不正常，不能正确处理主机指令。此时请按照如下步骤进行检查： 1 在 Windows 系统下使用运动控制

37、器时，请检查驱动程序是否正确安装； 2 检查运动控制器、接插件和连接线是否插牢； 3 检查运动控制器的基地址跳线是否正确，请确认运动控制器的基地址跳线与应用程序中所指定的基地址相一致（针对 ISA/PC104 总线的运动控制器） ； 4 检查 PC 机的插槽是否能够正常工作，并尝试更换插槽或 PC 机； 5 检查 JP4 跳线是否正确，JP4 跳线默认为 1-2 脚短接。3.2.5 指令错误寄存器 当运动控制器指令的返回值为 1 时，说明指令执行错误，此时应当调用指令 GT_GetCmdSts 进一步确认具体出错原因。指令错误寄存器的具体定义如表2-3，当某个状态位为 1 时，指示了相应的错误

38、原因。表 2-3 GE-X00-PX 运动控制器指令错误寄存器定义表 2-4 GE-X00-SX 运动控制器指令错误寄存器定义下面这段程序以标准 C 语言为例，简单说明了利用指令返回值进行错误处理的方法。当指令返回值异常时，发出蜂鸣声并显示错误信息。在实际应用系中，应当根据具体情况采取相应的处理方法。 例 ： 利用指令返回值进行错误处理 void error(short rtn) switch(rtn) case -1: printf(anCommunication Error !); break; case 0: break; case 1: printf(anCommand Error !

39、); break; case 2: printf(anRadius or chord is 0 !); break;case 3: printf(anLength is 0 or overflow !); break; case 4: printf(anVelocity or acceleration is less then 0 !); break; case 5: printf(anChord is greater than diameter !); break; case 7: printf(anParameter error !); break; default: printf(anE

40、rror Code = %d ,rtn); break; void main() short rtn; rtn = GT_Open(); error(rtn); /打开运动控制器 rtn = GT_Reset(); error(rtn); /复位运动控制器 rtn = GT_ClrSts(1); error(rtn); /清除 1 轴状态寄存器 /其它指令 rtn = GT_Close(); error(rtn); /关闭运动控制器 3.3 伺服电机接口及驱动电路交流伺服电机有以下优点：无电刷磨损，无火花产生，故寿命长，长期不须维修，工作安全可靠。输出转矩高，包括高速下的制动转矩能在很宽的范围

41、内保持较大的转矩。交流伺服电机惯量小,转速高；3.3.1电机控制系统的基本组成 1 运动控制器；2 具有 ISA/PCI/PC104 接口的主机； 3. 步进电机或伺服电机； 4. 驱动器； 5. 驱动器电源； 6. +12V/+24V直流电源（用于接口板电源） ； 7. 原点开关、正/负限位开关（根据系统需要可选）其中伺服电机既可以选择交流伺服电机也可以选择直流伺服电机。由于此系统使用的是 GE-X00-XG 运动控制器，所以电机驱动器选为位置控制方式，且控制器和驱动器脉冲模式设置一致。下面看一下采用 GE 运动控制器组成的控制系统典型连接见图 1-1：图 1-1 采用 GE 运动控制器组成

42、的控制系统框图说明：1.系统软件提供 NC、CNC 程序代码自动执行，连续运动及点动运动两种手动运动模式，加工图像的预览，可以实时显示当前坐标、进给速度等等系统状态。2. 采用该类硬件平台具有以下优点： 1） 抗干扰能力强，在恶劣工业现场环境的设备运行可靠。 2） 整体连接线少，安装使用方便。 3） 设备占用空间小。3.控制系统软件主要功能： 1） 控制系统软件具有加工模式和演示模式两种模式。 2)控制系统软件可实现沿原轨迹前进和后退功能。 3) 控制系统软件可实现任意指定预切点开始加工。 4) 控制系统软件可通过对加工图形的动态补偿处理来弥补的偏差对加工的影响。 5 ) 控制系统软件可在自动

