体叶盘五坐标数控抛光机设计与应用

第１０卷第９期２０１０年３月１６７１．１８１５（２０１０）０９．２０６１．０５科学技术与工程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．１０Ｎｏ．９ＭＲｒ．２０１０＠２０１０Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎ伊ａｇ．矿冶技术整体叶盘五坐标数控抛光机设计与应用杨小芳史耀耀‘段继豪何晓东（西北工业大学，现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安７１００７２）摘要整体叶盘是典型的复杂、薄壁、整体化新型结构件，其表面抛光质量和抛光精度会显著影响其使用寿命和性能。

着重针对数控抛光机床所涉及的关键部件设计与应用做了深入的研究与探讨，并对五坐标数控抛光机设计中遇到的几个问题，包括数控系统、伺服电机的选择以及整个机床的电气控制系统的设计做了较详细的介绍，并设计出适用于整体叶盘表面抛光的原理样机。

经初步实验验证该样机能满足整体叶盘表面抛光质量的要求。

关键词整体叶盘五坐标数控抛光机伺服电机电气控制中图法分类号ＴＨ６ＴＨｌ６４；文献标志码Ａ五坐标数控抛光机是针对整体叶盘的结构特点而研制的专用装备，抛光机床设计中所涉及的关键部件如数控系统、伺服电机等则是机床实现数字化、自动化、柔性化生产的基础部件。

大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖”重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，从而全面提升我国基础制造装备的核心竞争力。

１五坐标数控系统的选型１．１对数控系统的要求五坐标数控抛光机是进行新型航空发动机研制不可或缺的重要装备之一，是整体叶盘、叶片等航空精密结构件进行精加工的专用装备，代表的是先进制造技术的最前沿，因此本机床在选用数控系２００９年１２月２１日收到国家科技攻关计划资助第一作者简介：杨小芳（１９８４一），男，硕士。

研究方向：机电一体化与机器人。

Ｅ—ｍａｉｌ：ｋ吖ｉｎ３２５２２０＠１６３．ＢＯｌｎ。

‘通信作者简介：史耀耀（１９５９一），男，教授，博导。

研究方向：机电控制及自动化、ＣＡＤ／ＣＡＭ技术。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｙｙ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

统时，首先考虑的是数控系统的先进性。

不应选那些已经或将要被淘汰的产品，而要尽量选择先进，能代表当前主流技术的产品，不然用不了多长时间又要进行产品更新。

而这类主流产品能很好的适应当前数控机床发展的需要，同时也不会使研制出来的机床在短时间内被淘汰。

先进的产品具有更加强大的功能，但并不是越先进，功能越多的越好，随着功能的增加，其价格必然越昂贵，维护成本也越高，系统也更加复杂，在实际应用中会产生一定的难度，同时，除了考虑到产品的本身价值，还要比较售后服务的优劣，维修成本的高低。

１．１．１设计时需要比较各数控系统的性能指标（１）分辨率——位移检测系统能够测量的最小位移量称作分辨率，该性能直接影响到机床性能；（２）快速进给——进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，反映机床快速响应能力；（３）可控轴与联动轴数——反映数控系统可控轴的多少；（４）通信功能——反映系统与外部的沟通能力，方式及接口等能力；（５）主ＣＰＵ性能——反映数控系统执行程序时的表现，并与进给系统相协调；（６）自诊断功能——系统出现故障时的自我诊断能力。

２０６２科学技术与工程１０卷本数控抛光机采用Ｘ、ｙ、ｚ、Ａ、Ｃ五个坐标。

主轴采用电主轴变频器控制方式，抛光压力系统采用气压伺服连续闭环控制，在进行整体叶盘抛光时，Ｘ、ｙ、Ｚ、Ａ、Ｃ五轴联动。

１．１．２对五坐标抛光机数控系统的要求（１）五轴五联动，半闭环控制方式；（２）压力控制，自动恒压闭合回路控制；（３）具有圆弧插补功能；（４）能与上位机串行通信；（５）具有Ｉ／Ｏ开关量控制功能；（６）具有连动，点动两种方式。

