數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用

1、摘要：數(shù)控技術(shù)在當今制造業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位。本文以數(shù)控火焰切割機為例，介紹了數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù) 制造業(yè) 數(shù)控火焰切割機1 數(shù)控技術(shù)的概況1.1 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀計算機的發(fā)明與應(yīng)用是20世紀人類社會最偉大的科技成果，而計算機及控制技術(shù)在機械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進步。數(shù)控技術(shù)是一門集計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、現(xiàn)代機械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多學科交叉的綜合技術(shù)，是近年來應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術(shù)。它是為適應(yīng)高精度、高速度、復(fù)雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的基

2、礎(chǔ)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。在機械制造業(yè)中，數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)越來越受到重視。隨著計算機技術(shù)為主流的現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展和市場產(chǎn)品競爭的加劇，傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)很難滿足現(xiàn)代產(chǎn)品多樣化的發(fā)展和日新月異的換代速度，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展從第一臺數(shù)控機床開發(fā)成功到現(xiàn)在已有50多年的歷史，由傳統(tǒng)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)今的開放式PC數(shù)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)的計算機數(shù)控系統(tǒng)，由于采用封閉的體系結(jié)構(gòu)，它的通用性、軟件移植性、功能擴展和維修都比較困難。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模

3、式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)，采用軟件模塊化的體系結(jié)構(gòu)，顯示了優(yōu)良的性能，能適應(yīng)各種計算機的軟件平臺，具有統(tǒng)一風格的用戶交互環(huán)境，操作、維護、更新?lián)Q代和軟件開發(fā)都比較方便，具有較高的性能價格比，已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。2 機械制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用2.1 機床設(shè)備機床設(shè)備是機械制造中的重中之重，面對現(xiàn)代機械制造業(yè)的需求，具備了控制能力的機床設(shè)備是現(xiàn)代機電一體化產(chǎn)品的重要組成部分。計算機數(shù)控技術(shù)為機械制造業(yè)提供了良好的機床控制能力，即把計算機控制裝置運用到機床上，也就是用數(shù)控技術(shù)對機床的加工實施控制，這樣的機床就是數(shù)控機床。2.1.1 數(shù)控機床的組成機床I/Q

4、電路和裝置測量裝置操作臺PLC主軸伺服單元主軸驅(qū)動裝置機床主 進運 給動 傳機 動構(gòu) 機構(gòu)數(shù) 控裝 置輸入/輸出 設(shè)備進給伺服單元進給驅(qū)動裝置2.1.2 數(shù)控機床的工作原理除機床本體之外的部分統(tǒng)稱為計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)。首先根據(jù)零件圖制定工藝方案，采用手工或計算機進行零件程序的編制，并把編好的零件程序存放于某種控制介質(zhì)中。然后經(jīng)相應(yīng)的輸入裝置把存放在該介質(zhì)上的零件程序輸入至CNC裝置。CNC裝置根據(jù)輸入的零件程序和操作指令進行相應(yīng)的處理，輸入位置控制指令到進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)以實現(xiàn)刀具和工件的相對移動，輸出速度控制指令到主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)以實現(xiàn)切削，輸出M、S、T指令到PLC以實現(xiàn)順序動作的開關(guān)

5、量I/Q控制，從而加工出圖紙要求的零件。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品

6、加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，己不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程。2.2 基于工業(yè)計算機的數(shù)控火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)在機床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)計算機，發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為國際研究的熱點，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流。工業(yè)計算機與個人計算機兼容，因此可以吸收計算機發(fā)展的最新成果，從而簡化數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。2.2.1 數(shù)控火焰切割機加工工藝特點數(shù)控火焰切割機具有一般數(shù)控機床的特點，能根據(jù)數(shù)控加工程序，自動完成從點火-預(yù)熱-通切割氧-切割-熄火-返回原點的整套切割過程。但數(shù)控火焰切割

7、機又有別于一般數(shù)控金屬切削機床，它利用氧-乙炔火焰把鋼板割縫加熱到熔融狀態(tài)，用高壓氧吹透鋼板進行切割，而不像金屬切削機床那樣，是用金屬切削工具與工件剛性接觸來進行切削加工。由于各種因素的影響，有時會發(fā)生鋼板未割穿的現(xiàn)象，此時割炬應(yīng)暫停下來按原軌跡準確地返回到未割穿點，再按原軌跡重新切割，因此數(shù)控火焰切割機必須具有隨時實現(xiàn)暫停及按原軌跡返回的功能。2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計組成該數(shù)控火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)的硬件，主要包括工業(yè)PC機、運動控制卡和伺服系統(tǒng)。其中工業(yè)PC機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它擔負著切割機運動軌跡的計算（粗插補）以及對整個系統(tǒng)管理的任務(wù)。運動控制卡插在工業(yè)PC機的擴展槽中，它一方面與伺服

