四维数控钻床的设计.docx
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四维数控钻床的设计
1.选题的背景和意义
1．1选题背景和设计任务
当前，生产，机床和自动化技术之间的相互交叉，日益成为生产手段与生产方法进一步发展的核心。
数控机床出现于50年代，第一台晶体管式控制系统问世之后，时至今日，这项技术的迅猛发展，已成为现代工业自动化及生产自动化设备的制造企业，专门研究机构和用户之间成功合作的典范。
数控钻床是一种现代的，柔性的生产设备，在加工中有广泛的用途。
数控钻床的多种用途，导致在生产率，精度，表面质量和加工柔性方面对机床本身提出了更高的要求。
数控钻床的控制工程使单台数控钻床联线生产成为了现实，又由于现代数控钻床的控制系统对各类数控钻床和各类工作任务具有简单编程和自由编程的适应能力，这就为数控钻床提供了广泛应用的可能性。
计算机数控系统自70年代中期出现，可以说CNC系统在技术上已经成熟。
微机与CNC技术的紧密结合，使得开发和生产CNC系统的技术已被越来越多的国家所掌握。
现代数控系统的发展有如下几个特点：
1）更多的CNC系统充分利用微型计算机（PC机）的软件及硬件资源。
2）小型化，适应机电一体化的要求。
3）改善人机接口，方便用户使用。
本次毕业设计任务为简易四维数控钻床的控制与设计，通过VisualC++编程实现对四坐标数控钻床的通信和控制[1]。
1.2数控系统发展简史[2]
1．2．1数控（NC）阶段（1952-1970年）
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。
人们采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被叫做硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控。
随着元器件的发展，这个阶段经历了三代发展：
第一代NC是电子管NC。
它是1948年美国帕森公司为研制新型直升机桨叶，在MIT的协助下，于1952年完成的。
由电子管，继电器，模拟电路构成的三坐标连续轨迹控制的数控铣床，用作数控机床的原型机或样品机。
第二代NC是晶体管NC，1959年，晶体管取代了电子管，并广泛采用印制线路板。
第三代NC是采用小规模集成电路的NC，1965年的第三代——小规模集成电路。
1．2．2计算机数控（CNC）阶段（1970年-现在）
到1970年，通用小型计算机已出现并成批生产，于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段（把计算机前面应有的“通用”两个字省略了）。
到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件——运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器，又可称为中央处理器（简称CPU）。
到1974年，微处理器被应用于数控系统，这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时也用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理，而且当时的小型机可靠性也不理想。
早期的微处理器的速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。
由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求，数控系统从此进入了基于PC的阶段。
计算机数控阶段也经历了三代，即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——基于PC（国外称为PC-BASED）。
还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。
所以，我们日常讲的“数控”，实质上已经是“计算机数控”。
1.3我国数控机床领域的现状
近几年来，我国机床行业发奋图强，埋头苦干，向航天工业，造船业，大型发电设备制造，冶金设备制造，机车车辆制造等重要用户，提供了一批高质量的数控机床和柔性制造单元。
北京第一机床厂研制成功的五坐标数控螺旋桨铣床，用于加工直径6M的10万T级远洋运输轮用的螺旋桨叶面。
这几年，我国数控机床产业在技术上已有六个方面的跨越
●可供应网络化，集成化，柔性化的制造装备。
如北京机电院等开发的6台机床联成的局域网，可在服务器上实现加工对象的实体造型，并将加工程序通过网络，自动传送到各台数控机床。
●五轴联动技术更加成熟。
如常州机床总厂研制的5轴联动数控机床。
●进入世界高速数控机床生产国行列。
如一批主轴转速在8000-10000转以上，进给速度达60M/MIN的数控机床研制成功。
