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(dāng)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(jī)為例，介紹了數(shù)控機(jī)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(jī)1 數(shù)控技術(shù)的概況1.1 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用是 20 世紀(jì)人類社會最偉大的科技成果， 而計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。數(shù)控技術(shù)是一門集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)、測量技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、 信息處理技術(shù)等多學(xué)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化、柔性化、信息化、

2、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。在機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)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(dá)國家投入巨資， 對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(kuò)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

3、變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。開放式計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的軟件平臺，具有統(tǒng)一風(fēng)格的用戶交互環(huán)境，操作、維護(hù)、更新?lián)Q代和軟件開發(fā)都比較方便， 具有較高的性能價(jià)格比， 已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。2 機(jī)械制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用2.1 機(jī)床設(shè)備機(jī)床設(shè)備是機(jī)械制造中的重中之重，面對現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的需求，具備了控制能力的機(jī)床設(shè)備是現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品的重要組成部分。 計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)為機(jī)械制造業(yè)提供了良好的機(jī)床控制能力， 即把計(jì)算機(jī)控制裝置運(yùn)用到機(jī)床上， 也就是用數(shù)控技術(shù)對機(jī)床的加工實(shí)施控制，這樣的機(jī)床就是數(shù)控機(jī)

4、床。2.1.1 數(shù)控機(jī)床的組成機(jī)床 I/Q電路機(jī)床和裝置操作臺主軸伺服主軸驅(qū)動主進(jìn)PLC裝置運(yùn)給單元動傳機(jī)動構(gòu)機(jī)進(jìn)給伺服進(jìn)給驅(qū)動構(gòu)單元裝置數(shù) 控輸入 /輸出裝 置設(shè)備測量裝置2.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理除機(jī)床本體之外的部分統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的處理， 輸入位置控制指令到進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)以實(shí)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(shí)現(xiàn)切削，輸出 M、

5、S、T 指令到 PLC以實(shí)現(xiàn)順序動作的開關(guān)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(jī)床運(yùn)動控制器。 加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定， 加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)因素實(shí)時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)

6、隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響 CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(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(jì)算機(jī)的數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)在機(jī)床控制領(lǐng)域，采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為國際研究的熱點(diǎn)，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流。 工業(yè)計(jì)算機(jī)與個人計(jì)算機(jī)兼容， 因此可以吸收計(jì)算機(jī)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(jī)加工工藝特點(diǎn)數(shù)控火焰切割機(jī)具有一般數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，能根據(jù)數(shù)控加工程序，自動完

7、成從點(diǎn)火 - 預(yù)熱 - 通切割氧 - 切割 - 熄火 - 返回原點(diǎn)的整套切割過程。但數(shù)控火焰切割機(jī)又有別于一般數(shù)控金屬切削機(jī)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(jìn)行切割， 而不像金屬切削機(jī)床那樣， 是用金屬切削工具與工件剛性接觸來進(jìn)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(zhǔn)確地返回到未割穿點(diǎn)， 再按原軌跡重新切割，因此數(shù)控火焰切割機(jī)必須具有隨時實(shí)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(jì)組成該數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件，主要包括工業(yè) PC機(jī)、運(yùn)動控制卡和伺服系統(tǒng)。其中工業(yè) PC機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它

8、擔(dān)負(fù)著切割機(jī)運(yùn)動軌跡的計(jì)算（粗插補(bǔ)）以及對整個系統(tǒng)管理的任務(wù)。運(yùn)動控制卡插在工業(yè) PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，它一方面與伺服系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對切割機(jī)運(yùn)動軌跡的控制（精插補(bǔ)） ；另一方面與機(jī)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(jī)床的位置，指令機(jī)床啟動、 暫停或沿原切割軌跡返回， 還能實(shí)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(jìn)伺服系統(tǒng)或數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。運(yùn)動控制卡由自己設(shè)計(jì)， 它主要包括譯碼電路、 振蕩電路、 I O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(yùn)動控制卡提供一個接口地址段， 通過撥碼開關(guān)可

