數(shù)控技術(shù)大作業(yè)

1、 2015-16 學(xué)年第 二 學(xué)期研究生課程考核（讀書報告、研究報告）考 核 科 目： 數(shù)控技術(shù)學(xué)生所在院（系）：機(jī)電工程學(xué)院 學(xué)生所在學(xué)科： 機(jī)械工程 姓 名： 楊朔學(xué) 號： 1502210088題目：1、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢2、敘述比較積分法差補(bǔ)的原理，并畫出用軟件實(shí)現(xiàn)時的流程圖3、描述任意一種數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的軟件結(jié)構(gòu)。4、簡述永磁同步電機(jī)矢量控制原理。 1.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1數(shù)控技術(shù)簡介 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)所在。早期是由硬件電路構(gòu)成的，稱為硬件數(shù)控；1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機(jī)代替，稱為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)是根據(jù)計算機(jī)存儲器中存儲

2、的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機(jī)系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序輸入裝置、輸出裝置、計算機(jī)數(shù)控裝置、可編程邏輯控制器、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給驅(qū)動裝置等組成。CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷史與趨勢1.2.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展簡史數(shù)控機(jī)床是在機(jī)械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其過程大致如下： 1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗(yàn)用樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機(jī)床的設(shè)想。 1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院(MIT)開始共同研究，

3、并于1952年試制成功第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件。 1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代。 1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。 60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機(jī)直接控制多臺機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 DNC)，又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 CNC)，使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機(jī)化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器

4、和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代初，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。 20世紀(jì)90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機(jī)為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機(jī)上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)智能化，網(wǎng)絡(luò)化制造?，F(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)也叫計算機(jī)數(shù)控技術(shù)（Computerized Numerical Control 簡稱：CNC），目前它是采用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技

5、術(shù)。這種技術(shù)用計算機(jī)按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。由于采用計算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可以通過計算機(jī)軟件來完成。1.2.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢（1）體系開放化發(fā)展 計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控系統(tǒng)更快地更新?lián)Q代。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，并可以較容易地實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。 1)向未來技術(shù)開放：軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容。 2)向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的

6、各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求； 3)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗。（2）高速化 隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。 1）主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī))，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min； 2）進(jìn)給率：分辨率為0.01m時，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min可獲得復(fù)雜型面的精確加工； 3）運(yùn)算速度： CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到上千兆赫。使得當(dāng)分辨率為0.1m、0.01m時仍能獲得高達(dá)24240m/min的進(jìn)給速度； 4）換刀速度：目前

7、國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。（3）高精度化 數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補(bǔ)償越來越獲得重視。 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度(日本已開發(fā)裝有106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器的交流伺服電機(jī)，其位置檢測精度可達(dá)到0.01m/脈沖)，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法； 采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。研究結(jié)

8、果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%80%； 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動軌跡精度，并通過仿真預(yù)測機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。（4）功能復(fù)合化 復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類?？s短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應(yīng)能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。 國內(nèi)外的多軸加工機(jī)床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實(shí)現(xiàn)45軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五

9、軸聯(lián)動高速銑削中心等。（5）控制智能化 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面： 1）加工過程自適應(yīng)控制技術(shù) 2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇 3）智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)智能故障回放和故障仿真技術(shù)4）智能化交流伺服驅(qū)動裝置（6）驅(qū)動并聯(lián)化 并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動性不夠等固有缺陷。 并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是 “21世紀(jì)新一代數(shù)控

10、加工設(shè)備”。（7）信息交互網(wǎng)絡(luò)化 使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等)。（8）多軸聯(lián)動化方向發(fā)展 在加工自由曲面時，而五軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削三維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度，多軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個開發(fā)熱點(diǎn)。1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀隨著國際學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界對開放式數(shù)控系統(tǒng)研究的日益推進(jìn)，我國的相關(guān)研究也越來越受到重視。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我

11、國機(jī)床行業(yè)也形成了具有一定生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平的產(chǎn)業(yè)體系，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在質(zhì)與量上都取得了飛躍。國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)基本占領(lǐng)了低端數(shù)控系統(tǒng)市場，在中高檔數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用上也取得了一定的成績。其中，武漢華中數(shù)控股份有限公司、北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司、北京航天數(shù)控系統(tǒng)有限公司和上海電氣（集團(tuán)）總公司等已成功開發(fā)了五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，分別應(yīng)用于數(shù)控加工中心、數(shù)控龍門銑床和數(shù)控銑床。國內(nèi)的數(shù)字化交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品也有了很大的發(fā)展，已能滿足一般的應(yīng)用，并能與進(jìn)口產(chǎn)品競爭，占領(lǐng)了國內(nèi)的大部分市場。伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)基地主要有蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控和開通數(shù)控等。1.3.2國

