三坐标划线机控制系统设计
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摘要
在机械加工过程中,经常需要对工件进行钳工划线,以确定加工位置、进行钳工检查。划线时,通常使用游标卡尺、钳工划线盘、钢直尺等常用工具。此工序的精度将直接影响零件的加工精度。当零件尺寸较大、外形复杂时,划线精度低、效率低、操作者的劳动强度较大。研究合适的划线工艺装备是非常必要的。
随着计算机技术及数控技术的发展,CNC(computer numeric control)型控制系统变得日益普及,因此,设计数控型三坐标划线机取代人工划线将有助于提高生产效率,提高产品质量,代替传统的手工划线与测量作业,只需一次或两次装卡便可完成对工件的测量与划线。以研究中大型三坐标划线机为契机,着重解决工程中的问题,为研究制造精度更高的生产型测量机打下坚实的基础是很有必要的。
课题研究就是针对划线机的性能要求,分析其工作原理、软件功能、传动系统和控制系统等,设计选用控制器及步进电机等周边设备,从而实现划线机运动控制的功能。
本文首先分析划线机的工作原理与运动控制要求,采用机电一体化系统设计思想,对其整体造型、机械结构和控制系统进行了设计,选择了适合划线机的机械结构,设计了检测碰撞的划线头机构,在此基础上对划线机运动控制实现的关键技术进行深入的比较和剖析,选择了最合适的方案并给出了详细的说明,形成了设计方案。以可编程控制器(PLC)为控制核心,集中完成三轴联动控制信号和触摸屏串口通信信号的收发,在进行系统与外围设备配置时留有余地,以便进行二次开发。主控系统采用根据运动控制要求按程序进行集中运算处理,配以运动控制器、驱动器、步进电机等周边设备,实现了对三台步进电机驱动器输出逻辑控制,实现划线机运动控制的功能。为了提高控制精度,采用高精度的滚动丝杠,并利用编码器、运动控制器、驱动器形成闭环控制回路,实现三个坐标X、Y、Z的微量进给,并可实现数字调速。采用具有多个数据接口的专用运动控制器实现直线、圆弧插补,保证了系统工作的平稳性,提高划线机三坐标轴控制精度,增强划线机的适应性,并为下一步实现测量和数据处理做技术准备。控制系统采用触摸屏作人机界面,使用触摸屏组态软件设计出系统的操作和显示界面,实现了各种参数的设定和控制信息的动态显示,提高了系统的人机交互能力。
最后对本课题工作进行了总结,并对三坐标划线机的应用和改进研究进行了展望。
In the machining process, often need a bench worker use scriber mark lines on the work piece to determine the processing location and inspection. It normally used vernier caliper, fitter disc, steel ruler, and other frequently used tools. The accuracy of this process will be directly affected parts machining accuracy. When parts are larger, have complex shape, the worker requires a higher degree of knowledge drawing capability. It is easily to result in low precision, low efficiency, greater labor intensity. What’s more, high quality and automation have become its inexorable developing trend.
With the development of CNC technology and motor drive system, CNC (computer numeric control) control system has become increasingly popular. To design 3D CNC machine replace the manual operate will help improve production efficiency and improve product’s quality. NC-ASM(Automatic Scribing Machine)can be controlled by the main computer and PLC or joint control three coordinate axis automatic feed, automatic mark lines, but also to be completed cutting action.Take the studies of the large-scale NC-ASM as the turning point, solves the project problem emphatically, builds the solid foundation for the research of manufacture the higher precision measuring machine is necessity.
The topic research is aims at the NC-ASM performance requirement, analyzes its work principle, the software function, the transmission system, the control system and so on. The design selects the peripheral equipment, like the controller, the servo electrical machinery and so on .Thus the realization scriber movement control function, reduces the labor intensity greatly, enhances the production efficiency and the industry product quality.
