微纳磨床数控系统规划与电主轴监控集成

摘要

数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备，它关系到国家发展的战略地位。微细切削技术作为一项新的工艺技术，其可加工材料的多样性以及可获得的超高零件精度，使国内外学术界和工业界对微细切削技术的研究越来越重视。东华大学先进制造中心研制的微纳磨床，用于高性能惯性导航关键件的精密微磨加工，论文重点围绕微纳磨床数控系统规划、电气控制系统配置、数控系统软件模块规划、电主轴建模与温度场分析和电主轴监控模块设计与实现五个方面开展了研究工作。在对微纳磨床的数控系统规划基础上，重点描述了微纳磨床电气控制系统配置和电主轴监控模块设计与实现过程。微纳磨床以数控系统为中心，使主轴系统、进给系统、数控系统和辅助设备协调统一工作，以实现对惯性导航关键件的精密加工。论文主要内容包括:
　　(1)根据微纳磨床总体设计要求，对微纳磨床数控系统进行了整体规划。在分析微纳磨床结构以及工作过程基础上，针对微纳磨床硬件的整体构成，设计了控制方案，主要是指微纳磨床进给轴和主轴的驱动方案和控制方案，以及微纳磨床的数控系统系统总体设计方案。
　　(2)基于微纳磨床数控系统的总体方案，确定了电气控制系统的配置，并对微纳磨床各零部件进行了对比分析与选型。
　　(3)在进行需求分析的基础上，对微纳磨床数控系统软件进行了规划，是指功能模块的划分、接口及其约束设计。
　　(4)电主轴建模与温度场分析。系统分析了不同条件下，电主轴工作过程中的温度场，对电主轴冷却效果、温度状态监测方法进行了研究，实现了电主轴转速状态监测与电主轴温度状态监控。对电主轴生热及影响其冷却效果的因素进行了系统分析。
　　(5)建立了PC与变频器、温控器之间的通讯连接，研制了电主轴监控模块，实现了对电主轴运行的控制与温度状态监测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 微细加工系统国内外研究现状

1．2．1 国外微细机械加工系统研究现状

1．2．2 国内微细加工系统研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 微纳磨床数控系统规划

1．3．2 数控系统总体功能规划

1．3．3 数控软件功能模块规划

1．3．4 电主轴有限元建模与温度场分析

1．3．5 电主轴监控模块设计与实验验证

第二章 微纳磨床数控系统规划

2．1 需求分析

2．2 微纳磨床功能规划

2．3 数控系统框架设计

2．4 数控系统选择

2．4．1 发那科数控系统

2．4．2 西门子数控系统

2．4．3 法国NUM数控系统

2．4．4 美国A3200数控系统

2．4．5 我国自主研发的数控系统

2．5 A3200数控系统的组成

2．5．1 硬件组成

2．5．2 软件组成

2．6 本章小结

第三章 电气控制系统配置

3．1 微纳磨床硬件构成

3．2 主轴系统配置

3．2．1 主轴系统基本要求

3．2．2 变频器配置

3．2．3 油气单元

3．2．4 主轴冷却设备

3．3 进给系统配置

3．4 辅助设备配置

3．5 本章小结

第四章 数控系统软件规划

4．1 需求分析

4．2 软件功能模块规划

4．2．1 功能部件控制模块

4．2．2 数控系统操作模块

4．2．3 机器人控制模块

4．2．4 刀具／工件测量模块

4．2．5 管理模块

4．2．6 工艺规程智能设计模块

4．3 软件功能模块的接口

4．4 功能模块关联性控制

4．5 本章小结

第五章 电主轴有限元建模与温度场分析

5．1 电主轴有限元建模

5．2 CFD在电主轴温度场分析中的应用

5．2．1 温度场分析方法的选择

5．2．2 CFD方法简介

5．3 电主轴有限元模型简化与温度场分析参数计算

5．4 电主轴温度场分析

5．4．1 工作模式对电主轴冷却效果影响

5．4．2 气隙尺寸对电主轴冷却效果影响

5．4．3 转速对电主轴冷却效果影响

5．4．4 冷却液流量对电主轴冷却效果影响

5．5 电主轴温度场分析总结

5．6 本章小结

第六章 电主轴监控模块设计与实验验证

6．1 功能需求设计

6．2 电主轴监控模块与硬件间通信协议

6．3 电主轴监控模块软件代码设计

6．4 电主轴监控软件设计

6．5 电主轴监控实验与结果分析

6．5．1 验证实验平台简介

6．5．2 验证实验方案

6．5．3 实验数据与分析

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文