1、浅谈现代数控技术摘要：在机械制造业中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高速度、高精度、高可靠性等特点。本文主要介绍了基于数控技术的高精度的特点，具体说明提高精度的关键技术。关键词：数控技术；高精度；检测0 引言现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和应用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结
2、构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、 FMS、CIMS 等，都是建立在数控技术之上。数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。因此数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化是当今制造业的发展方向，机械制造的竞争其实质是数控的竞争。1 数控技术的发展现状目前，数控技术正在发生根本性
3、变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进
4、行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。2 传感检测技术2.1 CNC 机床的位
5、置检测为了保证加工精度，进行高速加工的机床或加工中心必须配备位置反馈系统或速度反馈系统。速度反馈系统可用来检测与控制移动的进给速度，并补偿由机械的背隙、刚性、惯性以及摩擦阻力不均匀等引起的机械常数的变化。常用的速度检测器是测速发电机。速度反馈系统在实际应用中不多。位置反馈系统用来检测和控制刀架或工作台等按数控装置的指令值移动的移动量。在 CNC 机床的每个调好位置的导向轴上安装一个测量装置，它可将刀架溜板或工作台的各自实际位置通报给调节器(位置跟踪系统)，从而测量直线运动的行程和位置受控的旋转运动的角度。CNC 机床上可使用的位置测量方法有：(1) 直接位置测量法。直接的位置测量包括待测的位置
6、或非机械移位引起的位置修正。测量系统直接与待测的运动相互连接。(2) 间接位置测量法。此种测量方法通过测量相应的旋转运动来间接反映移动式的位置变化。(3) 模拟位置测量法。模拟式测量装置将被测量用连续变量来表示，如相位变化、电压变化等。(4) 数字位置测量法。数字式测量把待测的行程或旋转角分成相同大小的基本单元，通过数出或累加途径的基本单元数，或者通过对实际位置上基本单元单个标志的识别进行测量。(5) 绝对位置测量法。此种测量方法的每个测量值均与刻度尺零点有关，并被分别标出。(6) 循环绝对位置测量法。在较大的移动范围内的模拟位置测量时，分辨率通常是不够用的。这时，可将整个移动范围分为同等大小
7、的增量，在增量范围内进行绝对测量。(7) 增量位置测量法。将整个移动范围划分成同样大小，不作单独标记的步距(增量)，由连续运行的增量的总和得出实际位置。2.2 刀具状态传感检测在高速加工中，若有刀片崩裂，飞出的刀具碎片就像出膛的子弹，是非常危险的事情。此外，刀具的磨损情况对加工质量也有直接影响。因此，必须采取积极的实时监控系统，通过各种传感器，对刀具的破损、磨损状态进行在线识别与控制。自 70 年代以来，国内外学者对精密高效加工刀具的在线检测理论和系统作了大量的研究。根据监控方法的不同，可以分为直接监控法和间接监控法。直接法是通过一定的测量手段来确定刀具材料在体积上或重量上的减少，并通过一定的
8、数学模型来确定刀具的磨损或破损状态。这类监控法有光学图象法和接触电阻法等。间接法则是测量切削过程中与刀具磨损或破损有较强内在联系的某一种或几种参量，或测量某种物理现象，根据其变化并通过一定的标定关系来监控刀具的磨损或破损状态。这类监控法有切削力监控法、振动监控法和声发射监控法等。目前，由于种种不足，上述监控法大多尚未达到能完全满足工程实用的程度。例如，光学图象法费用较为昂贵；声发射监控法的不同工艺系统互换性较差，而且声发射传感器的定位安装也存在一定的困难:安装在刀具或工件上，虽然对信号采集有利，但实际应用存在一定困难，而如果安装在主轴上或冷却液喷管中，信号则会有一定程度的衰减；振动传感器的监控
9、位置选择也较困难，其理想的安装位置是加工工件的垂直表面，但在实际加工过程中却同样难以实现；利用电流传感器，检测伺服系统的电流或功率(如 Inger-soll 公司即采用电机电流作为监控参量)是一种常用有效的刀具状态监测方法，对刀具的破损检测是比较有效的，对刀具磨损检测则有一定困难。由于加工过程的复杂性，如果仅使用单一传感器对加工过程刀具状态进行预报，会出现很多的误测、误报。因此，在实际加工中，需采用多传感器融合技术来提高检测、预报的准确性。2.3 工件状态检测加工精度是数控机床的一个重要性能指标，它反映了该台机床所能保证的理论加工质量。但在实际加工过程中，由于机床、刀具、工件材料以及加工环境等
10、各种不确定因素的影响，往往达不到满意的工作指标。因此，在自动化的高速加工生产中为了确保工件的加工质量，必须对加工过程中存在的误差进行及时检测、补偿和控制，为此，需要首先检测被加工工件的状态。在工作区外测量是指抽检已加工完成的成品或半成品的实际质量，并对生产进行反馈控制，实际上是一种事后质量控制技术；在工作区测量则属于在线质量监测方法。高速加工中心应尽量采用后一种方法，即在加工过程中对工件的尺寸、形状、表面粗糙度等进行测定，并把测定的数据反馈到机床的进刀机构，以控制工具的位置，因此又称为加工中的过程测量。测量工件质量的传感器(装置)有接触式的和非接触式的。前者如 Renishaw 机械触发式测头
