基于UMAC的超精密车铣复合机床数控系统的研制-机械工程专业论文.docx

Classified Index: TG519.3 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON CNC SYSTEM OF A ULTRA-PRECISION LATHE MILLING MACHINE TOOL BASED ON UMAC Candidate： Wang Mingyang Supervisor： Associate Prof.Han Zhenyu Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechanical Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 要 为了提高复杂异形工件的加工效率和加工精度，工程界一直在探索高效的超 精密加工工艺方法，车铣复合加工技术是处于创新发展之中的解决方案之一。复 合的加工模式和对表面质量的高精度要求，决定了其加工工艺的复杂性。当前， 西方发达国家已经研制出车铣磨一体机床的数控系统，并已用于复杂结构零件的 加工，如微结构形面等，可以实现纳米级的表面粗糙度。但是国外成熟的数控系 统价格昂贵，国内对超精密车铣复合机床数控系统的研制尚处于起步阶段，与国 外系统在控制精度、稳定性及精度保持性等方面还有较大差距。因此，对超精密 车铣复合加工机床数控系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文首先针对超精密车铣复合加工机床的功能及控制需求，基于 UMAC 的运 动控制器搭建了车铣复合机床控制系统的硬件平台。采用开放式数控系统结构形 式。该平台采用传统 PC 机作为上位机实现与用户的交互，运动控制卡作为下位机 进行运算处理，具有保证了用户软件兼容性的同时，保证运算处理实时性及有优 良可扩展性的特点。系统软件方面，利用 VC++6.0 编写了上位机交互界面，开发 了通讯、采集、手动控制、程序下载等基础模块，完成了数控系统软件的开发工 作。 其次，在分析了机电系统控制原理的基础上，结合 UMAC 运动控制卡的 PID 伺服环节对主轴及直线运动轴进行伺服参数优化。利用手动调整参数的方法，对 系统的主轴及直线轴做阶跃响应及抛物线响应优化系统的动态和稳态特性，满足 了机床的性能指标，降低系统的跟随误差。 最后，开展了数控机床的端面车削实验、外圆车削实验、以及正弦柱面微结 构加工实验。实验结果表明了所研制的数控系统可以实现端面、外圆及微结构的 加工，且性能稳定、可靠。 本文在数控系统的硬件平台搭建、交互软件设计、伺服系统 PID 调节以及加 工验证实验等方面取得的成果，对其他类型的超精密机床控制系统的研制也具有 参考的价值。 关键词：车铣复合；UMAC 运动控制卡；数控系统；PID 调试 Abstract In order to improve processing efficiency and precision of the complex workpiece, a more efficient method of ultra-precision processing technology has been explored in the engineering field. Lathe milling machining technology is one of the developping innovational methods. Complex processing model and high precsion requirement for the surface lead to the complexity of the processing technology. Currently, the developped countries have researched CNC systems for the high precision machine used for milling turning and grinding. This kind of technology has been used for the micro-structure workpiece. However, foreign mature CNC systems are very expensive, at the same time, the research