数控技术在制造业中的应用

1、摘要： 数控技术在当今制造业中占据着非常重要的地位。本文以数控火焰切割机为例，介绍了数控机床的数控系统的开发。关键词： 数控技术 制造业 数控火焰切割机1 数控技术的概况1.1 数控技术的现状计算机的发明与应用是 20 世纪人类社会最伟大的科技成果， 而计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、 信息处理技术等多学科交叉的综合技术， 是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。 它是为适应高精度、 高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、

2、集成化、网络化的基础，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。在机械制造业中，数控加工技术已经越来越受到重视。随着计算机技术为主流的现代科技技术发展和市场产品竞争的加剧，传统的机械制造技术很难满足现代产品多样化的发展和日新月异的换代速度，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资， 对现代制造技术进行研究开发， 提出了全新的制造模式。1.2 数控技术的发展从第一台数控机床开发成功到现在已有 50 多年的历史， 由传统的封闭式数控系统发展到现今的开放式 PC数控系统。传统的计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、软件移植性、功能扩展和维修都比较困难。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。开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便， 具有较高的性能价格比， 已成为数控系统发展的方向。2 机械制造中数控技术的应用2.1 机床设备机床设备是机械制造中的重中之重，面对现代机械制造业的需求，具备了控制能力的机床设备是现代机电一体化产品的重要组成部分。 计算机数控技术为机械制造业提供了良好的机床控制能力， 即把计算机控制装置运用到机床上， 也就是用数控技术对机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机

4、床。2.1.1 数控机床的组成机床 I/Q电路机床和装置操作台主轴伺服主轴驱动主进PLC装置运给单元动传机动构机进给伺服进给驱动构单元装置数 控输入 /输出装 置设备测量装置2.1.2 数控机床的工作原理除机床本体之外的部分统称为计算机数控（CNC）系统。首先根据零件图制定工艺方案，采用手工或计算机进行零件程序的编制，并把编好的零件程序存放于某种控制介质中。然后经相应的输入装置把存放在该介质上的零件程序输入至CNC装置。CNC装置根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理， 输入位置控制指令到进给伺服驱动系统以实现刀具和工件的相对移动， 输出速度控制指令到主轴伺服驱动系统以实现切削，输出 M、

5、S、T 指令到 PLC以实现顺序动作的开关量 I/Q 控制，从而加工出图纸要求的零件。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部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节

6、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，己不适应日益复杂的制造过程。2.2 基于工业计算机的数控火焰切割机数控系统开发在机床控制领域，采用工业计算机，发展通用的数控系统，已成为国际研究的热点，符合数控技术发展的最新潮流。 工业计算机与个人计算机兼容， 因此可以吸收计算机发展的最新成果， 从而简化数控系统的开发过程， 缩短数控系统的开发周期，提高产品的竞争力。2.2.1数控火焰切割机加工工艺特点数控火焰切割机具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序，自动完

7、成从点火 - 预热 - 通切割氧 - 切割 - 熄火 - 返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧 - 乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切割， 而不像金属切削机床那样， 是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。 由于各种因素的影响， 有时会发生钢板未割穿的现象，此时割炬应暂停下来按原轨迹准确地返回到未割穿点， 再按原轨迹重新切割，因此数控火焰切割机必须具有随时实现暂停及按原轨迹返回的功能。2.2.2数控系统硬件设计组成该数控火焰切割机数控系统的硬件，主要包括工业 PC机、运动控制卡和伺服系统。其中工业 PC机是数控系统的核心，它

8、担负着切割机运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务。运动控制卡插在工业 PC机的扩展槽中，它一方面与伺服系统相连，实现对切割机运动轨迹的控制（精插补） ；另一方面与机床控制面板及控制气源的继电器相连， 通过控制面板，可以调整机床的位置，指令机床启动、 暂停或沿原切割轨迹返回， 还能实现切割速度的加速与减速；通过继电器， 可以控制氧气和乙炔气体的开关。 伺服系统可以选择步进伺服系统或数字式交流伺服系统。运动控制卡由自己设计， 它主要包括译码电路、 振荡电路、 I O端口电路、脉冲控制电路、 中断电路以及光电隔离输入输出电路。 其中译码电路为运动控制卡提供一个接口地址段， 通过拨码开关可

9、以更改该地址段的范围； 振荡电路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源；I/O端口电路由两片8255 并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床按钮信号；脉冲控制电路由两片8254 计数器组成，每片 8254 计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制软件提供硬件中断信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业PC机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。2.2.3控制软件设计控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。根据切割加工工艺的要求，同时又能充分发挥工业PC机的优点，该切割机的控制软件按以下模块化方式来设计。（1）界面设计该

10、控制软件的界面分成三个区域：图形仿真跟踪区、状态显示区以及操作说明区。图形仿真跟踪区用于显示数控加工文件所指定零件的图样， 并在切割过程中跟踪割炬的运动轨迹； 状态显示区显示切割机目前的状态参数， 如切割速度、割炬当前坐标等；操作说明区简要介绍各种功能所对应的热键，如暂停、返回、加减速及点动等功能的热键。热键的功能与操作面板上按钮的功能相同。（2）系统初始化及切割等待由于运动控制卡上的 8255 并行口和 8254 计数器均属于可编程序芯片，因此，在它们工作前必须对它们进行初始化， 按照工作方式确定它们的控制字。 在初始化以后， 系统便处于切割等待状态， 此时可以调整机床的位置、 检验自动点火