8、系統(tǒng)相連，實現(xiàn)對切割機運動軌跡的控制（精插補）；另一方面與機床控制面板及控制氣源的繼電器相連，通過控制面板，可以調(diào)整機床的位置，指令機床啟動、暫?；蜓卦懈钴壽E返回，還能實現(xiàn)切割速度的加速與減速；通過繼電器，可以控制氧氣和乙炔氣體的開關(guān)。伺服系統(tǒng)可以選擇步進伺服系統(tǒng)或數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。運動控制卡由自己設(shè)計，它主要包括譯碼電路、振蕩電路、IO端口電路、脈沖控制電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路。其中譯碼電路為運動控制卡提供一個接口地址段，通過撥碼開關(guān)可以更改該地址段的范圍；振蕩電路為運動控制卡上的脈沖控制電路提供一個固定頻率的脈沖源；I/O端口電路由兩片8255并行口芯片組成，其主要作用是

9、輸出切割機氣源控制信號及輸入機床按鈕信號；脈沖控制電路由兩片8254計數(shù)器組成，每片8254計數(shù)器分別控制一個軸的伺服電機；中斷電路是為控制軟件提供硬件中斷信號而設(shè)計的；光電隔離輸出輸入電路將工業(yè)PC機電源和外界電源隔離，減少外界電源對計算機的干擾。2.2.3 控制軟件設(shè)計控制軟件是整個數(shù)控系統(tǒng)的靈魂，離開了軟件，數(shù)控系統(tǒng)便無法運行。根據(jù)切割加工工藝的要求，同時又能充分發(fā)揮工業(yè)PC機的優(yōu)點，該切割機的控制軟件按以下模塊化方式來設(shè)計。（1）界面設(shè)計該控制軟件的界面分成三個區(qū)域：圖形仿真跟蹤區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)以及操作說明區(qū)。圖形仿真跟蹤區(qū)用于顯示數(shù)控加工文件所指定零件的圖樣，并在切割過程中跟蹤割炬的運

10、動軌跡；狀態(tài)顯示區(qū)顯示切割機目前的狀態(tài)參數(shù)，如切割速度、割炬當前坐標等；操作說明區(qū)簡要介紹各種功能所對應(yīng)的熱鍵，如暫停、返回、加減速及點動等功能的熱鍵。熱鍵的功能與操作面板上按鈕的功能相同。（2）系統(tǒng)初始化及切割等待由于運動控制卡上的8255并行口和8254計數(shù)器均屬于可編程序芯片，因此，在它們工作前必須對它們進行初始化，按照工作方式確定它們的控制字。在初始化以后，系統(tǒng)便處于切割等待狀態(tài)，此時可以調(diào)整機床的位置、檢驗自動點火裝置以及通氣用的電磁閥是否工作正常。（3）程序檢驗及圖形仿真當數(shù)控加工程序指定以后，首先要檢驗輸入的數(shù)據(jù)文件是否符合規(guī)定的要求，一旦發(fā)現(xiàn)指定的文件中有非法的指令，則退出控制

11、程序，并提示編程人員哪一行出現(xiàn)哪一種類型的錯誤，編程人員修改好數(shù)控加工程序以后，可繼續(xù)進入控制程序。如果數(shù)控加工程序正確，系統(tǒng)便將讀入的數(shù)控加工程序經(jīng)過處理在圖形仿真區(qū)中畫出零件圖形，無論零件有多大或多小，系統(tǒng)都能自動按比例縮放。（4）數(shù)控加工程序處理為了節(jié)省計算機在插補過程中的運算時間，在正式插補前對數(shù)控加工程序作一些預(yù)處理是十分必要的，預(yù)處理主要包括長直線段的預(yù)處理和圓弧的預(yù)處理。由于運動控制卡一次計數(shù)的范圍有限，因此當長直線段超出計數(shù)器的計數(shù)范圍時，須將長直線段分解成若干段小直線段，防止計數(shù)值溢出。又由于運動控制卡不能直接用來對圓弧進行插補，因此必須在誤差允許的范圍內(nèi)將圓弧分解成小直線段

12、，在相同誤差范圍內(nèi)，該方法對圓弧的分解是最為有效的。從實際出發(fā)，我們選擇最大的誤差為1BLU，即EH=ER=1BLU，則在計算出小直線段對應(yīng)的圓弧夾角后，便可通過幾何關(guān)系計算出從圓弧起點到終點各小直線段的節(jié)點坐標。（5）插補控制及軌跡的動態(tài)跟蹤在插補過程中，計算機一方面根據(jù)數(shù)控加工程序中的數(shù)值以及各軸的脈沖當量計算出X軸、Y軸的脈沖數(shù)；另一方面根據(jù)指定的切割速度，計算出各軸的分頻系數(shù)。并在上一條指令執(zhí)行結(jié)束時，將計算出的脈沖數(shù)和分頻系數(shù)送到對應(yīng)8254計數(shù)器的對應(yīng)通道。另外，計算機通過不停地讀回8254計數(shù)器的計數(shù)值，得到剩余的脈沖數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到割炬當前的屏幕坐標，并用小箭頭指示。因此從