１．２数控系统分析与选用目前世界上比较著名的数控系统有日本的ＦＡＮＵＣ、德国的ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ、法国的ＮＵＭ、意大利的ＦＩＤＩＡ、美国的Ａ—Ｂ等。

而在可供选择的数控系统中性能高低差别较大，这直接影响到设备的价格构成与控制精度，因此不能片面追求高水平、高性能、新系统，而应以满足机床的性能为主，对系统性能和价格等作一个综合分析，选用合适的数控系统。

１．２．１ＳＩＥＭＥＮＳ系统德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司是世界上最大的电器产品公司之一，其数控系统的注册商标为ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ，用于机床加工设备的控制。

西门子数控系统采用模块化结构设计，在一种标准硬件上配置多种软件，使他具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品，随着微电子技术的发展，新的系统结构将更加紧凑，性能更强，价格更低，并将具有丰富的人机对话功能，支持多种语言显示。

西门子的工业控制设备在欧洲占有主导地位，在世界上也享有盛誉，我国也有很多的用户。

ＳＩＥＭＥＮＳ各个系统比较如表１所示。

表１ＳＩＥＭＥＮＳ数控系统比较１．２．２ＦＡＮＵＣ数控系统ＦＡＮＵＣ系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。

ＦＡＮＵＣ系统进入中国市场有着非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有ＦＡＮＵＣＯ、ＦＡＮＵＣｌ６、ＦＡＮＵＣｌ８、ＦＡＮＵＣ２１等。

在这些型号中，使用最为广泛的是ＦＡＮＵＣ０系列。

系统在设计中大量采用模块化结构。

这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。

ＦＡＮＵＣ系统设计了比较健全的自我保护电路。

ＰＭＣ信号和ＰＭＣ功能指令极为丰富，便于机床厂商编制ＰＭＣ控制程序，而且增加了编程的灵活性。

系统提供串行ＲＳ２３２Ｃ接口，以太网接口，能够完成ＰＣ和机床之间的数据传输。

ＦＡＮＵＣ系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。

ＦＡＮＵＣ系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。

１．２．３数控系统的选用目前在国内，数控系统占有率较高的就是ＳＩＥ．ＭＥＮＳ、ＦＡＮＵＣ这两种数控系统，而国产数控系统在产品质量上，技术性能上和国外的数控系统仍有不小的差距。

就ＳＩＥＭＥＮＳ和ＦＡＮＵＣ这两种系统而言，ＳＩＥＭＥＮＳ系统，功能强大，集成化高，对多轴的控制有着优越的条件，而这些方面都更符合数控抛光机的使用。

基于本五坐标数控抛光机的多轴联动性，数字化集成性，经过分析调研讨论，本文决定选用ＳＩＥＭＥＮＳ数控系统的８４０Ｄ系统。

２伺服电机的选用２．１伺服驱动装置的要求机床工作台的运动，加工刀具的进给都由伺服系统的执行单元—伺服电机来实现。

而机床精度和加工质量对伺服电机的要求，通常有以下几个方面。

（１）高精度。

要求输出量能复现输入量的精确程度。

为提高加工的稳定性、一致性，降低废品率，９期杨小芳，等：整体叶盘五坐标数控抛光机设计与应用需要保证机床的定位和重复定位精度。

对磨床而言，轮廓精度和定位精度要求较高，当多轴联动加工时，还要求协调控制各个坐标轴。

（２）高稳定性。

指系统在给定输入或有外界干扰作用下，能迅速恢复平衡状态的能力。

磨削加工中，系统必须保证进给速度均匀平稳，以确保加工精度和表面粗糙度。

（３）快速响应能力。

快速响应能力是伺服系统动态特性的重要指标，它反映了系统快速响应的速度。

７、『（４）调速范围。

调速范围月＝≯。

Ⅳ蛐是生』Ｔ““产机械要求电机提供的最高转速。

Ⅳ面。

是生产机械要求电机提供的最低转速。

调速范围与伺服系统分辨率有关，一般的调速范围要求在脉冲当量为０．００１ｈｉｍ时达到（０—２４）ｍ／ｍｉｎ。

进给系统的调速分为三种情况：（１—２４ｏｏｏ）ｍｍ／ｍｉｎ，即１：２４０００调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小；在１ｒａｍ／ｒａｉｎ以下，具有一定的瞬时速度，平均速度低；零速时，工作台停止运动，电机保持电磁转矩，以维持定位精度，即要求电机处于伺服锁紧状态。