43、加工暂停后，设置加工中断点，满足自动加工灵活转换的需要。3.3.2 GE 运动控制器的外形结构 GE-X00-SX 运动控制器 ISA系列 GE-X00-SX 运动控制器的外形结构如图 2-1 所示图 2-1 ISA系列 GE-X00-SX 运动控制器连接器与跳线器位置示意图PCI 系列 GE-X00-SX 运动控制器的外形结构如图 2-2 所示：图 2-2 PCI系列GE-X00-SX 运动控制器连接器与跳线器位置示意图GE-X00-SX（其中 X00=200、300或400）运动控制器的端子板外形结构图如图 2-3 所示：图 2-3 GE-X00-SX 端子板接口示意图表 2-1 GE-X

44、00-SX 端子板接口定义GE-X00-PX运动控制器 ISA系列 GE-X00-PX 运动控制器的外形结构如图 2-4 所示图 2-4 ISA系列 GE-X00-PX 运动控制器连接器与跳线器位置示意图注：GE-200-PX、GE-300-PX、GE-400-PX 运动控制器端子板外形结构图如图 2-3 所示。 GE-800-PX 运动控制器端子板外形结构图如图 2-5 所示：图 2-5 GE-800-PX 端子板示意图GE-800-PX 运动控制器端子板上接口定义如表 2-2 所示 表 2-2 GE-800-PX 端子板接口定义表 2-3 为 GE 系列运动控制器上各连接器和跳线器的功能说

45、明。 表 2-3 连接器及跳线器功能列表研究思路： “PC + 运动控制器可充分利用计算机资源 ,用于运动过程、 机械轨迹都比较复杂 ,而且柔性比较强，其核心由 DSP 和FPGA组成，PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作 (例如系统状态的显示、运动轨迹规划、 控制指令的发送、 外部信号的监控等等 ) ;运动控制器完成运动控制的所有细节 (包括脉冲和方向信号的输出、 模拟输出、 原点和限位等信号的检测等等 ) 当运动卡接收到 PC机的指令后 ,向交流伺服驱动器发出同步控制信号 ,经驱动器放大后驱动电机 ,使电机按照相应的频率和角位移运行。第四章 微机数控系统人机界面的研

46、究4.1数控系统人机界面概述数控机床是现代制造技术的重要工具。本文从人机界面设计的概念及研究方向入手，充分考虑人的因素，对数控机床人机界面的设计原则进行了初步探讨。 数控机床是一种高科技的机电一体化产品，是由数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置构成的可编程的通用加工设备，它被广泛应用在加工制造业的各个领域。与通用机床和专用机床相比，数控机床最适宜加工结构较复杂、精度要求高的零件，以及产品更新频繁、生产周期要求短的多品种小批量零件的生产。当代的数控机床正朝着高速度、高精度化、智能化、多功能化、高可靠性的方向发展。数控机床的人机界面设计直接影响其工作效率和操作舒适性。因为良好的人机界面操

47、作简单、有效，且具有引导功能，使用户感觉愉快、增强兴趣，从而提高使用效率。 人机界面（Human-Machine Interface）是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入与输出。应结合心理学、人机工程学、计算机语言学、艺术设计、智能人机界面、社会学与人类学等多学科知识对人机界面设计进行研究。其发展趋势也向着更加人性化、高科技化的方向发展。 有学者认为，人机界面设计可理解为广义的人机界面设计和狭义的人机界面设计。狭义的人机界面是计算机系统中的人机界面，又称人机接口、用户界面，它是计算机科学与心理学、图形艺术、认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计

48、算机之间传递和交换信息的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。从广义的人机界面角度来讲，它主要是研究人与机关系的合理性。人机界面中的“人”是指作为工作主体的人，包括操作人员、决策人员等。人的生理特征、心理特征以及人的适应能力都是重要的研究方向。人机界面中的“机”是指人所控制的一切对象的总称，包括人操作和使用的一切产品和工程系统。设计满足人的要求、符合人的特点的“机”， 是人机界面设计探讨的重要问题。数控机床的人机界面可分为软件人机界面和硬件人机界面。 4.1.1数控机床软件界面设计原则 1.软件在数控机床中的作用非常重要，其用户界面直接影响着数控机床的工作效率和效果。数控机床软件界面的设