This paper first analyzes the NC-ASM work principle and the movement control request, uses the integration of machinery system design methods, designed its overall modelling, the mechanism and the control system, chose the structure suited the scriber mechanism, designed examination and prevent collision structure, carried on the thorough comparison and the analysis in this foundation to the scriber movement control realization key technologies, has chosen the most appropriate plan and has given the detailed explanation, has formed the design proposal.
Use programmable logic controller (PLC) as the core to send or receive the three-axis control signal and touch screen communication signal. Control system in accordance with the requirements of motion control based on centralized processing procedures, together with the motion controller, drives, servo motors and other peripheral equipment, has realized the three stepper motors output logic control, achieved the motion control functions. In order to improve the control accuracy, use high-precision rolling screw, encoders, and motion controller, to form closed-loop control circuit, realized the three coordinates(X, Y, Z) micro-feed and digital speed control. The use of multiple data interface dedicated motion controller to achieve line interpolation, circular interpolation, and ensure the system working smoothly, improve control precision and enhance the machine adaptability. Control system use touch screen as Human Machine Interface, designed operate and display interface, to achieve a variety of settings and control parameters dynamic display, enhance the system human-computer interaction capacity.
Finally has carried on the summary, forecast three coordinate’s scriber machine application and the improvement research.
随着计算机技术及数控技术的发展,CNC(computer numeric control)型控制系统变得日益普及,因此,设计数控型三坐标划线机取代人工划线将有助于提高生产效率,提高产品质量,代替传统的手工划线与测量作业,只需一次或两次装卡便可完成对工件的测量与划线。以研究中大型三坐标划线机为契机,着重解决工程中的问题,为研究制造精度更高的生产型测量机打下坚实的基础是很有必要的。
课题研究就是针对划线机的性能要求,分析其工作原理、软件功能、传动系统和控制系统等,设计选用控制器及步进电机等周边设备,从而实现划线机运动控制的功能。
本文首先分析划线机的工作原理与运动控制要求,采用机电一体化系统设计思想,对其整体造型、机械结构和控制系统进行了设计,选择了适合划线机的机械结构,设计了检测碰撞的划线头机构,在此基础上对划线机运动控制实现的关键技术进行深入的比较和剖析,选择了最合适的方案并给出了详细的说明,形成了设计方案。以可编程控制器(PLC)为控制核心,集中完成三轴联动控制信号和触摸屏串口通信信号的收发,在进行系统与外围设备配置时留有余地,以便进行二次开发。主控系统采用根据运动控制要求按程序进行集中运算处理,配以运动控制器、驱动器、步进电机等周边设备,实现了对三台步进电机驱动器输出逻辑控制,实现划线机运动控制的功能。为了提高控制精度,采用高精度的滚动丝杠,并利用编码器、运动控制器、驱动器形成闭环控制回路,实现三个坐标X、Y、Z的微量进给,并可实现数字调速。采用具有多个数据接口的专用运动控制器实现直线、圆弧插补,保证了系统工作的平稳性,提高划线机三坐标轴控制精度,增强划线机的适应性,并为下一步实现测量和数据处理做技术准备。控制系统采用触摸屏作人机界面,使用触摸屏组态软件设计出系统的操作和显示界面,实现了各种参数的设定和控制信息的动态显示,提高了系统的人机交互能力。
最后对本课题工作进行了总结,并对三坐标划线机的应用和改进研究进行了展望。
In the machining process, often need a bench worker use scriber mark lines on the work piece to determine the processing location and inspection. It normally used vernier caliper, fitter disc, steel ruler, and other frequently used tools. The accuracy of this process will be directly affected parts machining accuracy. When parts are larger, have complex shape, the worker requires a higher degree of knowledge drawing capability. It is easily to result in low precision, low efficiency, greater labor intensity. What’s more, high quality and automation have become its inexorable developing trend.
