II小型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床總體方案分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9436小型五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床總體方案分析案例 182391.1五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu) 199971.2五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng) 2160321.3方案選擇 111.1五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床就是有五個(gè)軸，三個(gè)直線進(jìn)給軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸，即X,Y,Z,和分別繞其某兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)軸(A,B或B,C或A,C),聯(lián)動(dòng)就是這五個(gè)軸能同時(shí)同步進(jìn)給，能實(shí)現(xiàn)空間任意曲面的加工，從而實(shí)現(xiàn)各種產(chǎn)品的加工以及技術(shù)要求。五軸機(jī)床有多種多樣的結(jié)構(gòu)形式，其中最主要的是以下幾種形式。1.1.1雙擺頭機(jī)床顧名思義，就是機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都在主軸上，是由刀具的擺動(dòng)，在加工的時(shí)候，它的工作臺(tái)不會(huì)移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是：雙擺頭結(jié)構(gòu)小，靈活度高。相對(duì)的缺點(diǎn)就是：加工范圍比較小，鋼性較差。比較適用于加工一些相對(duì)復(fù)雜的空間曲面。圖1.1.1雙擺頭機(jī)床1.1.2雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都是通過工作臺(tái)回轉(zhuǎn)來運(yùn)動(dòng)的，在加工的時(shí)候，工作臺(tái)既旋轉(zhuǎn)又?jǐn)[動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：剛性比較好。缺點(diǎn)是：所加工的工件受轉(zhuǎn)臺(tái)的尺寸影響。適用于加工一些復(fù)雜的模具以及一些體積小的零件等。圖1.1.2雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床1.13單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床即一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是通過刀具的擺動(dòng)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是通過工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，在加工的時(shí)候，主軸繞著一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面擺動(dòng)，工作臺(tái)只能旋轉(zhuǎn)不會(huì)擺動(dòng)。加工特點(diǎn)是位于雙轉(zhuǎn)臺(tái)與雙擺頭之間的，比較適合加工一些回轉(zhuǎn)類零件等。圖1.1.3單擺頭單轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床1.2五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)源于1987年，美國空軍提出了“下一代控制器”計(jì)劃，該計(jì)劃提出了一種具有開放式結(jié)構(gòu)體系的控制器的概念。開放式系統(tǒng)體系標(biāo)準(zhǔn)SOSAS（SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard)是“下一代控制器”計(jì)劃的重要內(nèi)容之一，目的是對(duì)工作站進(jìn)行管理和設(shè)計(jì)機(jī)床控制器結(jié)構(gòu)組織。SOSAC定義了下一代控制器系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關(guān)系，它提出了分級(jí)式控制結(jié)構(gòu)，指出了功能性分解，定義了虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)。把硬件和軟件放在一開放的平臺(tái)上進(jìn)行組裝和調(diào)試，系統(tǒng)模塊之間的相進(jìn)行互交換和相互操作，完成了一套自己的系統(tǒng)的組建。下一代控制器計(jì)劃的原型研究于1994年完成，并開始進(jìn)行工業(yè)開發(fā)應(yīng)用。