9、以更改該地址段的范圍； 振蕩電路為運(yùn)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，其主要作用是輸出切割機(jī)氣源控制信號及輸入機(jī)床按鈕信號；脈沖控制電路由兩片8254 計(jì)數(shù)器組成，每片 8254 計(jì)數(shù)器分別控制一個軸的伺服電機(jī)；中斷電路是為控制軟件提供硬件中斷信號而設(shè)計(jì)的；光電隔離輸出輸入電路將工業(yè)PC機(jī)電源和外界電源隔離，減少外界電源對計(jì)算機(jī)的干擾。2.2.3控制軟件設(shè)計(jì)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(yùn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該切割機(jī)的控制軟件按以下模塊化方式來設(shè)計(jì)。（1）界面設(shè)計(jì)該

10、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(yùn)動軌跡； 狀態(tài)顯示區(qū)顯示切割機(jī)目前的狀態(tài)參數(shù)， 如切割速度、割炬當(dāng)前坐標(biāo)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(diǎn)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(yùn)動控制卡上的 8255 并行口和 8254 計(jì)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(jìn)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(jī)床的位置、 檢驗(yàn)自動點(diǎn)火

11、裝置以及通氣用的電磁閥是否工作正常。（3）程序檢驗(yàn)及圖形仿真當(dāng)數(shù)控加工程序指定以后，首先要檢驗(yàn)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(jìn)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(jì)算機(jī)在插補(bǔ)過程中的運(yùn)算時間，在正式插補(bǔ)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(yùn)動控制卡一次計(jì)數(shù)的范圍有

12、限， 因此當(dāng)長直線段超出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍時，須將長直線段分解成若干段小直線段， 防止計(jì)數(shù)值溢出。 又由于運(yùn)動控制卡不能直接用來對圓弧進(jìn)行插補(bǔ)， 因此必須在誤差允許的范圍內(nèi)將圓弧分解成小直線段，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(shí)際出發(fā)，我們選擇最大的誤差為 1BLU，即 EH=ER=1BLU，則在計(jì)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(jì)算出從圓弧起點(diǎn)到終點(diǎn)各小直線段的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。（5）插補(bǔ)控制及軌跡的動態(tài)跟蹤在插補(bǔ)過程中，計(jì)算機(jī)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(dāng)量計(jì)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(jì)算出各軸的分頻系數(shù)。并在上一

13、條指令執(zhí)行結(jié)束時， 將計(jì)算出的脈沖數(shù)和分頻系數(shù)送到對應(yīng) 8254 計(jì)數(shù)器的對應(yīng)通道。另外，計(jì)算機(jī)通過不停地讀回 8254 計(jì)數(shù)器的計(jì)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(dāng)前的屏幕坐標(biāo)，并用小箭頭指示。因此從顯示屏上，操作者可以清楚地看到當(dāng)前的切割位置。（6）按原軌跡返回功能的實(shí)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(zhǔn)確地按原軌跡返回； 待割炬返回到未割穿點(diǎn)以后， 再次按下暫停鍵并按啟動鍵， 切割機(jī)便自動打開切割氧， 重新進(jìn)行切割。在按下返回鍵時，計(jì)算機(jī)便從運(yùn)動控制卡上的8254 計(jì)數(shù)器中讀回剩余的脈沖數(shù)，與原來的

14、脈沖數(shù)進(jìn)行比較，將差值送回 8254 計(jì)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(shí)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(jī)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)取消了紙帶穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)，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(jì)算機(jī)工業(yè)控制2.3.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬件組成主機(jī)板人

15、機(jī)接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通信接口模擬量輸入通道（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(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)工業(yè)控制機(jī)的一大特點(diǎn)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、 電氣、機(jī)械特性， 是計(jì)算機(jī)內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計(jì)算機(jī)之間建立起信號聯(lián)系， 進(jìn)行信息傳送和通信。 總線是工業(yè)控制機(jī)的重要組成部分。工業(yè)機(jī)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(jī)構(gòu)組成的。主要運(yùn)用機(jī)器設(shè)備的生產(chǎn)線上， 或者運(yùn)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。

16、在實(shí)際操作中，控制單元是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，指揮機(jī)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(bào)警信號和相應(yīng)的保護(hù)動作。 而執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由伺服系統(tǒng)和機(jī)械構(gòu)件組成。 有動力部分向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力，使執(zhí)行機(jī)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(jī)械現(xiàn)代采煤機(jī)開發(fā)速度快、品種多，都是小批量的生產(chǎn)，傳統(tǒng)機(jī)械加工難以實(shí)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(jī)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(shí)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(shí)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(jì)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)用了。面對多品種小批量生產(chǎn)比重