With the development of CNC technology and motor drive system, CNC (computer numeric control) control system has become increasingly popular. To design 3D CNC machine replace the manual operate will help improve production efficiency and improve product’s quality. NC-ASM(Automatic Scribing Machine)can be controlled by the main computer and PLC or joint control three coordinate axis automatic feed, automatic mark lines, but also to be completed cutting action.Take the studies of the large-scale NC-ASM as the turning point, solves the project problem emphatically, builds the solid foundation for the research of manufacture the higher precision measuring machine is necessity.
The topic research is aims at the NC-ASM performance requirement, analyzes its work principle, the software function, the transmission system, the control system and so on. The design selects the peripheral equipment, like the controller, the servo electrical machinery and so on .Thus the realization scriber movement control function, reduces the labor intensity greatly, enhances the production efficiency and the industry product quality.
This paper first analyzes the NC-ASM work principle and the movement control request, uses the integration of machinery system design methods, designed its overall modelling, the mechanism and the control system, chose the structure suited the scriber mechanism, designed examination and prevent collision structure, carried on the thorough comparison and the analysis in this foundation to the scriber movement control realization key technologies, has chosen the most appropriate plan and has given the detailed explanation, has formed the design proposal.
Use programmable logic controller (PLC) as the core to send or receive the three-axis control signal and touch screen communication signal. Control system in accordance with the requirements of motion control based on centralized processing procedures, together with the motion controller, drives, servo motors and other peripheral equipment, has realized the three stepper motors output logic control, achieved the motion control functions. In order to improve the control accuracy, use high-precision rolling screw, encoders, and motion controller, to form closed-loop control circuit, realized the three coordinates(X, Y, Z) micro-feed and digital speed control. The use of multiple data interface dedicated motion controller to achieve line interpolation, circular interpolation, and ensure the system working smoothly, improve control precision and enhance the machine adaptability. Control system use touch screen as Human Machine Interface, designed operate and display interface, to achieve a variety of settings and control parameters dynamic display, enhance the system human-computer interaction capacity.
Finally has carried on the summary, forecast three coordinate’s scriber machine application and the improvement research.
引文
[1]张培忠主编.柔性制造系统[M].北京:机械工业出版社,1998.
[2]郭慧明,等.著.三坐标测量机[M].国防工业出版社,1984.
[3]张国雄主编.三坐标测量机[M].天津:天津大学出版社,1999.
[4]王更新.国外三坐标测量系统发展动向[J].世界产品与技术,1998(3).
[5]吴文炳.三坐标测量机发展现状和趋势[J].航空精密制造技术,1991(5).
[6]安卫.三坐标测量机的误差校正、检定与改装技术的现状和发展动态[J].航空精密制造技术,1996(2).
[7]刘祚时,倪潇娟.三坐标测量机(CMM)的现状和发展趋势[J].机械制造,2004.8第42卷第480期.
[8]荣烈润.三坐标测量机的现状和发展动向[J].机电一体化,2001年第6期.
[9]刘得军,车仁生,等.坐标测量机的新发展[J].光学精密工程,2000.10,497-500.
[10]章立军,费业泰,汤辉.基于VC的可移动三坐标测量机[J].控制与检测,2005年第10期.
[11]邹绪春,周姝,等.CLY型水平臂式三坐标测量机[J].实用测试技术,2002年5月第3期.
[12]郝健.中大型ZOO3L数控三坐标测量机项目的开发[D].天津大学,2004.6.
[13]张春梅,冯永涛,彭东明.三坐标测量机轴平衡系统综述[J].航空精密制造技术,第39卷第4期.
[14]梁荣茗.三坐标测量机的设计、使用、维修与检定[M].北京:中国计量出版社,2000.
[15]李明颖,金艳.三坐标测量机的综合精度分析[J].农机化研究,2005.7,vol 4.
[16]费业泰,卢荣胜.动态测量误差修正原理与技术[M].北京:计量出版社,2001.56- 100.
