數(shù)控機(jī)床技術(shù)分析

陳明耀（廣西玉林農(nóng)業(yè)學(xué)校，廣西 玉林 537000）

數(shù)控機(jī)床技術(shù)分析

陳明耀
（廣西玉林農(nóng)業(yè)學(xué)校，廣西 玉林 537000）

摘要：數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)和各坐標(biāo)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是提高機(jī)床加工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的前提和發(fā)展方向。隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和信息化水平的不斷提高，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械加工和制造行業(yè)之中取得了主導(dǎo)地位。然而在世界范圍內(nèi)，特別是在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，數(shù)控技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，是國家技術(shù)水平和綜合實(shí)力的標(biāo)志。本文將對數(shù)控技術(shù)在機(jī)床自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并初步探討數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；測量系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)發(fā)展

一、數(shù)控系統(tǒng)的基本組成和工作原理

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為NumericalControlSystem，縮寫為NC。然而，伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computerized numericalcontrol，簡稱CNC）由然而生。由于計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)CNC采用先進(jìn)的控制理念，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在機(jī)械加工和生產(chǎn)制造業(yè)之中。

1計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的基本組成。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，伺服控制系統(tǒng)和機(jī)床測量系統(tǒng)。在電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)中，使輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)為隨動(dòng)系統(tǒng)，也稱伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)它是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及功率驅(qū)動(dòng)放大器等各部件組成。檢測系統(tǒng)控制主要是對機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)和自由度坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

2計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的工作原理。CNC數(shù)控裝置是一個(gè)具有輸入輸出功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，按機(jī)床加工工藝程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令到伺服控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來自CNC的進(jìn)給脈沖，經(jīng)變換和放大，然后去驅(qū)動(dòng)機(jī)床各加工坐標(biāo)軸的伺服控制系統(tǒng)，使坐標(biāo)軸按指令脈沖進(jìn)行位置運(yùn)動(dòng)，我們常稱為坐標(biāo)軸進(jìn)給控制。然而，機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)控制與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制有很大的差別。主軸運(yùn)動(dòng)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滿足主軸調(diào)速及正反轉(zhuǎn)即可，但當(dāng)要求機(jī)床有螺紋加工功能、準(zhǔn)停功能和恒線速加工等功能時(shí)，就對主軸提出了相應(yīng)的位置控制要求。此時(shí)，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可稱為主軸伺服系統(tǒng)，只是控制比較簡單。檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測機(jī)械相對運(yùn)動(dòng)的直線位置和回轉(zhuǎn)位置以及運(yùn)行速度等信息，并將此信息反饋到數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，用來修正控制指令與機(jī)械運(yùn)行偏差，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部分按給定工藝參數(shù)運(yùn)行。

二、數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

1單坐標(biāo)軸和多軸坐標(biāo)聯(lián)合控制。根據(jù)被加工部件的工藝要求，數(shù)控機(jī)床可采用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)：直線、曲線、平面、曲面加工；也就是說各坐標(biāo)軸可以單坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)和多坐標(biāo)復(fù)合聯(lián)動(dòng)。當(dāng)各坐標(biāo)復(fù)合聯(lián)動(dòng)時(shí)，如坐標(biāo)五軸復(fù)合聯(lián)動(dòng)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)床立體加工。然而，各坐標(biāo)運(yùn)行功能，最終還是取決于數(shù)控機(jī)床的類型。目前而論，“數(shù)控加工中心”是數(shù)控機(jī)床之中完美的加工設(shè)備。

2精加工精度高。在數(shù)控系統(tǒng)之中，其測量系統(tǒng)所獲取的測量精度信息，主要是由編碼器實(shí)現(xiàn)的。無論是增量式位移編碼器還是絕對值式位移編碼器，它們的制造精度決定了數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。目前機(jī)床定位精度一般大于等于0.02mm，而數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)采用編碼器反饋控制后，其加工精度可以達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。

3加工能力智能化。數(shù)控機(jī)床對所加工部件的不同類型，顯示出多變的智能化適用性。特別是在制造業(yè)、加工業(yè)迅速發(fā)展的現(xiàn)在，由于市場需求在變；用戶個(gè)性化創(chuàng)意在變；產(chǎn)品的需求在變。原來批量化、單一化的加工生產(chǎn)模式，已經(jīng)不適應(yīng)市場需求和發(fā)展。為此機(jī)床加工業(yè)要有柔性，以適應(yīng)加工和制造業(yè)市場。而數(shù)控機(jī)床正具備了這種特質(zhì)，當(dāng)被加工部件工藝要求變化的時(shí)候，通過對數(shù)控機(jī)床計(jì)算機(jī)編程，來控制各坐標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而簡單快捷完成加工程序，充分體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床自適應(yīng)智能化特性。

4加工設(shè)備整體模塊化。（1）數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化控制部分。隨著世界加工業(yè)、制造業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，人們在不斷對設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行尋求和開發(fā)，使其整體結(jié)構(gòu)具備模塊化、小型化和更環(huán)保的特質(zhì)。目前CNC裝置已經(jīng)采用最新集成芯片電路，而且具備8軸控制功能。伺服系統(tǒng)也早已由分立的單電子元器件，實(shí)現(xiàn)集成模塊化。相同功率的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過集成模塊化后，其體積是集成模塊化前（分立元器件伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）體積的1/12。（2）機(jī)械傳動(dòng)部分。由于數(shù)控機(jī)床業(yè)的飛速發(fā)展，特別是伺服系統(tǒng)的不斷更新完善，使得機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)更簡潔。這是因?yàn)樗欧到y(tǒng)調(diào)速范圍很寬，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)8000r/min以上。為此機(jī)械傳動(dòng)比可以減小，由原來的多級齒輪傳動(dòng)，減少到一級或兩級齒輪傳動(dòng)。這使得小功率數(shù)控機(jī)床體積減小，實(shí)現(xiàn)了小型化。

三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展

1數(shù)控系統(tǒng)開放性。在應(yīng)用CNC計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床以前，數(shù)控系統(tǒng)CN是獨(dú)立封閉系統(tǒng)，設(shè)備的加工程序依據(jù)紙帶打孔讀取。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，原來的NC裝置已逐步被計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)CNC裝置所取代。CNC裝置數(shù)控系統(tǒng)的硬件具有的cpu、eprom、ram接口和數(shù)控位置控制器、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（mda）接口、視頻顯示（crt或lcd）接口和plc接口等。由于硬件接口特性，使得CNC裝置對外部設(shè)備I/O信息進(jìn)行采集和控制，從而為數(shù)控系統(tǒng)開放性奠定了基礎(chǔ)。

2數(shù)控系統(tǒng)管理軟件。數(shù)控系統(tǒng)管理軟件分為：管理軟件和控制軟件兩種。管理軟件用來采集I/O信息、位置信息、系統(tǒng)參數(shù)、編制程序、顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警記錄等?？刂栖浖脕韺Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、補(bǔ)償、編譯、速度和位置控制等。數(shù)控系統(tǒng)管理軟件是伺服系統(tǒng)以及其它硬件的指揮中心，也是通往物聯(lián)網(wǎng)的橋梁。

3物聯(lián)網(wǎng)特性。由于全球物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，給計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制打開了方便之門。通過對開放式數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)、以其適應(yīng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作等特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床終將成為網(wǎng)絡(luò)客戶端。從而可以使數(shù)控機(jī)床，既能實(shí)現(xiàn)多臺數(shù)控機(jī)床互聯(lián)網(wǎng)控制，又能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A