机电数控技术的结合效应

摘要： 机电一体化技术将机械技术和电子技术有机结合在一起，使它们可以发挥出更大的作用。数控技术则利用以数字代码为基本形式的程序指令来控制机电设备的运动速度、工作程序以及运动轨迹等，进而实现操作和控制的自动化。本文以具有代表性的数控车床为例，分析和探讨了机电数控技术的实施及开发的相关问题。关键词： 机电一体化；数控技术；技术开发

中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0029-021 数控车床及其数控技术概述

数控技术的典型应用就是在数控车床上面。数控车床的水平在一定程度上代表了一个国家机械制造业的生产能力。简单来说，数控车床主要是指采用数控技术的车床，该车床的各种加工操作均可以由以数字代码为基本形式的程序指令来完成，基本已经是实现了加工的自动化。

数控车床的加工性能要显著高于普通的自动车床。它具有良好的加工适应性，更换加工对象时，通常只需要一起更换相应的程序命令即可。不仅如此，数控车床拥有加工精确、加工复杂零部件的能力，所以特别适合于目前流行的小批量生产模式，能够满足该生产模式对于精度要求高、形状复杂以及改型频繁的相关要求。目前数控车床主要包括三个大部分：数控系统、伺服系统和车床主体。其中数控系统相当于人类的大脑，负责各种逻辑运算，它主要包括程序读入设备以及由各种电子电路构成的输入/输出设备、运算核心和控制部分等。依照控制功能的差异，可以将数控系统分为点位控制系统、直线控制系统和连续轨迹控制系统等三个大类。伺服系统也是数控车床的重要构成部分之一，它主要包括开环伺服结构、半闭环伺服结构和闭环伺服结构。开环伺服结构没有安装位置监测设备，无法进行加工位置信息的反馈，因此，加工速度和加工精度均受到了一定的限制，但是这种伺服结构形式最为简单。半闭环伺服结构的主要由位置监测设备、速度检测设备、伺服电机和伺服放大电路以及比较电路等构成，该结构形式由于具有位置检测设备，可以间接地检测出工作台的位置，所以，半闭环伺服结构的加工速度、加工精度以及动态特性方面均要显著与开环伺服结构形式，中小型数控车床都采用了半闭环伺服结构，目前应用范围较广。闭环伺服结构和半闭环伺服结构具有基本上一样的结构形式和工作原理，但是该结构下的位置检测设备（采用光栅、磁栅等）可以直接检测出工作台的工作位置，其反馈精度最高，但是调试难度也是最大的，因此大型数控车床和高精度数控车床都采用了闭环伺服结构。数控机床的车床主体结构设计充分考虑了刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性等要求，使其具备了工艺适应性能，尤其是连续稳定工作的能力。

当前，计算机技术、微电子技术以及软件编程技术的持续发展为机电一体化的发展提供了支持，数控机床的控制系统也更加的多功能化和智能化，不仅具备了拥有实用价值的故障自我诊断功能，还逐渐了实现了编程的自动化，同时借助于多种监控功能实现了数控车床加工的高度自动化。

2 开放式结构

数控技术进行半个多世纪的发展，已经逐步地完善和成熟。随着数控系统当中越来越多地融入加工工艺、操作技能以及管理经验等信息，目前的数控系统已经具备了相当程度的智能化水平；同时，故障自我诊断、图形交互功能的开发和应用更是在很大程度上促进了数控系统的发展和优化。开放的开放平台和友好的人际界面是实现上述目标的重要基础，借助于该基础——开放式结构的数控系统，人们才能够更加自由地表达并执行自己的思路。当前，开放式结构的数控系统主要表现为以下两种形式：第一种，CNC+PC主板的结构形式。即将PC主板插入到CNC设备中；第二种，PC+运动控制板的结构形式，即将运动控制板插入PC机的标准插槽中。对于熟悉PC计算机的系统开发厂家而言，选择第二种结构形式显然更加具备优势。但是可靠性是数控系统的核心特性，没有高度可靠性是不能够在生产实践当中得到长久应用，因此，类似PC计算机的死机问题是完全不能发生的。高精度、高速度的加工要求对于数控系统而言同样非常重要，采用开放性的体系结构会影响那些已经生产出大量数控系统厂家，这些厂家会因为采用开放性结构而影响到原有系统的可靠性和维护服务质量。采用第一种方案便可以很好地增加数控系统的开放性，即不对原厂的数控系统进行任何变动，并在此基础上为其增加一块PC板，用户通过鼠标和键盘便实现了PC和CNC的紧密联系，它不仅具有可靠的工作性能，而且界面开放。

