喬召

摘要：數(shù)控技術(shù)是機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械制造自動(dòng)化水平也越來越高。本文簡單介紹了數(shù)控機(jī)床及數(shù)控加工技術(shù)，分析了自動(dòng)化機(jī)械制造中的數(shù)控技術(shù)。探討了數(shù)控工藝的應(yīng)用領(lǐng)域。最后分析了數(shù)控工藝技術(shù)的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢。旨在為機(jī)械制造自動(dòng)化、智能化的建設(shè)提供一些參考。

Abstract： Numerical control technology is the basis of the development of mechanical manufacturing automation. With the development of numerical control technology in China， the automation level of mechanical manufacturing is getting higher and higher. This paper briefly introduces NC machine tools and NC machining technology， and analyzes the NC technology in automatic machinery manufacturing. The application fields of numerical control technology are discussed. Finally， the application prospect and development trend of numerical control technology are analyzed. The purpose is to provide some references for the construction of automation and intelligence of mechanical manufacturing.

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù);自動(dòng)化;機(jī)械制造;智能化;應(yīng)用

Key words： numerical control technology;automation;machinery manufacturing;intelligentization;application

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0059-02

0? 引言

1952年，世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國誕生，它的誕生開啟了機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展的大門，使程序控制成為機(jī)械制造控制管理的重要手段。自數(shù)控機(jī)床誕生以來，程序控制貫穿始終，成為自動(dòng)化創(chuàng)新的源泉。程序員按照加工零件要求的幾何形狀、加工工藝及其他要求編制加工程序，再由數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后控制機(jī)床加工，就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工的過程。隨著數(shù)控系統(tǒng)的更新與進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)的編碼功能獨(dú)立性越來越強(qiáng)。表現(xiàn)為自適應(yīng)性越來越高、操作越來越簡單、管理越來越現(xiàn)代化、故障診斷及監(jiān)控越來越智能化。數(shù)控系統(tǒng)編碼的獨(dú)立性則為機(jī)械制造自動(dòng)化向智能化的轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)，也決定了未來機(jī)械制造智能化發(fā)展的方向。研究數(shù)控技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造中應(yīng)用對(duì)機(jī)械制造從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型的發(fā)展有著重要的意義。

1? 數(shù)控機(jī)床及數(shù)控加工技術(shù)概念界定

1.1 數(shù)控機(jī)床

①定義。數(shù)控機(jī)床是指一種綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測量、機(jī)械設(shè)計(jì)等新興技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。簡而言之，是一種裝有數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。

②組成。數(shù)控機(jī)床有數(shù)控程序、輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、機(jī)床本體等部分組成。

1.2 數(shù)控加工技術(shù)

①定義。數(shù)控加工技術(shù)指數(shù)字控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)下的機(jī)械加工技術(shù)。

②數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是指一種能自動(dòng)完成信息處理（輸入、譯碼、運(yùn)算），從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過程的控制系統(tǒng)。

③數(shù)控編程。數(shù)控編碼指對(duì)工件編寫加工程序。包括零件圖進(jìn)行分析、工藝處理、數(shù)學(xué)處理、編程程序單、制造控制介質(zhì)及程序檢驗(yàn)的整個(gè)過程。分為手動(dòng)編程和自動(dòng)編程。

2? 自動(dòng)化機(jī)械制造中的數(shù)控技術(shù)