13、顯示屏上，操作者可以清楚地看到當前的切割位置。（6）按原軌跡返回功能的實現(xiàn)在切割過程中，若發(fā)現(xiàn)有未割穿的情況，此時可以按下暫停鍵，暫時中斷切割并自動關(guān)閉切割氧；再按下返回鍵，割炬便準確地按原軌跡返回；待割炬返回到未割穿點以后，再次按下暫停鍵并按啟動鍵，切割機便自動打開切割氧，重新進行切割。在按下返回鍵時，計算機便從運動控制卡上的8254計數(shù)器中讀回剩余的脈沖數(shù)，與原來的脈沖數(shù)進行比較，將差值送回8254計數(shù)器，并使方向信號反相，這樣便使割炬按原軌跡返回。在該指令結(jié)束時，使系統(tǒng)指回上一條指令，從而實現(xiàn)線段之間的連續(xù)返回。在返回過程中，指示割炬位置的小箭頭也按原軌跡返回。（7）系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理是用

14、來在切割過程中對整個系統(tǒng)的管理，包括暫停、啟動、退出、升降速的控制以及對限位信號的處理。該數(shù)控系統(tǒng)具有良好的人機界面及切割軌跡的動態(tài)跟蹤功能，使用操作十分方便，適合于工業(yè)現(xiàn)場使用。與原有的單片機數(shù)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)取消了紙帶穿孔機和紙帶閱讀機，消除了由此產(chǎn)生的故障，提高了系統(tǒng)可行性及加工效率。2.3 計算機工業(yè)控制2.3.1 工業(yè)控制計算機的硬件組成通信接口磁盤系統(tǒng)系統(tǒng)支持人機接口主機板模擬量輸入通道（AI）模擬量輸出通道（AO）數(shù)字量輸入通道（DI）數(shù)字量輸出通道（DO）2.3.2 工業(yè)控制計算機的總線結(jié)構(gòu)工業(yè)控制機的一大特點是采用了總線結(jié)構(gòu)，它的總線是一組信號線的集合，它定義了個引線的信號

15、、電氣、機械特性，是計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機之間建立起信號聯(lián)系，進行信息傳送和通信?？偩€是工業(yè)控制機的重要組成部分。工業(yè)機器人和傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)一樣是由控制單元、驅(qū)動單元和執(zhí)行機構(gòu)組成的。主要運用機器設(shè)備的生產(chǎn)線上，或者運用于復(fù)雜惡劣的勞動環(huán)境下下，完成人類難以完成的工作，很大程度上改善了勞動條件，保證了生產(chǎn)質(zhì)量和人身安全。在實際操作中，控制單元是由計算機系統(tǒng)組成，指揮機器人按照寫入內(nèi)核的程序向驅(qū)動單元發(fā)出指令，完成預(yù)想的操作，同時同步檢測執(zhí)行動作，一旦出現(xiàn)錯誤或發(fā)生故障，由傳感系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)反饋到控制單元，發(fā)出報警信號和相應(yīng)的保護動作。而執(zhí)行機構(gòu)是由伺服系統(tǒng)和機械構(gòu)件組成。有動

16、力部分向執(zhí)行機構(gòu)提供動力，使執(zhí)行機構(gòu)在驅(qū)動元件的作用下完成規(guī)定操作。2.4 其它應(yīng)用2.4.1煤礦機械 現(xiàn)代采煤機開發(fā)速度快、品種多，都是小批量的生產(chǎn)，傳統(tǒng)機械加工難以實現(xiàn)單件的下料問題，而使用數(shù)控氣割，代替了過去流行的仿型法，使用龍骨板程序?qū)Σ擅簷C葉片、滾筒等下料，從而優(yōu)化套料的選用方案。使其發(fā)揮了切割速度快、質(zhì)量可靠的優(yōu)勢，一些零件的焊接坡口可直接割出，這樣大大提高了生產(chǎn)效率。2.4.2汽車工業(yè) 汽車工業(yè)近20年來發(fā)展尤為迅猛，在快速發(fā)展的過程中，汽車零部件的加工技術(shù)也在快速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)，更加快了復(fù)雜零部件快速制造的實現(xiàn)過程。數(shù)控加工技術(shù)中的快速成形制造技術(shù)在復(fù)雜的零部件加工制造中可以很輕易方便的實現(xiàn)，不僅如此，數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)等等，在汽車制造工業(yè)中都得到了廣泛深入的應(yīng)用。21世紀的汽車加工制造業(yè)已經(jīng)離不開數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)