11、，后者如由激光和光纤组成的光纤传感器。进行在线测量时，传感器的动态响应必须优于被测参数，对被测对象的影响必须足够小。采用非接触式传感器，更适合工件在线测试系统。而接触测量则存在以下问题:划伤接触表面，测头本身磨损；测头接触工件时的撞击、工件长度、形状变化引起的的波动或工艺因素引起的振动或跳动所带来的动态测量误差；工作频率若超过临界频率，测杆将脱离工件，产生动态误差。随着现代科技的发展，各种新技术、新原理不断应用于加工工件的自动测量中。但由于通用性、可靠性、不理想等原因，目前的在线质量检测系统尚没有被工业界广泛接受。对于高速加工而言，要做到实时化的在线监控，还必须解决非接触式的传感器在加工条件下
12、，工作性能不受切屑和冷却液飞溅的影响问题。2.4 机床工况监控及其它高速加工机床是在比常规速度高得多的条件下工作的，其切削过程的“危险性”比传统加工方法大得多。为了避免机床的损坏和工件的报废，必须对机床的运行状态(如主轴振动、温升等)进行实时监控。需要采用多传感的数据融合技术和多模型技术，应用小波理论、神经网络以及模糊控制技术，快速、有效地提取故障信号特征，对机床故障进行快速诊断与报警。高速加工这一新的加工工艺对机床的构成元件也提出了新的要求，许多适用高速加工特点的新型零部件应运而生，其中有一些具有自适应能力的元器件要通过不断检测一些参量才能完成工作。例如，利用电磁力使主轴悬浮在磁场中磁浮轴承
13、，具有无接触、无磨损、寿命长、不需润滑和密封等优点，具有很高的转速性能和精度，是高速加工机床主轴理想的支承元件。而磁浮轴承在工作时，必须用高灵敏度的传感器对转子的位置不断进行检测，并将信号传给 PID控制器。3 新技术对数控技术影响3.1 直线电机直线电机是将传统圆筒型电机的初级展开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定子部分变为直线电机的初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在初级和次级间产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时问变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为
14、行波磁场。当次级的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。传统电机丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差等。直线电机不仅无此缺陷，精度可以是丝杆的 10倍甚至 100 倍，加速度可以是传统机床的 20 倍以上。结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等优点。无后冲、无需包装、速度范围宽，从微米/秒到超过 10 米/秒、运动平滑，真正的无声运动、无需维护的电机，没有任何内部的运动部件、运动惯量更小、动态响应性能更佳、运行更平稳、刚度提高 7 倍，最高响应频率达 100
15、Hz，还有较大的发展余地。3.2 数控系统刀具插补技术目前，根据插补计算的实现方式不同，主要有脉冲式增量插补和数据采样插补两种方式。采用数据采样插补方式，其实现的原理是按照预先计算好的插补增量，预先生成插补数字量，避免实时产生单个脉冲控制量。这种插补方式将插补过程分为粗插补和精插补两个阶段，在粗插补阶段中，先用一条近似接近目标曲线的折线段进行插补，然后在对折线段中的每一小段直线再进行进一步的精细插补，最终实现对加工轨迹的插补。根据这两种插补方式的特点和应用场合不同，文中在设计开放式数控系统的插补过程时，采用的是数据采样的插补方式。在插补过程中，首先需要根据待插补的工件表面曲线划分形成近似折线，
16、每一段折线实际上即为插补的步长。按照数据采样的插补原理，首先形成粗近似折线，然后再对每个粗步长进行精细化处理，形成精细步长。然后运行插补算法，插补算法将对每一个插补步长进行计算，得到在当前加工点的插补量。由于在加工过程中，加工刀具一直处于连续运动状态，因此在对每个插补点计算插补量时，必须确保计算的时间要比相邻 2 个插补点的时间差小得多。因为在2 个插补点的时间差中，数控系统不仅需要完成对插补量的计算，而且还需要完成整个数控系统正常运行的其他功能，如任务的管理、用户接口的响应等等。计算得到插补量之后，再转换成位置控制参数、切割速度控制参数等，之后再通过电流反馈装置，将各种控制参数输出至伺服电机
17、，控制加工刀具的实际运动控制过程。好的插补方法可以提高数控系统的加工精度。4 小结数控技术是实现机械制造自动化的关键。从我国基本国情的角度出发，以国家战略需求和国民经济市场需求为导向，以提高我国装备制造业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统方法，选择能主导 21 世纪初期我国装备制造业发展升级的关键技术及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现装备制造业的跨跃式发展。在实现数控技术的高精度化条件下，我国的数控产业和制造业将会迎来美好的明天。参考文献1侯凤媛.数控技术的研究现状与发展方向J. 机电技术,2012,6(3):1671732于海澜.数控技术的发展趋势J. 湖 南 农 机,2012,39(5):1271283郑俊.基于 DSP 的永磁同步直线电机伺服系统的设计与研究D.广东：广东工业大学，20124杨垆昱,高云茜.新技术在数控机床中的应用现状与前景 J.科技论坛,2012,6:455黄鹏.开放式数控系统的关键技术研究J. 煤 炭 技 术,2012,31(1):26286王堂祥.浅谈数控技术在国内机械制造业中的发展趋势J. 科技视野,2012,28:515
