数控曲轴磨床控制系统设计与开发

论文摘要

曲轴是汽车发动机和其他内燃机的关键零件,需求量大,种类众多,加工精度要求高。因曲轴的加工精度对发动机的性能起决定性的作用,所以其加工质量和加工效率将直接影响到汽车产品的质量和汽车工业的发展。但是,目前仅有少数几个国家能够掌握高精度数控曲轴磨床技术,故机床售价昂贵,台价高达60～80万美元,国内企业一般无法承受。因此,我们有必要研制出我国自己的数控曲轴磨床,重点是曲轴磨床数控系统,以满足国民经济发展的需要。为此,开发一套价格适中的高性能数控曲轴磨床控制系统就具有较高的市场价值。本论文采用目前国际上较为流行的工业PC+运动控制器的结构,设计基于Windows平台、能实现一次装夹工件并快速磨削完一根曲轴。系统以工业PC机作为硬件平台,结合运动控制卡良好的控制性能,配以交流直线电机和伺服电机,组成了数控系统的硬件配置。论文中给出了具体的硬件结构框图,并对硬件系统设计和实现进行了说明。本论文通过对随动曲轴磨削的运动特性分析,建立了跟随磨削运动的数学模型,并且结合系统特性和实验数据,提出了对理论轨迹数据进行修正的方法。在磨削过程中,由于砂轮的进给轴具有高速、高加减速和高动态响应性的运动特点,所以本控制系统中的砂轮进给轴采用直线电机作为执行机构,保证该轴在加工过程中快速、大行程往复运动且负载惯性较大的情况下也能保证磨削的高度跟随性。系统软件基于Windows操作系统,采用Visual C++6.0面向对象、模块化的程序设计方法,编写了人机交互界面程序。本论文给出了数控系统的用户层、数据处理层和控制层这三个模块的软件结构框图,并对软件系统所要求的功能模块给出了设计说明,详细讨论了几个主要模块的设计和实现方法。设计时采用模块化、层次化、开放式的思想,便于今后数控系统的维护、扩展和升级。最后通过现场的调试,基本达到了数控系统的设计目标,满足了用户的要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题的研究目的和主要工作
• 1.3.1 本课题的研究目的
• 1.3.2 本课题研究的主要内容
• 1.3.3 课题研究需解决的关键性技术
• 1.3.4 课题的可行性分析
• 2 曲轴磨床控制系统的总体设计
• 2.1 数控系统的研究现状及发展趋势
• 2.1.1 国内外数控系统发展概况
• 2.1.2 数控技术发展趋势
• 2.2 曲轴磨床的加工工艺特点及数学模型的建立
• 2.2.1 曲轴磨床的加工工艺特点
• 2.2.2 数学模型的建立
• 2.3 本系统采用的数控结构
• 2.4 数控系统平台的搭建
• 3 曲轴磨床数控系统硬件选型
• 3.1 硬件平台的搭建和运动控制卡的选择
• 3.2 控制用电动机的选择
• 3.2.1 Z轴电动机的选择
• 3.2.2 C轴电动机的选择
• 3.2.3 X轴电动机的选择
• 3.3 数控曲轴磨床电气控制的设计
• 3.4 本章小结
• 4 曲轴磨床数控系统软件设计及其实现
• 4.1 软件平台和开发工具的选用
• 4.2 软件需求分析
• 4.3 数控系统软件结构设计
• 4.3.1 数控系统的工作过程
• 4.3.2 数控系统软件结构
• 4.4 数据生成模块的设计和实现
• 4.4.1 数据生成模块设计中的关键问题
• 4.4.2 数据生成模块的设计
• 4.4.3 数据生成模块的实现
• 4.5 数据处理和补偿模块的设计及实现
• 4.5.1 数据处理和补偿模块的设计
• 4.5.2 数据处理和补偿模块的实现
• 4.6 本章小结
• 5 其他模块的设计和加工误差分析
• 5.1 紧急控制模块的设计
• 5.2 仿真模块的设计
• 5.3 数控系统与PLC的数据交换
• 5.4 加工误差的分析与计算
• 5.4.1 数控插补逼近误差的分析与计算
• 5.4.2 砂轮半径变化对曲轴连杆颈加工误差的影响
• 5.4.3 砂轮中心安装误差对曲轴连杆颈加工误差的影响
• 5.4.4 主轴间隙对曲轴连杆颈加工误差的影响
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录