49、计原则可归纳如下： (1) 一致性原则软件人机界面的一致性原则主要是指在不同的系统之间及应用系统内部具有相似的界面外观、布局、人机交互方式及信息显示格式等。一致性原则有助于用户学习机床的操作，并减少使用时的出错率。 (2) 提供信息反馈信息反馈是指机床对用户的操作所作的反应，它可以表明用户的操作是否为机床所接受、是否正确，以及操作的效果怎样。反馈方式可以是文本、图形和声音等。 (3) 保持界面空间布局的合理性界面空间的布局应简洁明了。设计师应根据对现实操作物的理解设计出能给用户带来方便的界面。例如数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，有三个功能独立的过程（PROCESS）：O

50、PERATE，PROGRAM，CONTROL。每个过程分别服务于系统的操作者，程序员和监控者（SUPERVISOR）。每一个过程都有自己的菜单行，在菜单行下的菜单是下拉菜单，具有自己的子菜单。子菜单可以被选择，以进行下一步的操作。 (4) 合理利用颜色和图形界面上使用颜色可以更好地进行提示操作，还能缓解操作者的视觉疲劳。所用颜色一般不超过35种。例如在数控钻床CNC5000V200控制系统软件的图形界面中，高光表示被激活的过程（PROCESS），被激活的过程具有自己的色彩，并显示为屏幕的前景，OPERATE对应绿色，PROGRAM对应深蓝色，CONTROL对应浅蓝色。图形具有直观、形象、信息量

51、大等优点，在界面中使用图形可增强操作的可理解性及易学易用性。 (5) 选择适合的字型和大小一个界面中，最好不要有太多的字型，更不宜选用字型太复杂或软弱无力的字体，越简洁清晰则辨识性越佳。例如，字符高宽比可取21或11， 以便清晰识别。 2.数控机床硬件界面设计原则 由于数控机床应用数字技术实现了对机床的执行运动顺序和运动位移的直接控制，传统机床的变速箱结构被取消或部分取消了，因而机械结构也大大简化了。数控机床的硬件人机界面的设计原则可归纳如下： (1) 机床外观色彩的设计原则。机床固定安置，工作气氛平静，因此色彩不宜过于刺激与兴奋，也不宜过于沉闷，应使操作者在工作时心情愉快。一般以纯度低而明度

52、高的颜色为宜，不宜大面积采用有刺激和兴奋作用的色彩，但应有适当的对比效果，一般采用装饰色带、面板色及警惕色与主体形成对比。对于大型机床设备，不宜采用太浅的颜色，如略带中性灰的颜色可产生坚固有力及稳重的视觉感，同时可采用多色配置，避免整体色调较暗，达到既稳重又生动和谐的效果。有些机床形态，竖向长且有高耸、不稳定之感，为达到视觉上的稳定性，可用线条或色带对床身进行横向分割，利用分割错觉调整视觉上的尺寸比例感觉，从而增加稳定感。 (2) 机床外观尺度与比例的设计原则机床主要部件之间，以及它们与整个机床结构之间的尺度与比例，对机床造型设计来说是至关重要的。例如，在确定机床的基本尺寸时，运用了“黄金分割

53、”的原则，机床的高度与长度之比为0.1618，使机床的轮廓更紧凑、机床各部件的尺寸关系更协调，增加了机床造型的美感。机床是以水平线作为整体布局的基准，各个部件之间均以水平线分割。水平线忌不整齐、无规则、无层次，要有严格的层次，要统一和协调，为机床增加精密感、规则感和稳定感。机床的垂直划分线不多，在其衬托下使机床的水平划分更加突出。垂直划分线应简明、规则、大方。此外，机床表面忌凹凸部位过多， 以防积存油污灰尘，不易清理。 (3) 机床工作台面和控制面板的布置原则主工作台面的高度应根据操作要求， 按立姿， 坐姿，坐/立姿的操作要求进行设计。工作台面上，像手轮和摇把类的手动操纵器的设计，应根据功能和

