文獻綜述-X6130萬能升降臺銑床數(shù)控化改造總體及垂直進給伺服系統(tǒng)設計

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1、文獻綜述 1摘要 從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 進入21世紀，我國經(jīng)濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機床

2、制造業(yè)既面臨著機械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數(shù)控機床的發(fā)展是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術和現(xiàn)代設計技術的飛速進步，數(shù)控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產(chǎn)加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢，并提出了我國數(shù)控機床發(fā)展中存在的一些問題。 我國數(shù)控技術的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數(shù)控技術和數(shù)了相當大的成績。

3、特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)控產(chǎn)業(yè)取 得數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，但進出口逆差嚴重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元(7624臺)，2003年達27.1億美元(23320臺)，相當于同年國內數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。國內數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯

4、，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術，加大技術創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。 1.1 不斷加強技術創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關鍵 國產(chǎn)數(shù)控機床缺乏核心技術，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一

5、定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術，但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認可。 1.2 制造水平與管理手段依然落后 一些國產(chǎn)數(shù)控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質量在生產(chǎn)進度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外

6、機床制造商能做到每周裝調出產(chǎn)品，而國內的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。 1.3 服務水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的一個重要因素 由于數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務。有些企業(yè)派出的人員對生產(chǎn)的數(shù)控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數(shù)控機床，更不能指導用戶使用好機床；有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務應從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質量要

7、求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率。 1.4 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度 從我國數(shù)控機床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術人才：第一種是熟悉數(shù)控機床的操作及加工工藝、懂得簡單的機床維護、能夠進行手工或自動編程的車間技術操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機床機械結構及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復雜模具的設計和制造知識，能夠熟練應用UG、PRO/E等CAD/CAM軟件，同時有扎實的專業(yè)理論知識、較高的英語水平并積累了大量的實踐經(jīng)

8、驗；第三種是精通數(shù)控機床結構設計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設計、能夠進行數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)及技術創(chuàng)新的數(shù)控技術高級人才。我國應根據(jù)需要有目標的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)提供強大的技術人才支撐。 2計算機數(shù)控系統(tǒng) 2．1 計算機數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的基本概念 計算機數(shù)控（computerized numerical contro，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能．由一臺計算機完成以前機床數(shù)控裝置所完成的硬件功能，對機床運動進行實時控制。 CNC系統(tǒng)由程序、輸入裝置、輸出裝置

9、、CNC裝置、PLC、主軸驅動裝置和進給（伺眼）驅動裝置組成。由于使用了CNC裝置，使系統(tǒng)具有軟件功能，又用 PLC取代了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用、維修也方便，并且具有與上位機連接及進行遠程通信的功能。 2．2 微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成 大多數(shù)CNC裝置現(xiàn)在都采用微處理器構成的計算機裝置，故也可稱微處理器數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。MNC一般由中央處理單元（CPU）和總線、存儲器（ROM，RAM）、輸入/輸出（I／O）接口電路及相應的外部設備、PLC、主軸控制單元、速度進給控制單元等組成。圖2.2.1為MNC

10、 的組成原理圖。 圖2.2.1 MNC的組成原理圖 2.2.1中央處理單元（CPU）和總線(BUS） CPU是微型計算機的核心，由運算器、控制器和內寄存器組組成。它對系統(tǒng)內的部件及操作進行統(tǒng)一的控制，按程序中指令的要求進行各種運算，使系統(tǒng)成為一個有機整體。 總線（BUS）是信息和電能公共通路的總稱，由物理導線構成。CPU與存儲器、I/O 接口及外設間通過總線聯(lián)系?？偩€按功能分為數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 2.2.2 存儲器(memory) (1)概述 存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件（管理軟件和控制軟件）和零件加工

11、程序等，并將運算的中間結果和處理后的結果（數(shù)據(jù)）存儲起來。數(shù)控系統(tǒng)所用的存儲器為半導體存儲器。 (2)半導體存儲器的分類 ①隨機存取存儲器（讀寫存儲器）ＲＡＭ（random access memory）用來存儲零件加工程序，或作為工作單元存放各種輸出數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)、中間計算結果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲單元的內容既可以讀出又可寫入或改寫。 ②只讀存儲器ROM(resd-only memory)專門存放系統(tǒng)軟件（控制程序、管理程序、表格和常數(shù)）的存儲器，使用時其存儲單元的內容不可改變，即不可寫入而只能讀出，也不會因斷電而丟失內容。 2.2.3 輸入/輸出