例如美國福特公司等，聯(lián)合提出了開放式體系結(jié)構(gòu)控制器OMAC（OpenModulararchitectureController）開發(fā)計(jì)劃，提出了軸運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)互動(dòng)、傳感器接口、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信息管理等構(gòu)造了控制系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)。開放式體系機(jī)構(gòu)控制器開發(fā)計(jì)劃的目的是使得數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商的開發(fā)周期和費(fèi)用減少，機(jī)床生產(chǎn)廠商和用戶可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，使整個(gè)系統(tǒng)使用和維護(hù)較簡(jiǎn)便。目前市面上主要有以下四種數(shù)控系統(tǒng)類型:（1）不開放式數(shù)控系統(tǒng)：在制造業(yè)，這類數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，如法拉克0i系統(tǒng)、西門子840D系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)具有很強(qiáng)的專用性，經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的使用，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3.1所示。圖1.1.1不開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖但是由于這些數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)不具有開放性，存在一些缺點(diǎn)：1）系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)較高，維修、培訓(xùn)以及在使用操作過程中遇到的問題，主要需要生產(chǎn)廠家完成；2）為了和實(shí)際環(huán)境匹配，增加操作功能，還需生產(chǎn)廠家來完成，周期較長(zhǎng)；3）兼容性不好，具有固定的功能。正是因?yàn)椴婚_放系統(tǒng)的這些問題存在，促使開放系統(tǒng)能夠更快速的發(fā)展。（2）PC與CNC集成數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)是將PC板與傳統(tǒng)的CNC集成起來，形成組合模塊。在這里，PC主要完成非實(shí)時(shí)控制，CNC主要對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該數(shù)控系統(tǒng)與不開放式數(shù)控系統(tǒng)相比，PC部分界面開放，CNC部分體系結(jié)構(gòu)不開放，由于其核心是CNC數(shù)控系統(tǒng)，主要功能也是由CNC來完成的，由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，精度高，價(jià)格貴，軟件和硬件結(jié)構(gòu)都復(fù)雜，故該系統(tǒng)一般應(yīng)用于高端的數(shù)控設(shè)備上，PC與CNC集成數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2所示。圖1.1.2PC與CNC集成數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（3）NC+PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)：該開放式數(shù)控系統(tǒng)是將運(yùn)動(dòng)控制卡通過串口或者總線與PC機(jī)連接，NC作實(shí)時(shí)控制，PC機(jī)主要作非實(shí)時(shí)控制。運(yùn)動(dòng)控制卡核心模塊CPU一般選用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的控制和內(nèi)置PLC控制功能。比如美國泰道公司的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)等。以上公司開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)的具有較好的開放性能，改進(jìn)系統(tǒng)功能方便，控制核心由運(yùn)動(dòng)控制卡完成，修改軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，開放式結(jié)構(gòu)靈活性好、功能穩(wěn)定，具有較高的性價(jià)比，滿足數(shù)控制造生產(chǎn)廠家的需要，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1.3所示。圖1.1.3NC+PC結(jié)構(gòu)示意圖（4）軟件控制型開放式數(shù)控系統(tǒng)：該開放式數(shù)控系統(tǒng)又稱為完全PC實(shí)現(xiàn)控制的開放式數(shù)控系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)的控制部分的全部功能由PC來實(shí)現(xiàn)，主要是把驅(qū)動(dòng)接口卡插入到PC擴(kuò)展糟中實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，完成各軸的運(yùn)動(dòng)控制。