54、使用方式的不同，进行大小、形状、类别及位置的设计。控制面板上的控制按钮和显示仪表，应按功能区进行划分，同时满足显示-控制相合性的要求，其位置高度和布置排列应符合人机关系，使人方便操纵和观察。例如，显示仪表应尽量放置在人的水平视线向下030的水平视野和人的垂直视野左右各15的范围内。控制面板上按钮的颜色根据用途进行分类，例如，红色表示危险、停止、禁止等，可用于车床的自动报警按钮、停止按钮等。绿色表示安全、正常、运行等，如机床的启动按钮就采用绿色。工作台面上，位于操纵器上或侧旁， 用文字或符号标明其功能的标号编码， 宜用白色和黑色。 4.1.2数控系统人机交互界面分类 在数控系统中，人机交互界面主

55、要用于进行人机交互处理。即在用户的配合下，利用各种交互设备完成CNC系统的连接、各种工作模式的选择、调试运行管理和维修。用户按需选择CNC系统的工作模式，进行相应数据和命令的输入;CNC系统则适时针对用户的操作进行信息的反馈，向用户提供系统运行状态，提供操作和学习帮助，当出现操作错误和系统故障时，产生错误和警告信息。 CNC装置为用户提供的界面可分为程序控制界面、数据输入界面和交互输出三类。 (1)程序控制界面 程序控制界面的作用是接收用户命令，完成对数控系统运行的控制。如数控系统工作模式的切换控制等。它有命令语言、菜单、窗口和直接控制等形式。 采用命令语言形式时，用户在系统提示符下通过键入命

56、令来控制和操纵CNC系统的运行。使用命令语言形式比较灵活，占用屏幕少，但命令语言难以学习和记忆，易出现输入错误，因此数控系统中很少采用这种形式。 采用菜单形式时，CNC系统在显示器的屏幕上提供一组可选的项目，使用者可以通过各种输入设备进行选择。如:控制面板上的光标移动键或字母、数字键等来选取其中某一项。 窗口形式的界面能同时显示多进程多任务的运行情况，它在一个显示屏幕上提供多个供用户观察或交互的视域，各个视域可完成或显示不同的内容，好象多个屏幕正在显示。 (2)数据输入界面 数据输入界面主要用于向数控系统提供数据输入，它应为用户提供数据输入格式，提供缺省值，提供容错和修改功能，并向用户回送输入

57、结果。 数据输入方式可以是问答式输入、填表输入、菜单选择输入和直接操作输入等。问答式输入方式单调且速度太慢，在数控系统中多采用填表式数据输入界面一数控系统在显示器上给出一张有明确数据项名称和范围的表格，用户可将一组数据，通过键盘较直观的填入表格。菜单输入和直接输入都要求系统为用户提供可以选择的数据和对象，其输入简单、方便，但输入数据被限制在预订范围内、编程实现较复杂。 数控系统中的刀具参数设置、系统参数设置和数控加工程序编辑等界面都属于数据输入界面。 (3)交互输出界面 交互输出界面的作用是组织数控系统的输出，向用户提供系统运行的信息。在数控系统中，交互输出信息主要包括:a.响应信息:对用户提

58、供的操作请求、命令等信息作出响应； b.提示信息:提示用户系统现在正在做什么，以及下一步将做什么，如:当前以及下一数控加工程序段的显示； c.运行信息:以文字、图形和声音等方式提供给用户的系统运行结果信息，如:加工情况的大字符显示和图形显示； d.出错信息:当用户操作或系统运行出错时向用户提供的出错或警告信息； e.帮助信息:数控系统向用户提供的操作使用方法等信息。 数控系统应尽量把所有交互过程的信息都显示出来，在显示内容和形式上尽量做到美观、生动和较高的可视性。4.1.3数控系统常用的显示界面及其比较 在CNC系统中，目前比较常见的显示界面有: (1) LED数码管显示方式，包括七段数码管与米字管； (2)