機械制造中的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用探討

　　本文通過筆者多年經(jīng)驗，論述了如何利用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的靈活性，最大限度的應(yīng)用于機械制造行業(yè)。介紹了數(shù)控技術(shù)原理、主要數(shù)控技術(shù)設(shè)備及數(shù)控技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用。

　　《機床與液壓》雜志是中國科協(xié)主管，由中國機械工程學(xué)會、廣州機械科學(xué)研究院聯(lián)合主辦的全國性刊物，創(chuàng)刊于1973年，國內(nèi)外公開發(fā)行。

　　1、數(shù)控技術(shù)的概述

　　數(shù)控技術(shù)是根據(jù)設(shè)計和工藝要求，用計算機對產(chǎn)品加工過程進(jìn)行數(shù)字化信息處理與控制，達(dá)到生產(chǎn)自動化、提高綜合效益的一門技術(shù)。這種技術(shù)用計算機按事先存儲的控制程序來執(zhí)行對設(shè)備的控制功能。數(shù)控技術(shù)是典型的機械、電子、自動控制、計算機和檢測技術(shù)密切結(jié)合的機電一體化高新技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是實現(xiàn)制造過程自動化的基礎(chǔ)，是自動化柔性系統(tǒng)的核心，是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)控技術(shù)把機械裝備的功能、效率、可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量提高到一個新水平，使傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)生了極其深刻的變化。

　　2、數(shù)控技術(shù)的原理

　　所謂數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)綜合運用了計算機、自動控制、電氣傳動、精密測量、機械制造等多門技術(shù)而發(fā)展來的，它是自動化機械系統(tǒng)、機器人、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)等高技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　2.1CNC系統(tǒng)的組成

　　現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)，主要是靠存儲程序來實現(xiàn)各種機床的不同控制要求。由圖1可知，整個數(shù)控系統(tǒng)是由程序、輸入、輸出設(shè)備、計算機數(shù)控(CNC)裝置、可編程控制單元、主軸控制單元和速度控制單元等部分組成，習(xí)慣上簡稱為CNC系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字值并將其譯碼，從而使機床動作并加工出符合要求的零件。

　　2.2CNC裝置的工作原理

　　CNC系統(tǒng)的核心是CNC裝置。CNC裝置實質(zhì)上是一種專用計算機，它除了具有一般計算機的結(jié)構(gòu)外，還有和數(shù)控機床功能有關(guān)的功能模塊結(jié)構(gòu)和接口單元。CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組成。CNC裝置的工作過程是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的過程。CNC裝置的工作原理是通過輸入設(shè)備輸入機床加工所需的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過譯碼、計算機的處理、運算，將每個坐標(biāo)軸的移動分量送到其相應(yīng)的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大，驅(qū)動伺服電機，帶動坐標(biāo)軸運動，同時進(jìn)行實時位置反饋控制，使每個坐標(biāo)軸都能精確移動到指令所需求的位置。

　　2.3CNC裝置的插補原理

　　對于連續(xù)切削的CNC機床，不僅要求工作臺準(zhǔn)確定位，還必須控制刀具相對于工件給定速度沿著指定的路徑運動，進(jìn)行切削運動，并保證切削過程中每一點的精度和粗糙度，這取決于CNC裝置的插補功能。數(shù)控機床加工曲線時，用一小段折線逼近要加工的曲線。“插補”實質(zhì)是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓線型的有限信息，計算出刀具的一系列加工點、完成所謂的數(shù)據(jù)“密化”工作。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補工作的裝置稱為插補器。硬件插補器由分立元件或集成電路組成，特點是運算速度快，但靈活性差，不易改變。軟件插補器利用CPU通過軟件編程實現(xiàn)，其特點是靈活易變，但插補速度受CPU速度和插補算法影響。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大多采用軟件插補或硬件插補相結(jié)合的方法。

　　3、數(shù)控技術(shù)裝備

　　效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。數(shù)控技術(shù)也在逐步適應(yīng)制造技術(shù)的發(fā)展需求趨勢，向著更人性化、智能化等方向發(fā)展。

　　3.1自動控制及智能化的數(shù)字伺服技術(shù)

　　自動控制理論和伺服驅(qū)動技術(shù)對數(shù)控機床的功能、動態(tài)特性和控制品質(zhì)具有決定性影響。在對一個具體的控制裝置或系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和現(xiàn)場調(diào)試中，自動控制理論具有重要的理論指導(dǎo)作用。在伺服速度環(huán)控制中采用的前饋控制，使傳統(tǒng)的位置環(huán)偏差控制的跟蹤滯后現(xiàn)象得到了很大的改善，而且增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和伺服精度。交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速，交流傳動系統(tǒng)已由模擬化向數(shù)字化方向發(fā)展，而且向智能化的數(shù)字伺服技術(shù)發(fā)展。以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。與交流伺服電動機驅(qū)動技術(shù)相配套的是電力電子技術(shù)，它提供了瞬時輸出很大的峰值電流和完善的保護(hù)功能。

　　3.2精密機械技術(shù)