2.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)指用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)，簡稱CNC系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)由程序、輸入/輸出裝置、CNC裝置、PLC裝置、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置組成。其中CNC裝置中引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)，從而使數(shù)控系統(tǒng)具備了軟件功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與遠(yuǎn)程通信功能有著緊密的關(guān)系。為了確保通信的可靠性，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中采用了多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)。微處理機(jī)的部件之間應(yīng)用緊耦合技術(shù)構(gòu)建了多種操作系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的功能更加集中。這樣就可以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的并行控制與處理。CNC裝置的結(jié)構(gòu)分為四種，分別是共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、共享總線結(jié)構(gòu)、大阪式結(jié)構(gòu)、功能模塊結(jié)構(gòu)。共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用了公共存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)形式，各個(gè)模塊之間采用多端口連接的形式。這種設(shè)計(jì)形式能有效的防止存儲(chǔ)器資源共享和系統(tǒng)多端控制時(shí)，系統(tǒng)多個(gè)模塊之間信息傳輸?shù)恼系K與沖突，確保通信的可靠性。共享總線結(jié)構(gòu)采用了總線-模塊式設(shè)計(jì)。所有的模塊都直接圍繞系統(tǒng)總線連接，連接標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行系統(tǒng)總線連接標(biāo)準(zhǔn)。這種方式能有效的防止多模塊同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送請求時(shí)信息線路競爭的問題。大阪式結(jié)構(gòu)的主電路板為大印刷電路板，其他電路為小印刷電路板。小印刷電路板直接插在大印刷電路的可槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)多電路信息的同時(shí)運(yùn)行與控制。功能模塊結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊制成印刷電路板，即實(shí)現(xiàn)硬件與軟件的模塊化設(shè)計(jì)和對(duì)多模塊的同時(shí)控制。

2.2 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)及主軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)也叫隨動(dòng)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行兩部分。驅(qū)動(dòng)部分用于控制主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。執(zhí)行部分有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制。伺服系統(tǒng)收到計(jì)算機(jī)控制裝置的脈沖信號(hào)后自動(dòng)將指令轉(zhuǎn)化為數(shù)控設(shè)備移動(dòng)部件的運(yùn)行指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行。根據(jù)控制形式，伺服系統(tǒng)分為開關(guān)控制、閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制三種。開環(huán)控制信號(hào)脈沖傳輸流程參考如下：數(shù)控裝置發(fā)出信號(hào)脈沖→指令進(jìn)給脈沖→驅(qū)動(dòng)電路→步進(jìn)電動(dòng)機(jī)→傳動(dòng)結(jié)構(gòu)→工作臺(tái)。閉環(huán)控制信號(hào)脈沖傳輸流程參考如下：數(shù)控裝置發(fā)出信號(hào)脈沖→伺服放大器→伺服電機(jī)→工作臺(tái)。工作臺(tái)傳輸給檢測裝置形成反饋脈沖，在反饋給數(shù)控裝置。整個(gè)控制過程中的控制作用包括指令位置、位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、伺服方大、速度測量、位置測量。半閉環(huán)控制的信號(hào)脈沖循環(huán)過程與變換控制類型，只是信號(hào)脈沖循環(huán)到伺服電機(jī)就停止向工作臺(tái)傳輸，而是直接轉(zhuǎn)向位移檢測裝置，形成反饋脈沖，反饋給數(shù)控裝置。半閉環(huán)控制過程中的作用包括指令位置、位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、伺服方大、速度測量、角度測量。將數(shù)控機(jī)床的電機(jī)與主軸設(shè)計(jì)為一體化，利用伺服系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。

2.3 可編程控制器技術(shù)

可編程控制器通過數(shù)字式或模擬的輸入輸出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯順序控制實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)控系統(tǒng)中引入PLC程序控制設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速功能、刀具功能及其他輔助功能，達(dá)到自動(dòng)化控制的目的。這類設(shè)備一般分為PLC內(nèi)裝型和獨(dú)立型兩種。除開環(huán)控制和模擬量閉環(huán)控制外，PLC還引入了數(shù)字量的控制，通過接受或輸出數(shù)字模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的曲線插補(bǔ)功能，自動(dòng)控制加工結(jié)合參數(shù)的調(diào)整。PLC在機(jī)械制造現(xiàn)場控制中，通過自動(dòng)采集和分析采集的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障的自診，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械制造過程中系統(tǒng)的故障。因此，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高自動(dòng)化機(jī)械制造過程中加工效率、加工精準(zhǔn)性及確保交系統(tǒng)加工可靠性意義重大。

3? 數(shù)控工藝的應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造工藝系統(tǒng)中的應(yīng)用，促使數(shù)控加工工藝的誕生。數(shù)控加工工藝在機(jī)械制造中的應(yīng)用提高了機(jī)械加工的效率和精度，提升了加工產(chǎn)品的綜合質(zhì)量，同時(shí)也拓寬了自動(dòng)化機(jī)械制造的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，數(shù)控加工工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、工業(yè)生產(chǎn)、煤礦生產(chǎn)、航天領(lǐng)域工件制造等等。