12、外發(fā)展現(xiàn)狀在國際市場，德國、美國、日本等幾個國家基本掌控了中高檔數(shù)控系統(tǒng)。國外的主要 數(shù)控系統(tǒng)制造商有西門子（Siemens）、發(fā)那克（FANUC）、三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）、海德漢（HEIDENHAIN）、博世力士樂（Bosch Rexroth）、日本大隈（Okuma）等。（1） 納米插補(bǔ)與控制技術(shù)已走向?qū)嵱秒A段納米插補(bǔ)將產(chǎn)生的以納米為單位的指令提供給數(shù)字伺服控制器，使數(shù)字伺服控制器的位置指令更加平滑，從而提高了加工表面的平滑性。將“納米插補(bǔ)”應(yīng)用于所有插補(bǔ)之后，可實(shí)現(xiàn)納米級別的高質(zhì)量加工。在兩年一屆的美國芝加哥國際制造技術(shù)（機(jī)床）展覽會（IMTS 2010）上，發(fā)

13、那克就展出了30i/31i/32i/35i-MODEL B數(shù)控系統(tǒng)。除了伺服控制外，“納米插補(bǔ)”也可以用于Cs軸輪廓控制；剛性攻螺紋等主軸功能。西門子展出的828D所獨(dú)有的80bit浮點(diǎn)計算精度，可使插補(bǔ)達(dá)到很高的輪廓控制精度，從而獲得很好的工件精度。此外，三菱公司的M700V系列的數(shù)控系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)納米級插補(bǔ)。（2） 機(jī)器人使用廣泛未來機(jī)床的功能不僅局限于簡單的加工，而且還具有一定自主完成復(fù)雜任務(wù)的能力。機(jī)器人作為數(shù)控系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，其技術(shù)和產(chǎn)品近年來得到快速發(fā)展。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅僅局限于傳統(tǒng)的搬運(yùn)、堆垛、噴漆、焊接等崗位，而且延伸到了機(jī)床上下料、換刀、切削加工、測量、拋光及裝配

14、領(lǐng)域，從傳統(tǒng)的減輕勞動強(qiáng)度的繁重工種，發(fā)展到IC封裝、視覺跟蹤及顏色分檢等領(lǐng)域，大大提高了數(shù)控機(jī)床的工作效率。典型的產(chǎn)品有德國的KUKA，F(xiàn)ANUC公司的M-1iA、M-2000iA、M-710ic。（3） CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前，為了使數(shù)控機(jī)床操作者更加便利地編制數(shù)控加工程序，解決復(fù)雜曲面的編程問題，國際數(shù)控系統(tǒng)制造商將圖形化、集成化的編程系統(tǒng)作為擴(kuò)展數(shù)控系統(tǒng)功能、提高數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)互動性的主要途徑。最新的CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控機(jī)床加工提供了有力的支持，可以大幅地提高加工效率。ESPRIT、CIMATRON等一些著名CAM軟件公司的產(chǎn)品除了具備傳統(tǒng)的CAM軟件功能模塊，還開發(fā)

15、了多任務(wù)編程、對加工過程的動態(tài)仿真等新的功能模塊。1.3.3國內(nèi)數(shù)控技術(shù)發(fā)展與國外數(shù)控技術(shù)發(fā)展存在的差距國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)與國外數(shù)控系統(tǒng)存在的差距主要體現(xiàn)在中高檔機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)上。 高性能數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、納米精度光柵等功能部件及整機(jī)設(shè)計制造的核心技術(shù)，是發(fā)展高端數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵的因素。據(jù)了解，數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)于數(shù)控機(jī)床的大腦，在整個機(jī)器的價值中占到五分之一數(shù)控加工中心。它的作用，是將用戶設(shè)定的加工目標(biāo)，換算成具體的加工步驟，指揮機(jī)床。目前我國制造數(shù)控機(jī)床的廠家，很多是購買國外的數(shù)控系統(tǒng)。 據(jù)介紹，近幾年來，國產(chǎn)的低端數(shù)控系統(tǒng)基本把國外競爭對手?jǐn)D出了中國市場；而高端市場則正好相反，國產(chǎn)只占不到十分之一。高端