3 软件伺服驱动技术

上文中已经论述，伺服系统（技术）是整个数控系统的关键性构成部分。软件伺服驱动技术主要是指在计算机的控制下，利用控制算法软件进行驱动控制的伺服设备的相关技术。该技术的优点比较突出，主要包括：第一，不存在温漂问题，具有良好的稳定性；第二，采用参数对设定，减少了调整次数；第三，以数值计算作为基础，拥有很高的精度；第四，做成ASIC电路的难度相对比较小。在上个世纪的七十年代，直流力矩伺服电机在美国首先诞生，直流电机驱动并获得了大量应用，同时，闭环伺服系统结构逐渐取代了开环伺服系统结构。但是，生产实践显示直流电机存在着下述两个不足：第一，电刷维护和换向器维护难度较大，不方便；第二，电机的工作环境、最高转速以及电机容量均受到了严重地限制。虽然交流电机结构简单、成本低廉，但是其控制性要显著低于直流电机，这是在相当长的时间内直流电机获得应用而交流电机备受冷落的一个重要因素。

电力电子技术的进一步发展催生了交流异步机的矢量控制以及后续的基于微处理器的矢量控制，实现了矢量控制的能够实际应用的目标。永磁无刷电机因为良好的伺服性能在上个世纪的八十年代开始成为了数控系统的重要驱动设备之一。所谓的永磁无刷电机就是对直流电机进行了“里翻外”的处理，具体而言，将转子视为永磁部分，同时把电驱绕组装在定子之上，由电机转子轴上的编码器测出磁极位置。直线电机的诞生使数控车床的加工速度和加工精度更上一层楼。直线电机主要由线卷滑座和磁板这两个非接触元件构成。因为电磁力在不需要机械连接的情况下可以直接对移动元件进行作用，所以不存在螺距周期误差以及机械滞后等问题，加工精度完全取决于直线反馈系统和分级的支承，同时采用了全数字式的伺服驱动方式，频响好、刚性高。但是在使用中普遍存在漏磁、发热、推力小等问题，而且造价较高，影响了它的推广使用。

综合来看，现代化数控系统的伺服技术的重大突破体现在：直流驱动向交流驱动的转变、模拟控制向数字化控制的转变、硬件控制向软件控制的转变。例如，交流数字驱动系统是目前应用于数控机床伺服进给和主轴装置上面的重要控制系统之一。微电子技术、现代控制理论、电力电子技术的发展尤其是计算机处理能力和逻辑运算能力的提升推动了软件伺服驱动技术的完善和优化。例如，DSP的应用在减少采样时间的同时，也提高了系统的计算速度。这些技术增强了伺服系统的柔性、方便了系统调试、提高了系统可靠性、改善了系统性能。

4 网络通信能力

适应工厂自动化需要，支持标准FA网络及DNC的连接。①工厂干线或控制层通信网络：由PC机通过以太网控制多台15i/150i组成的加工单元，可以传送数据、参数等。②设备层通信网络：15i/150i采用I/O LINK与日本标准JPCN—1相对应的一种现场总线。③通过RS—485接口传送I/O信号，也可采用Prellbus—DP（符合欧洲1标准EN50170）以12Mbps进行高速通信。

5 CNC系统的联网

数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信，网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分四级：首先，企业（公司）管理级，一般由以太网组成，负责总的协调，安排总生产计划，进行企业（公司）经营方向的决策等。其次，一般由以太网组成，负责全厂各车间生产调度，包括安排生产计划、备品备件等。再次，车间单元控制级。一般由DNC功能进行控制。通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传或下传；读、写CNC的数据；PLC数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的DNC还可以对CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理。CNC与通信网络联系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信，进而，把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。最后，现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I/O控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及CIMS系统的基础。

6 PMC处理器控制

第一，梯形图和顺序程序由专用的PMC处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。第二，基本PMC指令执行时间为0.085ps；最大步数32000步。第三，可以用C语言编程；32位的C语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的PMC处理器并行工作。第四，可在PC机上进行程序开发。

7 良好的操作维修

第一，具有触摸面板，容易操作。第二，可采用存储卡改变输入输出数控技术的发展趋势。智能化、网络化、集成化、微机电控制系统及数字化。

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品。其技术范围覆盖很多领域：伺服驱动技术；传感器技术；机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。

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