12、（I／O）接口電路及相應的外部設備 (1)I／O接口 指外設與CPU間的聯(lián)接電路。微機與外設要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設與存儲器間不能直接通信，需靠CPU傳遞信息，通過CPU對I／O接口的讀或寫操作，完成外設與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設送出信息的接口稱為輸出接口，外設向CPU傳遞信息的接口稱輸入接口，此外還有雙向接口。 微機中I／O接口包括硬件電路和軟件兩部分。由于選用的I／O設備或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而應用程序也不同。I／O接口硬件電路主要由地址譯碼、I／O讀寫譯碼和I/O接口芯片（如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器等）組成。在CNC系統(tǒng)中

13、I／O的擴展是為控制對象或外部設備提供輸入/輸出通道，實現(xiàn)機床的控制和管理功能，如開關量控制、邏輯狀態(tài)監(jiān)測、鍵盤、顯示器接口等。I／O接口電路同與其相連的外設硬件電路特性密切相關，如驅動功率、、電子匹配、干擾抑制等。 （2）外部I／O設備及I／O接口 ①MDI/CRT接口 手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）是通過數(shù)控面板上的鍵盤（常為軟觸鍵）進行操作的。當CPU掃描到按下鍵的信號時，就將數(shù)據(jù)送入移位寄存器，其輸出經(jīng)過報警檢查。若不報警，數(shù)據(jù)經(jīng)選擇門、移位寄存器、數(shù)據(jù)總線送入RAM中；若報警則數(shù)據(jù)不送入RAM。 ②數(shù)據(jù)輸入/輸出串行接口 CNC裝置控制對立的單臺機床時，通常需要與下

14、列設備相接并進行數(shù)據(jù)的輸入輸出。 (a)數(shù)據(jù)輸入輸出設備 如光電紙帶閱讀機（PTR）、紙帶穿孔機（PP）、打印和穿復校設備（TTY）、零件的編程機和可編程控制器的編程機等。 (b)外部機床控制面板 尤其是大型機床，為操作方便常在機床上設外部的機床控制面板，可分為固定式或懸掛式兩種。 (c)通用的手搖脈沖發(fā)生器。 (d)進給驅動和主軸驅動線路 一般情況下它們與CNC裝置裝在同一機柜或相鄰機柜內，與CNC裝置通過內部連線相連，它們之間不設置通用輸出輸入接口。 此外，ＣＮＣ裝置還要與上級主計算機或ＤＮＣ計算機直接通信，或通過工廠局部網(wǎng)絡相連，從而具

15、有網(wǎng)絡通信功能。 （3）機床的I／O控制通道 機床的I／O控制通道是指微機與機床之間的聯(lián)接電路。計算機數(shù)控系統(tǒng)對機床的控制，通常由數(shù)控系統(tǒng)中的I／O控制器和I／O控制軟件共同完成。 ① I／O控制器的功能特點 （a）能夠可靠地傳送控制機床動作的相應控制信息，并能夠輸入控制機床所需的有關狀態(tài)信息。 （b）能夠進行相應的信息轉換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。 （c）具有較強的阻斷干擾信號進入計算機的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。 2.3 ＣＮＣ系統(tǒng)的硬件結構 2.3.1 單微處理機結構 這種結構只有１個微處理機，采用集中

16、控制、分時方法處理數(shù)控的各個任務。有的ＣＮＣ裝置雖有２個以上的微處理機，但其中只有１個微處理機能夠控制系統(tǒng)總線，占有總線資源，而其他微處理機成為專用的智能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問主存儲器，它們組成主從結構（如ＦＮＵＣ－６系統(tǒng)）。這類結構也屬于單微機結構。 在這種單微機結構中，所有的數(shù)控功能和管理功能都由１個微機來完成，因此ＣＮＣ裝置的功能將受到微處理器的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素的影響和限制。 2.3.2 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能 下圖2.3.1所示為 ＣＮＣ系統(tǒng)軟件的組成。ＣＮＣ系統(tǒng)軟件可分為管理軟件與控制軟件兩部分。管理軟件包括零件程序的輸入、

17、輸出，顯示，診斷和通信功能軟件；控制軟件包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補運算和位置控制等功能軟件。 圖2.3.1 CNC系統(tǒng)軟件的組成 (1)輸入程序 輸入程序的功能有兩個：一是把零件程序從閱讀機或鍵盤經(jīng)相應的緩沖器輸入到零件程序存儲器；二是將零件程序從零件程序存儲器取出送入緩沖器。 (2)譯碼程序 在輸入的零件加工程序中，含有零件的輪廓信息（線型，起點、終點坐標值）、工藝要求的加工速度及其他輔助信息（換刀、冷卻液開/關等）。這些信息在計算機作插補運算與控制操作之前，需按一定的語法規(guī)則解釋成計算機容易處理的