●进入高精度精密数控机床生产国行列。
如北京机电院研制的定位精度达3UM的立式加工中心和宁江机床研制的精度达8UM的卧式加工中心等。
●进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列。
秦川机床集团与西安交通大学和长沙铁道学院研制的六轴五联动的全数控化的螺旋齿锥齿轮切齿机，使中国成为继美国，瑞士，德国之后，第四个能生产这类机床的国家。
●关联杆系（虚拟轴）机床开始走向实用化。
如国内研制的三条腿机床经过切削加工试验，表明已开始步入实用化阶段。
在数控系统方面，我国已拥有从低档到高档次产品的自主知识产权，这实际上已突破国外对我国的限制。
1.4数控技术未来发展方向
随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完善，数控技术的应用领域日益扩大；不同的应用领域对数控技术提出了新的使用要求，又促进了数控技术的发展。
总的发展趋势可以归纳为以下三点：
●继续向开放式，基于PC的第六代方向发展，基于PC所具有的开放性，低成本，高可靠性，软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面，编程和联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
日本，欧盟和美国等针对开放式的CNC，正在进行前后台标准的研究。
●向高速化和高精度化发展。
这是适应机床向调整和高精度方向发展的需要。
要求数控系统调整处理并计算出伺服电机的移动量，并要求伺服电机能快速地做出反应。
为使在极短的空程内达到高速度和在高行程速度下保持高定位精度，必须具备高加，减速度和高精度的位置检测系统和伺服品质，通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高精度。
●向智能化方向发展。
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
1．5智能数控系统技术进展
1．5．1应用自适应控制技术
通常的数控系统是按照预先编好的程序工作的。
考虑到加工过程中不确定因素，编程中一般采用比较保守的切削用量，从而降低了加工效率。
具有自适应能力的数控系统可以在加工过程中随时测量主轴转矩、功率、切削力、刀具磨损等参数，并根据测量结果，调整主轴转速和进给量的大小，确保了加工过程处于最佳状态。
1.5.2自动编程能力
有了高性能的数控机以后，高质量、高效率的编制零件加工程序就成了提高数控加工效率的关键问题。
数控编程技术经历了手工编程、数据语言编程和图形编程的几个阶段，编程的效率和质量不断提高，同时也降低了对操作人员的技术水平要求。
1.5.3开放式数控系统
随着数控技术的发展，数控系统变的越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。
最大的缺陷就是，这些数控系统都是专门设计的，他们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种适时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。
为了解决这一个难题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。
1．6CNC系统简介
一台CNC系统包括：
⑴．CNC控制单元（数值控制器部分）。
⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。
⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。
⑷．PMC控制器。
⑸．机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。
⑹．机床的位置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。
⑺．外部轴（机械）控制单元。
如：
刀库、交换工作台、上下料机械手等的驱动轴。
⑻．信息的输入/输出设备。
如电脑、磁盘机、存储卡、键盘、专用信息设备等。
⑼．网络。
如以太网、HSSB（高速数据传输口）、RS-232C口等和加工现场的局域。
2、系统的设计思想
2．1设计系统的总体思想
在设计一个系统之前，首先要具备一个系统的总体设计思想。
在规划系统总体设计思想时，必须要遵循两个基本的原则：
其一，将可靠性放在第一位；在制定系统的总体方案时，吸取以往的经验教训，在硬件选择上，应该优先考虑性能高，稳定性好的硬件系统，并尽量用软件来实现数控的所有功能，这样就可以大大减小系统硬件的规模。
然后在编程和系统调试的过程中，认真对待，从而有效提高新型数控系统的可靠性。