16、數(shù)控系統(tǒng)市場基本上在法那科和西門子等廠家的掌握中。國外高檔數(shù)控系統(tǒng)，在高速和高精度表現(xiàn)上，以及在五軸加工和智能化方面比國內(nèi)產(chǎn)品表現(xiàn)都好，而且其平均無故障時間是國內(nèi)產(chǎn)品的4倍。 數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床加工中心軟硬配件、高速高精算法都需要長時間的研究和改善。國內(nèi)電子基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)落后，決定了我國高檔數(shù)控系統(tǒng)的弱勢表現(xiàn)。除了數(shù)控系統(tǒng)水平的差距，關(guān)鍵零部件領(lǐng)域的薄弱也限制了國產(chǎn)機(jī)床的高度。在一些機(jī)床展會上，也能看到應(yīng)用法納科或西門子數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)高端機(jī)床，與國外裝配同樣大腦的機(jī)床相比，轉(zhuǎn)速只有國外的三分之一，誤差范圍是別人的5倍。2比較積分法2.1比較積分法簡介比較積分法又稱脈沖間隔法。逐點(diǎn)比較法由于

17、以判別原理為基礎(chǔ)，進(jìn)給脈沖是跟隨指令運(yùn)算頻率的，因而速度平穩(wěn)，調(diào)節(jié)方便，但不易實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)軸的聯(lián)動。數(shù)字積分法雖然可以實(shí)現(xiàn)各種函數(shù)的插補(bǔ)和多坐標(biāo)直線的插補(bǔ)。但是，由于其溢出脈沖頻率與被積函數(shù)值大小有關(guān)，存在著速度調(diào)節(jié)不便的缺點(diǎn)。與其它插補(bǔ)方法相比, 比較積分法插補(bǔ)是一種插補(bǔ)精度高、運(yùn)算關(guān)系簡單、進(jìn)給速度控制方便的插補(bǔ)算法。2.2比較積分法插補(bǔ)原理比較積分法是在逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法基礎(chǔ)上派生出來的一種插補(bǔ)算法。它綜合了二者的優(yōu)點(diǎn), 不僅可以插補(bǔ)常見常用的直線、圓弧輪廓, 而且還可以插補(bǔ)非圓曲線輪廓。2.2.1比較積分法直線插補(bǔ)原理已知一條直線的起點(diǎn)坐標(biāo)在原點(diǎn)O(0,0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為E（Xe,Ye

18、），則其上的動點(diǎn)N(Xi,Yi)必然滿足下面等式Y(jié)i=YeXeXi對其求微分得： dYidXi=YeXe為此引入比較判別的思路建立兩個被積函數(shù)之間的關(guān)系，于是將上式改寫成增量形式Y(jié)eXi=XeYi由于式中Xe、Ye均是以脈沖當(dāng)量為單位的數(shù)字量，對上式兩邊進(jìn)行積分，并假設(shè)增量Xi、Yi均為“1”個單位，則利用矩形法求得積分值為j=1XiYe=j=1YiXe在這里要指出的是，上式等號兩邊求和的項數(shù)不一定相等，等式左邊是Xi項，而等式右邊是Yi項。同時也表面，每當(dāng)X方向發(fā)出一個進(jìn)給脈沖相當(dāng)于積分值增加了Ye；而每當(dāng)Y方向發(fā)出一個進(jìn)給脈沖，相當(dāng)于積分值增加了Xe。因此為了得到所要求的插補(bǔ)直線，必須協(xié)調(diào)

19、控制兩個方向發(fā)出的脈沖總數(shù)目，即X方向發(fā)出Xi個進(jìn)給脈沖，Y方向發(fā)出Yi個進(jìn)給脈沖，從而保證了上式兩邊的相等，也只有這樣才能說明動點(diǎn)N（Xi,Yi）處于該直線上。為此，與逐點(diǎn)比較法相似，引入了一個判別函數(shù)Fi，即令Fi=i=1XiYe-j=1YiXe然后，可以根據(jù)各動點(diǎn)處Fi之值來決定下一步的進(jìn)給方向?，F(xiàn)假設(shè)向+X軸方向進(jìn)給一步，則可推得Fi+1=Fi+Ye假設(shè)向+Y軸方向進(jìn)給一步，則可推得Fi+1=Fi-Xe假設(shè)向+X和+Y軸同時進(jìn)給，則可推得Fi+1=Fi+Ye-Xe在具體實(shí)現(xiàn)時，可使用一個脈沖源控制插補(bǔ)速度，從起點(diǎn)開始，每發(fā)出一個脈沖就計算一次F的值，然后由F值的正負(fù)決定刀具的進(jìn)給方向，并對F值進(jìn)行修正。當(dāng)F0時，說明X軸輸出脈沖時間超前，這時應(yīng)使Y軸進(jìn)行Xe的累加；當(dāng)FYe）F0XFi+1=Fi+YeY軸F0X、YFi+1=Fi+Ye-Xe（XeYe）F0YFi+1=Fi-Xe2.2.2比較積分法圓弧插補(bǔ)原理 設(shè)第