２．２交流伺服电机的运行特性分析２．２．１机械特性交流伺服电机的机械特性如图１所示。

在一定负载转矩瓦下，控制电压％越大，则转速ｎ越高；在一定控制电压下，负载转距加大，转速下降。

另外，特性曲线的斜率也随控制电压的大小不同而变化，表现为机械特性变软。

这一点，对交流伺服电机为执行元件的控制系统的稳定性是不利的。

交流伺服电机的输出功率，一般在（０．１—１００）ｗ之间，电源频率有５０Ｈｚ和４００Ｈｚ等。

２．２．２调节特性交流伺服电机的调节特性，可由机械特性得到，如图２所示。

该调节特性属幅值控制，即改变控制电压巩的大小，电动机转速随之改变。

从图中看到，幅值控制的调节特性也不是直线，只有当ｎ较低时才近似为直线。

因此，交流伺服电机在伺服系统中为保证系统动态误差要求，应尽量使伺服电机的调节特性处于ｎ较小的区域。

为此，许多交流伺服电机采用４００Ｈｚ的交流电源，以提高其同步转速‰。

Ｏ０图１为常数时ｎ＝火Ｔ）图２调节特性从调节特性还可以看出。

负载转距大时，初始起动电压也高。

由于交流伺服电机输出功率Ｐ：＝死∞一％，在控制电压％一定的条件下，若转速低，即∞小，输出功率尸２也很小，若转速接近理想空载转速时，虽然∞高，但ｒ很小，输出功率也不大。

只当负载转距为电机的额定转距％，而转速也达到额定转速ｎⅣ时，电机可输出最大功率。

规定为电机的额定输出功率ＰⅣ。

所以交流伺服电机的额定输出功率的规定方法与普通电机是不同的。

２．３伺服电机的选择由于直流伺服电机存在机械换向器，转子容易发热，易影响与其连接的丝杠精度，且电机的高速运行和大容量设计均受机械换向器的限制。

而交流伺服驱动系统是近年来发展的一种新型系统。

电力电子器件组成的逆变器以及微电子器件对逆变器的灵活控制，从而取代了机械换向器，并使得交流伺服系统达到了直流伺服系统的控制功能。

交流电机的结构简单，成本低，使用可靠，基本上无需维修。

另外，工厂均使用交流电网供电，如果选用直流电动机则需增设直流电源或整流设备，费用高。

基于交流伺服电机的优良性能，本文所设计的五坐标机床进给伺服系统均为西门子交流伺服电机。

３机床电气控制系统设计在数控机床高度发展的今天，机床电气控制技术发展得越来越成熟，机床电气控制的地位和作用科学技术与工程１０卷也日益重要。

而机床的精度不仅取决于机械部分，电气控制也是十分重要的要素。

影响整体叶盘抛光质量的主要工艺参数有：抛光刀具的质量、各伺服轴的运动控制精度、抛光压力、刀具与工件的接触状况等等，而这些因素是紧密联系在一起的，在抛光过程中，刀具与工件之间的接触压力是影响抛光质量的决定性因素。

因此。

在五坐标数控抛光机的设计过程中，除对抛光速度需精确控制外，还设有刀具压力控制系统，尽可能的提高机床控制精度，以提高产品的抛光质量。

因此，高精度控制系统在五坐标数控抛光机的设计过程中占据了举足轻重的作用。

抛光机电气控制系统主要功能包括对各个伺服轴的精确控制，抛光过程中物理参数监测及与数控系统的通讯。