　　精密機械技術(shù)是數(shù)控機床的基礎(chǔ)，它包括精密機械設(shè)計和精密機械加工兩大方面。精密機械技術(shù)，當(dāng)今正面臨著重大的挑戰(zhàn)。機械系統(tǒng)自身在結(jié)構(gòu)及傳動精度、剛度、體積、質(zhì)量和壽命等方面對數(shù)控機床仍具有舉足輕重的影響。在制造過程所使用的機電一體化系統(tǒng)中，雖然傳統(tǒng)的機械理論與加工工藝借助于計算機輔助技術(shù)、人工智能和專家系統(tǒng)，形成新一代的機械制造技術(shù)。但傳統(tǒng)的以知識和技能形式存在的機械技術(shù)是任何其它技術(shù)所無法取代的。因此對一臺數(shù)控機床而言，機械結(jié)構(gòu)和傳動占了很大比例，不斷發(fā)展各種新的設(shè)計計算方法和新型結(jié)構(gòu)，采用新材料和新工藝，使新一代數(shù)控機床的主機具有高精度、高速度、高可靠性、體積小、質(zhì)量小、維護(hù)方便和價格低廉的機械結(jié)構(gòu)。

　　3.3精密檢測和智能化的傳感技術(shù)

　　精密檢測和傳感技術(shù)一直是閉環(huán)和半閉環(huán)控制的系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，檢測和傳感裝置則是實現(xiàn)自動化控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。精密檢測和傳感的精度與功能直接影響自動控制的品質(zhì)，在精度補償方面發(fā)揮重要作用。精密檢測的關(guān)鍵元件是傳感器，數(shù)控系統(tǒng)要求傳感器能快速、精確地獲取信息，并在各種各樣的工作環(huán)境下能夠

　　可靠地運行。智能化的傳感技術(shù)伴隨著計算機應(yīng)用和人工智能的發(fā)展而被人們所重視，帶智能的傳感裝置本身就具有部分“決策”功能。總體上說，與計算機技術(shù)的發(fā)展相比，傳感與檢測技術(shù)的發(fā)展相對滯后，難以滿足相關(guān)技術(shù)需要，因此必須給予更多的關(guān)注。

　　4數(shù)控技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用

　　4.1數(shù)控技術(shù)在機床上的應(yīng)用

　　計算機數(shù)控技術(shù)為機械制造業(yè)提供了良好的機床控制能力，即把計算機控制裝置運用到機床上，也就是用數(shù)控技術(shù)對機床的加工實施控制。數(shù)控機床的工作過程是將加工零件的幾何信息和工藝信息進(jìn)行數(shù)字化處理，即對所有的操作步驟(如機床的啟動或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松夾、刀具的選擇和交換、切削液的開或關(guān)等)和刀具與工件間的相對位移以及進(jìn)給速度等都用數(shù)字化的代碼表示。在加工前由編程人員按規(guī)定的代碼將零件的圖紙編制成程序，然后通過程序載體(如穿孔帶、磁帶、磁盤、光盤和半導(dǎo)體存儲器等)或手工直接輸入(MDI)方式將數(shù)字信息送入數(shù)控系統(tǒng)的計算機中進(jìn)行處理，最后通過驅(qū)動電路又伺服裝置控制機床實現(xiàn)自動加工。數(shù)控機床的最大特點是當(dāng)改變加工零件時，一般只需要向數(shù)控系統(tǒng)輸入新的加工程序，而不需要對機床進(jìn)行人工的調(diào)整和直接參與操作，就可以自動地完成整個加工過程。

　　4.2數(shù)控系統(tǒng)在采煤機制造方面的應(yīng)用

　　現(xiàn)代采煤機開發(fā)速度快、品種多，都是小批量的生產(chǎn)，各種機殼的毛坯制造越來越多地采用焊件,傳統(tǒng)機械加工難以實現(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形法，使用龍骨板程序?qū)Σ擅簷C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。在切削加工方面的應(yīng)用，可實現(xiàn)形狀復(fù)雜、精度要求高的零件加工。在采煤機浮動油封的結(jié)構(gòu)中，使用時要求內(nèi)環(huán)的凸曲面與外環(huán)的凹曲面的密封圈各處壓縮量相等。壓縮接觸面積均勻，才能滿足密封的功能，因此內(nèi)外環(huán)凸凹曲面的加工精度直接影響密封的可靠性。用數(shù)控機床編程加工，較容易的保證其曲面精度，滿足了浮動油封的使用要求。此外，在采煤機減速機構(gòu)中，其行星架等分孔的等分精度幾每行孔的同軸精度都直接影響整機的傳動精度和使用壽命，在加工中心上加工行星架，不僅保證了圖樣的精度要求，同時加工效率也很高，是用坐標(biāo)鏜床加工的5~8倍。目前，所有采煤機種大模數(shù)少齒數(shù)的齒輪一般都是用數(shù)控鏜銑床編程加工的，編出加工一個齒形的子程序，利用角度偏置或坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)編程功能，加工其余齒形。精度滿足使用要求，加工效率比較高。

　　在壓力加工技術(shù)方面，在熱壓力加工范圍內(nèi)，數(shù)控系統(tǒng)在熱態(tài)成型方面起著越來越大的作用。在液壓鍛造壓力機上裝上數(shù)控系統(tǒng)，能夠達(dá)到較高的工作速度，提高了生產(chǎn)率，縮短了每件加工時間，降低了能耗，鍛造精度高壓力機的經(jīng)濟(jì)性得到明顯提高。

　　5結(jié)論

　　廣泛采用數(shù)控技術(shù)，并將其應(yīng)用于制造業(yè)，無論從戰(zhàn)略角度還是發(fā)展策略，都是我國實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)大國必須要大力提倡和廣泛發(fā)展的必經(jīng)之路。

　　參考文獻(xiàn)：

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