[17]Weekes W G,Schell kens P H J.Assessment of dynamic errors of CMM’s for fast probing. annals of the CIRP,1995,45:197-209
[18]董晨松,等.用激光干涉仪测量坐标测量机的动态特性[J].天津大学学报,1998,31(5): 621-626.
[19]陈维方.行政院国家科学委员会专题研究计划成果报告.三次元量测仪动态误差之研究.
[20]W.G.Weekers,P.H.J.Schellekens Compensation for Dynamic errors of coordinate measuring machines.1997,20(3):197-209.
[21]C.Dong et al.Prediction and compensation of dynamic errors for coordinate measuring machines.ASME Transactions,2002,124(3):509-514.
[22]Vermeulen M.M,et al.Design of a High-precision 3D-Coordinate Measuring Machine.CIPR ann. 47(1):447-450.
[23]吴文炳.坐标测量机精度及其评定方法研究[J].工具技术,1997,vol 2.
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[25]张建民,等.机电一体化系统设计(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2007.7.
[26]赵松年,张奇鹏.机电一体化机械系统设计[M].北京:机械工业出版社,1996.6.
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[32]姜雅彦.QIC_三坐标测量机数控系统[D].天津大学,2004.6.
[33]陈慧娥.玻璃切割机运动控制器软件设计[D].上海交通大学,2007.2.
[34]彭子龙.基于IPC的数控火焰切割机数控系统开发[D].哈尔滨理工大学,2006.2.
[35]彭鸿启.小型精密切割机的研究[D].河北农业大学,2008.6.
[36]沈于林.大型轧辊切割机的研究和设计[D].河北农业大学,2008.6.
[37]庞振基,黄其圣.精密机械设计[M].北京:机械工业出版社,2003.7,114-127.
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[49]OMRON公司.OMRONCP1H系列PLC使用说明.OMRON公司,2003.
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[51]A.A.Verwer.Teaching Open Standards for PLC Programming.Delivery of a New Engineering Discipline into the Workplace[J].IEE Colloquium on 26 Mar,1996,Page:7/1-7/7.
[52]厦门华菱工控技术有限公司.EasySmc2100步进--三轴伺服控制器使用说明书
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[60]Wang Pengfei,You Bo. Development of blending step motor driver based on L297/298 chip. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2003,vol8(4): 40-43.
[61]王玉琳.步进电机可变细分驱动器.微特电机.2005年第4期,28-30.
[62]The Step Motor-The Next Advance in control systems. R.Bruce.KIEBURITZ.
[63]周德广.增量式旋转光电编码器.信息与控制出版社,1982.
[64]OMRON公司.OMRON旋转编码器手册.
[61]周青,危韧勇,等.基于PLC和触摸屏的同步发电机励磁调节器.大众用电, 2005.06.
[62]郑圣德.触摸屏的类型用途及工艺.电子工艺技术,2005.5,第26卷第3期.
[63]殷华文.触摸屏监控器在PLC控制中的应用.电气自动化,2001(2).
[64]张恩宜,张爱红.触摸屏技术的发展与应用.山东师范大学学报,2002.1.
[65]许桂华.触摸屏技术特征.现代通信,2000.6.
[66]杨邦朝,张治安.触摸屏技术及应用.电子世界,2003.2.
[67]岳庆来,周峰,吴启宏,胡红.变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术.北京:机械工业出版社,2007,441-446.
[68]MT506L.中文说明书.
[69]刘燕.触摸屏与PLC的通信与连接.自动化与仪器仪表,2002.4.
[70]马红旗.触摸屏在PLC中的应用.机电一体化,2003.4.
[71]人机界面的组态工具EasyBuilder500软件操作说明书.
[72]邹进,甘永梅,肖煦媛,王兆安.触摸屏控制系统组态软件设计与实现.工业控制计算机, 2005,vol 18.
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[2]郭慧明,等.著.三坐标测量机[M].国防工业出版社,1984.
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