3.1 汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)控加工工藝在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了汽車制造的自動(dòng)化無人流水線。在汽車制造加工過程中，各工序之間的聯(lián)系性相應(yīng)提升，每個(gè)工序余量也大量減少。汽車零部件的加工、裝配在數(shù)控加工工藝系統(tǒng)下可以連續(xù)性的完成自動(dòng)加工和裝配。從這個(gè)角度講，數(shù)控加工工藝在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用延長了機(jī)車加工的生產(chǎn)量，大幅的提高了汽車制造的自動(dòng)化水平。

3.2 工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，自動(dòng)化制造的實(shí)現(xiàn)得益于數(shù)控技術(shù)與控制單元的結(jié)合。應(yīng)用數(shù)控加工工藝使得很多高難度、高危險(xiǎn)環(huán)境的加工得以通過自動(dòng)化制造控制完成。工業(yè)制造系統(tǒng)在模塊化設(shè)計(jì)下，總系統(tǒng)可以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制。系統(tǒng)操作指令通過數(shù)控通信傳輸給各個(gè)控制單元，再由控制單元自動(dòng)控制各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)。在生產(chǎn)線上，通過傳裝置自動(dòng)采集設(shè)備及線路運(yùn)行的信息。將傳感裝置直接接入故障檢測診斷系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)與故障診斷檢測系統(tǒng)、自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通過總線設(shè)計(jì)連接。當(dāng)故障檢測診斷系統(tǒng)診斷到設(shè)備或線路故障時(shí)，就會(huì)想總控系統(tǒng)發(fā)送指令。同時(shí)，總線系統(tǒng)通過輸出端向自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)脈沖，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)立即發(fā)出故障報(bào)警，提醒管理人員采取措施排除故障。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)確保工業(yè)生產(chǎn)的安全性有著重要的作用。

3.3 煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著煤炭資源全國告竭，我國的煤礦資源已經(jīng)進(jìn)入深度開發(fā)階段。數(shù)控技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用，成為煤炭老礦深度開采的重要技術(shù)支撐。在煤礦開采中，利用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、可編程控制器、伺服系統(tǒng)等設(shè)計(jì)煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)控制自動(dòng)開采設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)，開采設(shè)備在伺服系統(tǒng)的輔助下驅(qū)動(dòng)開采設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行煤炭開采和運(yùn)輸。為確保煤炭開采的安全性，礦下設(shè)備一律安裝信息采集裝置，并采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)信息。生產(chǎn)線的各個(gè)子系統(tǒng)都配有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫和通信通道。在物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，可同時(shí)向管理平臺(tái)發(fā)送信息?？偣芾砥脚_(tái)可以同時(shí)向多個(gè)系統(tǒng)收發(fā)控制信息，控制礦下自動(dòng)生產(chǎn)與管理。

4? 應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢

近十年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化機(jī)械制造加工的精度越來越高。普通加工件精度相對(duì)于過去提高了一倍，可達(dá)到5微米的精度。精密加工件精度相對(duì)過去提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。超精密加工件精度以及實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)。在數(shù)控系統(tǒng)方面，隨著數(shù)控系統(tǒng)自適應(yīng)能力的提高，在逐漸從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)變。最明顯的變化是自適應(yīng)控制系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)給速率提高。在可編程控制器方面，自動(dòng)編程技術(shù)獲得了跨越式的發(fā)展。從數(shù)控技術(shù)的發(fā)展情況來看，未來自動(dòng)化機(jī)械制造將更多的面向智能化控制。在這種背景下，企業(yè)所該做的就是做好數(shù)控工藝系統(tǒng)的升級(jí)改造和相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)，努力迎接智能制造時(shí)代的到來。

5? 結(jié)語

隨著數(shù)控技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造中的融合程度越來越深，數(shù)控加工工藝的自動(dòng)化水平也越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣。數(shù)控技術(shù)在自動(dòng)化機(jī)械制造中的應(yīng)用極大的提高了機(jī)械制造的效率和加工精度，為機(jī)械制造從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。未來，數(shù)控技術(shù)將與智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)機(jī)械制造向智能化發(fā)展。

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