《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(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《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(shè)計（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、文獻綜述 1摘要 從20世紀中葉數(shù)控技術(shù)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(guān)鍵零件、要求精密復(fù)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(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)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(mào)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(guān)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(shù)和現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的飛速進步，數(shù)控機床的應(yīng)用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)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(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)了相當(dāng)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(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7倍。國內(nèi)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(shè)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(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 我們應(yīng)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(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。 1.1 不斷加強技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關(guān)鍵 國產(chǎn)數(shù)控機床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內(nèi)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(shù)引進、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數(shù)控技術(shù)，但缺乏對機床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計等基礎(chǔ)性技術(shù)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(shù)水平、性能和質(zhì)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(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)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(diào)出產(chǎn)品，而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們在引進技術(shù)的同時應(yīng)注意加強自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。 1.3 服務(wù)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(wù)水平不夠重視，甚至對服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。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(dǎo)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(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要

7、求入手，幫助用戶進行設(shè)備選型，推薦先進工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質(zhì)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(shù)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(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識的中級人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計和制造知識，能夠熟練應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計、能夠進行數(shù)控機床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級人才。我國應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)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(shù)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(qū)動裝置和進給（伺眼）驅(qū)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(fù)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(gòu)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(yīng)的外部設(shè)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(nèi)寄存器組組成。它對系統(tǒng)內(nèi)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(dǎo)線構(gòu)成。CPU與存儲器、I/O 接口及外設(shè)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(jié)果和處理后的結(jié)果（數(shù)據(jù)）存儲起來。數(shù)控系統(tǒng)所用的存儲器為半導(dǎo)體存儲器。 (2)半導(dǎo)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(jié)果，與外存交換信息以及堆棧用等。其存儲單元的內(nèi)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(nèi)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(nèi)容。 2.2.3 輸入/輸出

12、（I／O）接口電路及相應(yīng)的外部設(shè)備 (1)I／O接口 指外設(shè)與CPU間的聯(lián)接電路。微機與外設(shè)要有輸入輸出數(shù)據(jù)通道，以便交換信息。一般外設(shè)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?qū)懖僮鳎瓿赏庠O(shè)與CPU間輸入或輸出信息的操作。CPU向外設(shè)送出信息的接口稱為輸出接口，外設(shè)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(shè)備或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而應(yīng)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(shè)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(guān)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(shè)硬件電路特性密切相關(guān)，如驅(qū)動功率、、電子匹配、干擾抑制等。 （2）外部I／O設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)備 如光電紙帶閱讀機（PTR）、紙帶穿孔機（PP）、打印和穿復(fù)校設(shè)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(shè)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(qū)動和主軸驅(qū)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(nèi)，與CNC裝置通過內(nèi)部連線相連，它們之間不設(shè)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(luò)相連，從而具

15、有網(wǎng)絡(luò)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(yīng)控制信息，并能夠輸入控制機床所需的有關(guān)狀態(tài)信息。 （b）能夠進行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu) 2.3.1 單微處理機結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)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(wù)。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(jié)構(gòu)（如ＦＮＵＣ－６系統(tǒng)）。這類結(jié)構(gòu)也屬于單微機結(jié)構(gòu)。 在這種單微機結(jié)構(gòu)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(yīng)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(biāo)值）、工藝要求的加工速度及其他輔助信息（換刀、冷卻液開/關(guān)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(nèi)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(yīng)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(yīng)譯碼結(jié)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(wù)，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(zhuǎn)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(dān)，提高系統(tǒng)的實時處理能力，故也稱為預(yù)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(yù)計算部分介紹，輔助功能的處理將在后面的相關(guān)內(nèi)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?qū)⑤斎氲牧慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識別的語言，送入譯碼

20、結(jié)果寄存器。再通過數(shù)據(jù)處理程序?qū)㈩A(yù)計算出的刀補參數(shù)（刀補后的本程序段終點坐標(biāo)）、速度分量（L，ΔL）及有關(guān)輔助功能送入數(shù)據(jù)處理結(jié)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(zhuǎn)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(biāo)準通過輸入程序輸入到內(nèi)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(diào)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(biāo)志位，并將ASCⅡ碼由數(shù)控內(nèi)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(yù)計算，包括刀具半徑補償計算刀心坐標(biāo)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?qū)⒏鶕?jù)零件加工程序中的進給速度（F）和坐標(biāo)位移量，由預(yù)計算算出線段長（L及ΔＬ），再計算出分配給每個坐標(biāo)的段值，即每個插補中斷周期中坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(diào)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(zhuǎn)換成為速度命令電壓（或頻率），最后驅(qū)動伺服電動機，帶動工作臺或刀具位移。