其二，大力提高数控系统的控制精度，突出其使用的方便性；数控系统的控制精度，是保证数控机床加工精度的关键。
本系统为保证其控制精度采取的具体措施主要有硬件资源和软件编程两个方面。
在使用的方便性方面，主要是通过编程的手段，使用户端的操作智能化，界面化，实现了CAD一体化。
2．2系统的具体设计方案
根据该系统所要实现的任务要求，该系统属于简易的数字控制系统，而对于简易的数字控制系统，可采用开环控制系统，其特点是结构简单、成本较低、技术容易掌握，但由于受步进电动机的步距精度和传动机构的传动精度的影响，难于实现高精度的位置控制，进给速度也受到步进电机工作频率的限制。
每一个脉冲信号是步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的的距离。
如果负荷突变（入切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，即丢失一定数目的进给指令脉冲，从而造成进给运动的速度和行程的误差。
同时，这类控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。
数控系统每发出一个进给指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个角度，再经传动机构带动工作台移动。
图2-1开环控制系统框图
2．3软件环境介绍
本系统采用WINDOWSXP作为主控机的操作系统，不是技术成熟的MS-DOS，其原因如下：
虽然MS-DOS作为单任务操作系统，发展历史长，应用广，技术成熟，其内部的核心管理机制及结构大部分也都已经公开，人们在MS-DOS系统下可直接对硬件进行操作，系统实时性，可靠性都比较好，但MS-DOS是字符操作系统，对于一般使用者来说显得不太直观，且对于硬件资源不如现今流行的WINDOWSXP桌面操作系统。
系统中，我们利用VISUALC++开发PC机对数控钻床控制的程序。
具体设计思想如下：
我们将现场具体操作用VISUALC++程序代码完美反映出来，应用程序采用单文档界面，将其实现具体任务的建立和存储，其中每项任务可添加一系列需打孔的点数。
3、系统的方案实现
3.1系统的总体方案实现办法
根据加工要求，先用AUTOCAD绘图工具绘出需要的图形，该软件能产生一个数据库文件，但是，该文件计算机并不能识别，需要一个相应的程序把它读出来，变成计算机能识别的数据，用于控制钻床。
同时，计算机做为上位机，即综合控制器，上位机负责人机交换，接受钻床的反馈信息并加以处理，同时对与控制板卡进行通信并对其运行状态进行实时控制，进而对步进电机以及变频器的运行状态进行实时控制，实现钻床的主要功能。
主机不仅要进行运算并进行输出，还要管理键盘和显示器。
四台电机分别控制钻孔的四个坐标值，即X轴、Y轴、Z轴和主轴，X轴上的运动即钻头的左右运动，Y轴上的运动即钻头的前后运动，Z轴上的运动即钻头的上下运动，主轴上的运动就是钻头的旋转。
根据其不同的功能，X轴、Y轴、Z轴需要采用步进电机来实现其运动，而主轴则是普通的异步电机，需要用变频器来控制和调节其转速，以适应不同材质的材料。
总结构图如图3-1所示：
3．2系统的硬件资源简介（硬件连接图见附表3）
3．2．1DAC-7226[4]
本次毕业设计属于控制板卡类，根据系统的需要，可采用由深圳艾雷斯公司生产的DAC-7226D/A输出卡。
它提供6通道模拟量输出，每个通道可以设置成以下几种范围：
0～5V，0～10V，＋/-5V,+/-10V和4～20MA输出。
另外，DAC-7226还提供16通道数字量输出和16通道数字量输入，且与TTL兼容，广泛用于工业开关量的检测和控制。
其主要特征如下：
●6路独立的模拟量输出通道
●12位分辨率，双缓存数/模转换器
●多组电压范围:
+/-10V,+/-5V,0～5V，0～10V和4～20MA电流环
●无论是双极性还是单极性模式,所有的D/A输出在复位或上电后初始化为0V
●16路数字量输入和16位数字量输出通道,都是TTL兼容的
●数字量输入和输出口匹配以下的端子板
DAT-7682B24/16通道光隔数字量输入板
DAT-7675B24/16通道继电器输出板
●端子板DAT-7680实现模拟量输出接线
3．2．2步进电机[5]
由于微机内所处理的数据都是二进制的数字形式的数据，因此数字化的控制是自动化的主流。
步进电机是一种数字脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置。
步进电机能随输入脉冲按节拍一步一步地转动。
对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就能旋转一个固定的角度，称为一步。
每一步所转过的角度叫步距角。
步进电机的角位移量与输入脉冲同步。
