數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于自動化機械制造中的探討

喬召

摘要：數(shù)控技術(shù)是機械制造自動化發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國數(shù)控技術(shù)的進步，機械制造自動化水平也越來越高。本文簡單介紹了數(shù)控機床及數(shù)控加工技術(shù)，分析了自動化機械制造中的數(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。旨在為機械制造自動化、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);自動化;機械制造;智能化;應(yīng)用

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

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0059-02

0? 引言

1952年，世界上第一臺數(shù)控機床在美國誕生，它的誕生開啟了機械制造自動化發(fā)展的大門，使程序控制成為機械制造控制管理的重要手段。自數(shù)控機床誕生以來，程序控制貫穿始終，成為自動化創(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床加工，就實現(xiàn)了自動化加工的過程。隨著數(shù)控系統(tǒng)的更新與進步，數(shù)控系統(tǒng)的編碼功能獨立性越來越強。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)編碼的獨立性則為機械制造自動化向智能化的轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)，也決定了未來機械制造智能化發(fā)展的方向。研究數(shù)控技術(shù)在自動化機械制造中應(yīng)用對機械制造從自動化向智能化轉(zhuǎn)型的發(fā)展有著重要的意義。

1? 數(shù)控機床及數(shù)控加工技術(shù)概念界定

1.1 數(shù)控機床

①定義。數(shù)控機床是指一種綜合運用計算機技術(shù)、自動控制、精密測量、機械設(shè)計等新興技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品。簡而言之，是一種裝有數(shù)控系統(tǒng)的自動化機床。

②組成。數(shù)控機床有數(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)與計算機集成控制技術(shù)下的機械加工技術(shù)。

②數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是指一種能自動完成信息處理（輸入、譯碼、運算），從而控制機床的運動和加工過程的控制系統(tǒng)。

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

2? 自動化機械制造中的數(shù)控技術(shù)

2.1 計算機數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)

計算機數(shù)控系統(tǒng)指用計算機控制加工功能，實現(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)動裝置、進給驅(qū)動裝置組成。其中CNC裝置中引入了計算機技術(shù)，從而使數(shù)控系統(tǒng)具備了軟件功能。計算機系統(tǒng)運行的可靠性與遠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)運行的效率，計算機數(shù)控系統(tǒng)中采用了多微處理機結(jié)構(gòu)。微處理機的部件之間應(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)。共享存儲器結(jié)構(gòu)采用了公共存儲器設(shè)計形式，各個模塊之間采用多端口連接的形式。這種設(shè)計形式能有效的防止存儲器資源共享和系統(tǒng)多端控制時，系統(tǒng)多個模塊之間信息傳輸?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。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向系統(tǒng)發(fā)送請求時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)，從而實現(xiàn)多電路信息的同時運行與控制。功能模塊結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計。每個模塊制成印刷電路板，即實現(xiàn)硬件與軟件的模塊化設(shè)計和對多模塊的同時控制。

2.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)及主軸驅(qū)動技術(shù)

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)也叫隨動系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)設(shè)計為驅(qū)動、執(zhí)行兩部分。驅(qū)動部分用于控制主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動。執(zhí)行部分有計算機系統(tǒng)控制。伺服系統(tǒng)收到計算機控制裝置的脈沖信號后自動將指令轉(zhuǎn)化為數(shù)控設(shè)備移動部件的運行指令，執(zhí)行機構(gòu)負責(zé)驅(qū)動電機執(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)控制信號脈沖傳輸流程參考如下：數(shù)控裝置發(fā)出信號脈沖→指令進給脈沖→驅(qū)動電路→步進電動機→傳動結(jié)構(gòu)→工作臺。閉環(huán)控制信號脈沖傳輸流程參考如下：數(shù)控裝置發(fā)出信號脈沖→伺服放大器→伺服電機→工作臺。工作臺傳輸給檢測裝置形成反饋脈沖，在反饋給數(shù)控裝置。整個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)控制的信號脈沖循環(huán)過程與變換控制類型，只是信號脈沖循環(huán)到伺服電機就停止向工作臺傳輸，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)控機床的電機與主軸設(shè)計為一體化，利用伺服系統(tǒng)對數(shù)控機床的主軸進行驅(qū)動和控制。

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執(zhí)行機構(gòu)的邏輯順序控制實現(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，達到自動化控制的目的。這類設(shè)備一般分為PLC內(nèi)裝型和獨立型兩種。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)字模塊實現(xiàn)機械加工的曲線插補功能，自動控制加工結(jié)合參數(shù)的調(diào)整。PLC在機械制造現(xiàn)場控制中，通過自動采集和分析采集的信號，實現(xiàn)故障的自診，確保及時發(fā)現(xiàn)機械制造過程中系統(tǒng)的故障。因此，該技術(shù)的應(yīng)用對提高自動化機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)控加工工藝在機械制造中的應(yīng)用提高了機械加工的效率和精度，提升了加工產(chǎn)品的綜合質(zhì)量，同時也拓寬了自動化機械制造的應(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)用實現(xiàn)了汽車制造的自動化無人流水線。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)性的完成自動加工和裝配。從這個角度講，數(shù)控加工工藝在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用延長了機車加工的生產(chǎn)量，大幅的提高了汽車制造的自動化水平。

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，自動化制造的實現(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、高危險環(huán)境的加工得以通過自動化制造控制完成。工業(yè)制造系統(tǒng)在模塊化設(shè)計下，總系統(tǒng)可以對工業(yè)生產(chǎn)的各個分系統(tǒng)進行操作和控制。系統(tǒng)操作指令通過數(shù)控通信傳輸給各個控制單元，再由控制單元自動控制各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)。在生產(chǎn)線上，通過傳裝置自動采集設(shè)備及線路運行的信息。將傳感裝置直接接入故障檢測診斷系統(tǒng)。總控系統(tǒng)與故障診斷檢測系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)通過總線設(shè)計連接。當(dāng)故障檢測診斷系統(tǒng)診斷到設(shè)備或線路故障時，就會想總控系統(tǒng)發(fā)送指令。同時，總線系統(tǒng)通過輸出端向自動報警系統(tǒng)發(fā)送信號脈沖，自動報警系統(tǒng)立即發(fā)出故障報警，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，利用計算機數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、可編程控制器、伺服系統(tǒng)等設(shè)計煤礦自動化生產(chǎn)與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)控制自動開采設(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)動開采設(shè)備自動執(zhí)行煤炭開采和運輸。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)計獨立的數(shù)據(jù)庫存儲信息。生產(chǎn)線的各個子系統(tǒng)都配有獨立的數(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，可同時向管理平臺發(fā)送信息。總管理平臺可以同時向多個系統(tǒng)收發(fā)控制信息，控制礦下自動生產(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，自動化機械制造加工的精度越來越高。普通加工件精度相對于過去提高了一倍，可達到5微米的精度。精密加工件精度相對過去提高了兩個數(shù)量級。超精密加工件精度以及實現(xiàn)了納米級。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)整進給速率提高。在可編程控制器方面，自動編程技術(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，未來自動化機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)的升級改造和相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)，努力迎接智能制造時代的到來。

5? 結(jié)語

隨著數(shù)控技術(shù)在自動化機械制造中的融合程度越來越深，數(shù)控加工工藝的自動化水平也越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣。數(shù)控技術(shù)在自動化機械制造中的應(yīng)用極大的提高了機械制造的效率和加工精度，為機械制造從自動化向智能化轉(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，推動機械制造向智能化發(fā)展。

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