18、數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在給定的內存專用區(qū)間，即把各程序段中的數(shù)據(jù)根據(jù)其前面的文字地址送到相應的緩沖寄存器中。譯碼就是從數(shù)控加工程序緩沖器或ＭＤＩ緩沖器中逐個讀入字符，先識別出其中的文字碼和數(shù)字碼，然后根據(jù)文字碼所代表的功能，將后續(xù)數(shù)字碼送到相應譯碼結果緩沖器單元中。 (3)數(shù)據(jù)處理程序 數(shù)據(jù)處理程序有三個任務，即刀具半徑補償，速度計算（即根據(jù)合成速度算出各軸的分速度）以及輔助功能的處理等。 刀具半徑補償是把零件的輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡；速度計算確定加工數(shù)據(jù)段的運動速度，開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)給定進給速度Ｆ計算出頻率f，而閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)則根據(jù)Ｆ算出位移量（ΔＬ

19、）；輔助功能處理是指換刀，主軸啟動、停止，冷卻液開、停等輔助功能的處理（即Ｍ，Ｓ，T功能的傳送及其先后順序的處理）。 數(shù)據(jù)處理是為了減輕插補工作及速度控制程序的負擔，提高系統(tǒng)的實時處理能力，故也稱為預計算。下面將著重介紹刀具半徑補償，速度處理將在插補計算程序中的預計算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關內容中介紹。 2.4 CNC系統(tǒng)的工作過程 2.4.1 CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段歷程 一個數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至輸出位置控制值需要經(jīng)過圖2.4.1所示的幾個環(huán)節(jié)。經(jīng)過輸入系統(tǒng)的工作，將數(shù)據(jù)段送入零件程序緩沖器，然后由譯碼程序將輸入的零件程序數(shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言，送入譯碼

20、結果寄存器。再通過數(shù)據(jù)處理程序將預計算出的刀補參數(shù)（刀補后的本程序段終點坐標）、速度分量（L，ΔL）及有關輔助功能送入數(shù)據(jù)處理結果緩沖器，經(jīng)插補后將本次插補周期的輸出位置增量值（ΔX2，ΔY2 ）送至插補工作寄存器，再經(jīng)伺服（位置）控制處理，將段值（ΔX2，ΔY2）經(jīng)計算成為新指令位置值，同時將反饋的位置增量（ΔX1，ΔY1）加上原實際位置得出現(xiàn)在的實際位置值。經(jīng)比較計算出新指令位置和實際位置的差值（即跟隨誤差），乘上位置增益，得到位置控制的輸出值也ΔX3，ΔY3，即為速度指令。之后便進行D／A轉換。

21、 圖2.4.1 數(shù)據(jù)段歷程 2.4.2 CNC系統(tǒng)自動工作時的總體流程 CNC系統(tǒng)的自動工作狀態(tài)是其最主要的加工方式，圖2.4.2所示為它的總體流程。 零件加工程序通過紙帶輸入機、盒式磁帶機或MDI鍵盤（磁盤，或上級DNC接口輸入），按一定標準通過輸入程序輸入到內存中的零件程序存儲區(qū)。又在輸入程序的支持下將零件加工程序從存儲區(qū)調出至緩沖區(qū)。然后，程序段逐段進行譯碼，即置文字地址

22、碼的標志位，并將ASCⅡ碼由數(shù)控內部碼譯成系統(tǒng)能識別的二進制碼或特征碼。接著進行數(shù)據(jù)的預計算，包括刀具半徑補償計算刀心坐標值，速度處理計算各軸分速度，算出線段長（L及ΔＬ）以及Ｍ，Ｓ，T代碼處理，為插補提供各種必要的數(shù)據(jù)。接著再進行插補運算?？刂瞥绦驅⒏鶕?jù)零件加工程序中的進給速度（F）和坐標位移量，由預計算算出線段長（L及ΔＬ），再計算出分配給每個坐標的段值，即每個插補中斷周期中坐標的位移量（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）。最后，在位置控制比較環(huán)節(jié)中，將插補輸出的段值（位移量）加上原坐標指令值作為新的指令位置值。又將反饋位置增量加上原實際位置坐標值作為新的實際位置值。將新的指令值與新的實際位置值相比較，算出跟隨誤差。通過計算機的軟件放大倍數(shù)調節(jié)功能乘上系數(shù)后，即為伺服輸入的速度指令值。再通過數(shù)模轉換成為速度命令電壓（或頻率），最后驅動伺服電動機，帶動工作臺或刀具位移。