控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可获得所需的相角、转速及转动方向。
在无脉冲输入的时候，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。
常见的步进电机为200步，四相5V、0.5～1A的小型步进电机，对于本系统，宜采用二相混合式步进电机。
[5]
从经济方面考虑，可采用型号39BYG250B-SASSML-0051的二相混合式步进电动机。
3．2．3主轴电机
从表面上看，主轴电动机与普通电动机相同，但实际上是不相同的，它主要在很宽的范围内调速，又要过载能力强，所以在结构上应是加强强度的结构。
为了提高过载能力，一方面要提高结构的机械强度。
另一方面就是采取了尽可能完善的换向措施。
尤其是主轴电动机还有经常正反转与立即停止，这些都是非常苛刻的工作条件，主轴电动机为了满足这些方面的要求，在换向器上也采取了相应的加强措施。
总之，主轴电动机与一般的直流电动机不同，一般直流电动机用在主轴上受命是不会太长的。
本系统的钻床部分，主要由四个电机构成，X，Y，Z轴的进给方向分别是三个步进电机，在主轴方向上是一个调速范围宽，过载能力强的异步电机，它控制着钻头的转动。
3．2．4变频器[7]
为提高钻床的工作范围，即使钻床针对不同的材质，都能加工出理想的产品，需要针对不同的材质有相应的最佳的转速，既能有效的保护钻床的钻头，有能有效的提高加工效率，经济而且高效，符合现代的生产理念。
因此，电动机的调速是必要的，也是必须的，综合考虑系统的要求，以及经济适用性，采用F1000-G0015S2B变频器，该变频器是应用无感矢量技术，控制输出电压和频率来改变交流异步电动机运行速度的一种电力转换器。
该变频器工艺先进，结构紧凑，产品外形美观大方。
该变频器共有十一种调速运行方式，分别为点动运行、键盘调速运行、端子调速运行、键盘与端子组合调速运行、“三段速”调速运行、“七段速”运行、“自动循环”运行、模拟量调速运行、“三、七段速”与端子组合调速运行、模拟量与“三段速”组合调速运行、模拟量与“七段速”组合调速运行、编码调速运行等。
3．3系统的软件设计
3．3．1输入输出程序（核心实验）
DAC-7226使用12位双缓冲D/A转换器提供6通道D/A，D/A寄存器使用基址+0到基址+11。
对D/A通道编程时，应注意高字节数据必须先发送，这一点在实验过程中应该尤其注意。
DAC-7226提供内部精密-5V参考电压，如果这个电压用作D/A输入参考，D/A输出范围为0—5V。
可以使用其它外部直流或交流源作为D/A参考电压，输入最大参考电压为+/-10V，此时最大D/A输出范围为+/-10V。
DAC-7226卡提供16个数字量输入和16个数字量输出通道，可以直接对数字量输入和输出编程。
但必须注意接头CN1（数字量输出）和CN2（数字量输入）的引脚分布。
在编写输入输出程序时，实验中注意到接线端子的不同，考虑不同口的偏移量不同，程序的目的是通过控制脉冲的产生数量，然后通过改变频器的参数设置调节脉冲宽度，进而达到控制电机步进量，达到用户满意的钻头进给量。
其程序中的核心部分如下：
{
for（intj=0;j<4000;j++）
{outportb（0x2c0+0x0c,0x0ff）;
for（intk=0;k<1000;k++）;
{
}
outportb（0x2c0+0x0c,0x0bf）;
for（intl=0;l<1000;l++）;
{
}
在实验过程中，程序的编写并不是一步到位的，其核心部分的编写更是如此，在实验过程中会出现很多问题，诸如电机转速不理想，脉冲宽度不一致，超调过大导致的步进电机转速不平均等问题，这些问题均会降低用户使用的满意程度，降低产品的市场竟争力，在实验过程中均要一一加以解决。
比如电机转速不理想的问题，开始时电机转速总是过慢，通过霍尔元件测速器测得转速只有150rad/min左右，显然达不到任务书上关于此次毕业设计的任务要求，在实验中，通过接线板把DAC7226的输出口各端子接出，通过示波器查看此时I/0接口的输出脉冲，发现其频度过小，归根结底是程序编写存在的一些问题所致，主要是延迟时间过长，这个参数设置过大的原因，结合示波器，反复改变程序中的相关参数数值，最终获得了400rad/min的较为理想的转速。
最终程序中的参数数值是4000。
3.3.2程序的大体流程图（现先以二维钻床为例说明设计思想）
3.3.3二相混合式步进电机输出脉冲分配字
半步时序表
时序
A+
B-
A-
B+
1
0
0
0
1
2
0
0
1
1
3
0
0
1
0
4
0
1
1
0
5
0
1
0
0
6
1
1
0
0
7
1
0
0
0
8
1
0
0
1
3.3.4程序流程图
3.4C++Builder开发AutoCAD应用程序方法简介[13]
欲处理的数据源文件为*.DWG图形文件格式，开发平台为C++，问题在于如何在C++中用C++支持的方法再现源文件中的图形.