11、装置以及通气用的电磁阀是否工作正常。（3）程序检验及图形仿真当数控加工程序指定以后，首先要检验输入的数据文件是否符合规定的要求，一旦发现指定的文件中有非法的指令， 则退出控制程序， 并提示编程人员哪一行出现哪一种类型的错误， 编程人员修改好数控加工程序以后， 可继续进入控制程序。如果数控加工程序正确， 系统便将读入的数控加工程序经过处理在图形仿真区中画出零件图形，无论零件有多大或多小，系统都能自动按比例缩放。（4）数控加工程序处理为了节省计算机在插补过程中的运算时间，在正式插补前对数控加工程序作一些预处理是十分必要的，预处理主要包括长直线段的预处理和圆弧的预处理。由于运动控制卡一次计数的范围有

12、限， 因此当长直线段超出计数器的计数范围时，须将长直线段分解成若干段小直线段， 防止计数值溢出。 又由于运动控制卡不能直接用来对圆弧进行插补， 因此必须在误差允许的范围内将圆弧分解成小直线段，在相同误差范围内，该方法对圆弧的分解是最为有效的。从实际出发，我们选择最大的误差为 1BLU，即 EH=ER=1BLU，则在计算出小直线段对应的圆弧夹角 后，便可通过几何关系计算出从圆弧起点到终点各小直线段的节点坐标。（5）插补控制及轨迹的动态跟踪在插补过程中，计算机一方面根据数控加工程序中的数值以及各轴的脉冲当量计算出 X 轴、 Y 轴的脉冲数；另一方面根据指定的切割速度，计算出各轴的分频系数。并在上一

13、条指令执行结束时， 将计算出的脉冲数和分频系数送到对应 8254 计数器的对应通道。另外，计算机通过不停地读回 8254 计数器的计数值，得到剩余的脉冲数，经过数据处理得到割炬当前的屏幕坐标，并用小箭头指示。因此从显示屏上，操作者可以清楚地看到当前的切割位置。（6）按原轨迹返回功能的实现在切割过程中，若发现有未割穿的情况，此时可以按下暂停键，暂时中断切割并自动关闭切割氧； 再按下返回键， 割炬便准确地按原轨迹返回； 待割炬返回到未割穿点以后， 再次按下暂停键并按启动键， 切割机便自动打开切割氧， 重新进行切割。在按下返回键时，计算机便从运动控制卡上的8254 计数器中读回剩余的脉冲数，与原来的

14、脉冲数进行比较，将差值送回 8254 计数器，并使方向信号反相，这样便使割炬按原轨迹返回。 在该指令结束时， 使系统指回上一条指令，从而实现线段之间的连续返回。 在返回过程中， 指示割炬位置的小箭头也按原轨迹返回。（7）系统管理系统管理是用来在切割过程中对整个系统的管理，包括暂停、启动、退出、升降速的控制以及对限位信号的处理。该数控系统具有良好的人机界面及切割轨迹的动态跟踪功能，使用操作十分方便，适合于工业现场使用。与原有的单片机数控系统相比，该系统取消了纸带穿孔机和纸带阅读机，消除了由此产生的故障，提高了系统可行性及加工效率。2.3 计算机工业控制2.3.1 工业控制计算机的硬件组成主机板人

15、机接口系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道（AI ）模拟量输出通道（AO）数字量输入通道（DI）数字量输出通道（DO）2.3.2 工业控制计算机的总线结构工业控制机的一大特点是采用了总线结构， 它的总线是一组信号线的集合，它定义了个引线的信号、 电气、机械特性， 是计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立起信号联系， 进行信息传送和通信。 总线是工业控制机的重要组成部分。工业机器人和传统的数控系统一样是由控制单元、驱动单元和执行机构组成的。主要运用机器设备的生产线上， 或者运用于复杂恶劣的劳动环境下下， 完成人类难以完成的工作， 很大程度上改善了劳动条件， 保证了生产质量和人身安全。

16、在实际操作中，控制单元是由计算机系统组成，指挥机器人按照写入内核的程序向驱动单元发出指令， 完成预想的操作， 同时同步检测执行动作， 一旦出现错误或发生故障， 由传感系统和检测系统反馈到控制单元， 发出报警信号和相应的保护动作。 而执行机构是由伺服系统和机械构件组成。 有动力部分向执行机构提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下完成规定操作。2.4 其它应用2.4.1 煤矿机械现代采煤机开发速度快、品种多，都是小批量的生产，传统机械加工难以实现单件的下料问题， 而使用数控气割， 代替了过去流行的仿型法， 使用龙骨板程序对采煤机叶片、 滚筒等下料， 从而优化套料的选用方案。 使其发挥了切割速度快、质量可靠的优势， 一些零件的焊接坡口可直接割出， 这样大大提高了生产效率。2.4.2 汽车工业汽车工业近 20 年来发展尤为迅猛，在快速发展的过程中，汽车零部件的加工技术也在快速发展， 数控技术的出现， 更加快了复杂零部件快速制造的实现过程。数控加工技术中的快速成形制造技术在复杂的零部件加工制造中可以很轻易方便的实现，不仅如此，数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等，在汽车制造工业中都得到了广泛深入的应用。21 世纪的汽车加工制造业已经离不开数控加工技术的应用了。面对多品种小批量生产比重