通過在PC中對(duì)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能擴(kuò)展，完成了數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)。軟件控制型開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)軟件部分裝在PC上，而PC與伺服驅(qū)動(dòng)器和輸入輸出口之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口是軟件控制型開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分，在使用過程中具有較高的選擇性和靈活性，是比較理想的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1.4所示。圖1.1.4軟件控制型開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)上述4種類型的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較：1）不開放式數(shù)控系統(tǒng)質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系完全封閉；2）PC+CNC集成數(shù)控系統(tǒng)主要是PC部分具有一定的開放性，CNC部分不開放，價(jià)格貴，目前主要應(yīng)用于高端制造設(shè)備中，維修費(fèi)用較高，目前，市場(chǎng)上有一定的份額；3）NC+PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)以PC作為本體，NC作為控制核心，PC中的軟件直接與NC完成標(biāo)準(zhǔn)化通信，實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)建立，在實(shí)際應(yīng)用中表明，NC+PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)、最能方便實(shí)現(xiàn)。4）軟件控制型開放式數(shù)控系統(tǒng)將PC的靈活性與硬件的實(shí)時(shí)性結(jié)合起來，從而降低了對(duì)硬件的要求和對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求?？刂葡到y(tǒng)硬件數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格往往都是十分昂貴的，大多數(shù)情況下企業(yè)才能承受如此高昂的價(jià)格。經(jīng)過調(diào)研和討論，本項(xiàng)目選用運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)硬件。目前市面上的運(yùn)動(dòng)控制卡分了好幾種：mach有兩種，不帶運(yùn)動(dòng)芯片和帶運(yùn)動(dòng)芯片，不帶芯片就是并口mach板，最大支持100K傳輸速率，最高就這么多，要速度快就要用電子齒輪，帶芯片的使用ARM+FPGA最高可以1m輸出，通過usb和上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，如果上位機(jī)本身精度不夠再細(xì)分，只能增加平滑程度，并不能增加任何細(xì)節(jié)，甚至?xí)茐募?xì)節(jié)。維宏是pci總線技術(shù)，穩(wěn)定性不錯(cuò)，但是即使是正版維宏，也是通過一個(gè)db連線傳輸數(shù)據(jù)和接口板傳輸數(shù)據(jù)，也是100多K。本項(xiàng)目選用的USB控制卡目前穩(wěn)定在200K的傳輸速率，是能夠在同等速率下表達(dá)多一倍的細(xì)節(jié)，或者同細(xì)節(jié)下，多一倍的速度。并且采用差分信號(hào)+6類網(wǎng)線傳輸信號(hào)，高速穩(wěn)定。USB運(yùn)動(dòng)控制卡如圖1.1.5所示,硬件接口簡(jiǎn)介如圖1.1.6所示。圖1.1.5USB運(yùn)動(dòng)控制卡圖1.1.6硬件接口簡(jiǎn)介（1）差分信號(hào)輸出USB運(yùn)動(dòng)控制卡采用差分輸出，差分輸出就是兩根信號(hào)線都傳輸信號(hào)，根據(jù)兩根信號(hào)線之間的電壓差來判斷發(fā)送信號(hào)的邏輯。另外還有共陽極、共陰極輸出，它僅有單端輸出信號(hào)，以共同的地線作為電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。差分輸出的好處是抗干擾能力強(qiáng)，特別是在遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)衰減小，穩(wěn)定性高。兩根信號(hào)線一起受到同樣的影響，但是之間的電壓差值不會(huì)發(fā)生較大的變化。（2）端口設(shè)置采用RJ45端口，8根信號(hào)線將差分信號(hào)，伺服回原點(diǎn)信號(hào)，各軸接近開關(guān)信號(hào)，整合在一起，清晰明了，支持定制常規(guī)伺服接線，方便客戶接線，避免錯(cuò)誤接線，造成不必要的損失。RJ45接口從上到下分別為：X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸、C軸、D軸、E軸接口。