可以用AutoDesk提供的ObjectARX进行开发。
里面有输入输出的类和函数，ObjectARX应用程序是动态链接库（DLL），可以和AutoCAD共享地址空间，直接调用AutoCAD的内部函数。
在ObjectARX应用程序中定义的命令与AutoCAD的内部命令运行方式相同，而在ObjectARX应用程序中创建的实体对象也和AutoCAD中创建的实体对象没有区别。
如果只是为了读取DWG数据，只需要把DWG的数据格式了解一下就行了：
图形文件的组织结构,组成DWG文件的头部、实体部、表部、块实体部和应急头部等5部分，使用第三方库直接代开DWG。
同时，此系统也可以用C++Builder开发AUTOCAD应用程序。
3.4.1C++Builder开发平台简介
C++Builder是美国Borland公司在1997年推出的一个优秀的可视化编程环境。
它在32位Windows环境下为我们提供了一种极具吸引力的快速应用程序开发系统（RAD）；是基于最流行的面向对象的程序设计语言C++，并拥有广泛的程序员基础；它提供了对ActiveX无懈可击的支持，对WindowsAPI和DirectX也进行了全面包装。
C++Builder的易用性远超过VisualC++和BorlandC++等开发环境，但它强大的开发功能并没有因之而削弱，可以说C++Builder在软件开发的功能性和易用性之间架起了一座桥梁。
C++Builder是在BorlandC++和Delphi基础上发展起来的。
它采用具世界领先水平的BorlandC++的编译器和高度可视化的图形平台，可开发出非常高效和可独立执行的程序。
与AutoCAD其它开发工具相比，可使程序员摆脱AutoLISP繁多括号的困扰和解释执行的低效率，也可开发出比VBA程序更高效和保密性更强的二进制代码。
3.4.2AutoCAD版本的发展
AutoDesk公司1996年推出AutoCADR14版本，使得AutoCAD成为标准Windows应用程序。
AutoCAD2000版本开始正式成为Microsoft标准的多文档管理程序。
另一个特征是嵌入了VBA（VisualBasicApplication），使AutoCAD的开发和定制功能大大增强。
2002和2003版本主要是使AutoCAD在易用性和网络功能方面的功能得到加强.
3.4.3为什么选用C++Builder开发AutoCAD应用程序
（1）C++Builder开发平台是非常易用且功能强大，并有为数众多的图形化组件，可以满足我们日常的编程的需要，可以大大提高程序员编程效率。
（2）C++Builder开发的应用程序可以脱离C++Builder开发平台和AutoCAD应用平台而独立运行，不象VBA程序要依赖于某个AutoCAD的图形文件，使用时需要加载和卸载。
（3）C++Builder应用程序是真正的编译程序，执行程序短小，执行效率高，方便在网络间传送，且保密性强。
另一个外在原因，目前学习和使用C/C++语言的人非常普遍，而LISP语言和VBA语言的使用并不十分普及，所以用C++Builder开发AutoCAD应用程序是非常具有优势的
3.4.4C++Builder开发AutoCAD应用程序基本方法
C++Builder开发AutoCAD应用程序的基本方法是采用Microsoft公司的ActiveXAutomation技术。
该技术是一种可从一个程序内部编程控制另外一个或几个程序的技术，其中作为控制方的程序叫做Automation客户或控制器，被控制方的程序叫做Automation服务器。
这里我们所开发的应用程序就是客户程序，而AutoCAD程序就是服务器程序.
本文所使用的开发平台是基于C++Builder5，要求AutoCAD为2000以上版本。
另外在AutoCAD软件安装目录（默认为“C:
\ProgramFiles\AutoCAD2002\”）下有一个ACAD.TLB文件，该文件是AutoCAD的类型库文件，本文所介绍的程序设计就是依赖这个文件的.
本文介绍一个简单的程序，它的功能仅仅是在AutoCAD模型空间画一个圆。
这个程序虽然功能比较简单，但它几乎包括了AutoCADActiveX程序设计的全部思想和方法。
可以使读者对AutoCAD的ActiveXAutomation程序设计有一个直观和快捷的了解.
1）启动C++Builder
2）保存项目。
将窗体文件保存为CadU1.cpp，将项目保存为CadP。
这时C++BuilderIDE窗口标题栏中出现被保存的项目名称。
3）引入类型库。
选择Project菜单中“ImportTypeLibray”子菜单，出现对话框
在对话框中列出所有已注册的类型库，从中选择AutoCAD2000TypeLibray[Version1.1]（AutoCAD2000的类型库，2002和2003版的类型库同样适用）。
如果列表中没有AutoCAD的类型库，说明它还没有被注册，单击[Add]按钮，在AutoCAD的程序目录中找到acad.tlb文件，选中后单击[OK]按钮，随后就在列表中增加了“AutoCAD2000的类型库”
（1）设计窗体中。
按照图2所示设计Form1的窗体。
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