RJ45接口定義如表1.1.1所示：表1.1.1RJ45接口定義接口定義1D+2D-324V4R0回零信號(hào)5ALM報(bào)警信號(hào)6G7P+8P-D為DIR（方向），P為PUL（脈沖），如果只用于步進(jìn)系統(tǒng)，只需要將P+P-,D+D-信號(hào)對(duì)應(yīng)接到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上的接口即可。運(yùn)動(dòng)卡為差分輸出接口內(nèi)集成24v供電為伺服提供外部電源，同時(shí)具有伺服Z信號(hào)反饋和伺服報(bào)警信號(hào)輸入。接線圖如圖3.7所示。D+D-24vR0ALMGP+P-D+D-24vR0ALMGP+P-圖1.1.7接線圖（3）硬件防護(hù)措施USB采用ESD保護(hù)、濾波保護(hù)及自動(dòng)復(fù)位功能；電源部分加了過壓保護(hù)，防靜電，二極穩(wěn)壓3.3V精度1%；輸入輸出端口光電隔離，并且板上設(shè)計(jì)有隔離爬距；所有芯片采用工業(yè)級(jí)，全固態(tài)電容和鉭電容，工業(yè)級(jí)配置。（4）rtcp插補(bǔ)運(yùn)算目前最先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)算法，俗稱刀尖跟隨，簡(jiǎn)而言之就是編程軟件輸出的是刀尖的實(shí)際路徑和表面線速度，通過本系統(tǒng)進(jìn)行位移插補(bǔ)運(yùn)算，反算出各軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)給量和旋轉(zhuǎn)軸的角速度，指揮電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)動(dòng)作原理能最大限度的保證刀尖的準(zhǔn)確位置、曲面加工效率、以及工件表面的光滑度。傳統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)，是通過編程軟件和后處理器，將多軸刀具路徑一次計(jì)算出，但是各軸旋轉(zhuǎn)分辨率和進(jìn)給量是預(yù)先設(shè)定好的，如果偏心距過大或者刀具過長(zhǎng)，遠(yuǎn)端刀尖的分辨率無法保持、各軸速度協(xié)調(diào)度很低、聯(lián)動(dòng)的精度無法保證，并且代碼文件相當(dāng)龐大。（5）編碼器回原點(diǎn)編碼器回原點(diǎn)功能是專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制必備的一項(xiàng)功能，以編碼器物理碼盤的Z信號(hào)作為定位，只要不松聯(lián)軸器，保證每次回零的坐標(biāo)系都是毫厘不差的。多軸機(jī)床如果沒有此項(xiàng)功能，每次加工之前必須打表校準(zhǔn)精度，非常麻煩運(yùn)行原理：需要回零的各軸，需各裝一只接近開關(guān)，可以是光電NPN的或是機(jī)械兩線式的，開機(jī)后按照所需順序依次點(diǎn)擊各軸回零，例如，X軸回零先向指定方向找接近開關(guān)的信號(hào)，再減速找最近的編碼器Z信號(hào)，然后設(shè)定為0點(diǎn)，建立的坐標(biāo)系，打一次表，記錄各軸的數(shù)值，就是零位偏差值。（6）OUT輸出MAC運(yùn)動(dòng)卡的繼電器輸出有8路，功能與指令如表1.1.1所示。輸出接口接線的方法分為：直接接線，輸出自帶0.3A隔離繼電器，如O1外接開關(guān)量控制只需接O1+0V；外部擴(kuò)展接線，外接繼電器。如24V繼電器正級(jí)接24V負(fù)極接0V表1.1.1OUT輸出功能與指令輸出功能指令O1主軸正傳ON:M03OFF:M05O2主軸反傳ON:M04OFF:M05O3主軸冷卻ON:M07OFF:M09O4切削液ON:M08OFF:M09O5自定義ON:M75OFF:M85O6伺服使能ON:M76OFF:M86O7主軸定向ON:M77OFF:M87O8主軸松刀ON:M78OFF:M88（7）DA輸出口隔離DA輸出口0-10v可直接接變頻器、伺服等外部調(diào)速端口。1、通過Aout和GND輸出0-10V模擬量電壓，連接主軸驅(qū)動(dòng)器的模擬量輸入端口。結(jié)合OUT輸出的O1和O2，實(shí)現(xiàn)電主軸正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的控制。通過電位器可微調(diào)模擬量電壓值，以達(dá)到最佳輸出效果。DA輸出口接線如圖1.1.8所示。圖1.1.8DA輸出口接線（8）輸入信號(hào)①I1-I6：RJ451-6軸R0②I8—I13:硬件回零信號(hào)接收端，可以接NPN型光電開關(guān)或著接機(jī)械開關(guān)。③I15：硬件限位，作為急停、超程、超程解除等接線。接常開開關(guān)時(shí)，并聯(lián)接入I15和GND。接常閉開關(guān)時(shí)，串聯(lián)接入I15和GND；硬件限位接線圖如圖1.1.9所示。④I16：外循環(huán)輸入。將外部循環(huán)按鈕接在I16和GND之間，短接啟動(dòng)。圖1.1.9硬件限位接線圖⑤I17：刀長(zhǎng)測(cè)試，當(dāng)接觸到信號(hào)后，刀具會(huì)移動(dòng)回原先的位置，如果測(cè)量刀長(zhǎng)結(jié)束后I17仍然接觸的話，控制卡內(nèi)部的保護(hù)會(huì)啟動(dòng)，鎖定控制卡功能，需要重啟控制卡才能解除錯(cuò)誤。（9）手輪輸出手輪輸出接口定義如表1.1.3所示：表1.1.3手輪接口定義表接口定義1+52GND3a4b10X11Y12Z13