時間：2022-02-12 04:24:07
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為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀80年代以后，國內外開始對齒輪加工機床進行數控化改造和生產數控齒輪加工機床。特別是近年來，由于微電子技術的迅速發(fā)展和以現代控制理論為基礎的高精度、高速響應交流伺服系統(tǒng)的出現，為齒輪加工數控系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的條件和機遇。我們將齒輪加工系統(tǒng)分為全功能和非全功能兩大類。
差動掛輪箱
非全功能齒輪加工數控系統(tǒng)的結構
配這類數控系統(tǒng)的機床進給軸為數控軸，多采用伺服系統(tǒng)。由于80年代齒輪加工數控化剛開始起步，當時數控技術無法滿足齒輪加機床展成分度鏈的高同步性的要求,因此展成分度鏈和差動鏈仍為傳統(tǒng)的機械傳動。這種數控加工方式，調整比機械式齒輪加工機床要方便的多。它們可以通過幾個坐標軸的聯動來實現齒向修形齒輪的加工，省去了傳統(tǒng)加工修形齒輪所需要的靠模等裝置，提高了生產率和加工精度。但是這類齒輪加工數控系統(tǒng)屬經濟型數控系統(tǒng)，由于其展成分度鏈和差動鏈仍為傳統(tǒng)的機械式，齒輪加工精度取決于機械傳動鏈的精度。目前這種齒輪加工數控系統(tǒng)多用于對現有機械式齒輪加工機床的數控改造。
全功能齒輪加工數控系統(tǒng)的結構
近年來，由于計算機技術的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應的伺服系統(tǒng)的出現，全功能數控齒輪加工機床已成為國際市場上的主流產品。全功能數控指不僅齒輪機床的各軸進給運動是數控的，而且機床的展成運動和差動運動也是數控的。目前展成分度鏈和差動鏈的數控處理方法不盡相同，有基于軟件插補以及基于硬件控制的兩種類型。
分度掛輪箱
基于軟件差補的齒輪加工數控系統(tǒng)
這類數控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過數控指令經伺服電動機直接驅動。目前國產數控齒輪加工機床所配置的數控系統(tǒng)大多為國外知名品牌的通用數控系統(tǒng)，因而都是采用這種基于軟件插補的數控加工方式。
基于軟件插補方法的優(yōu)點是工件主軸的轉速完全由數控系統(tǒng)的軟件控制，因此，可以通過編制適當的軟件，用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪，且加工精度遠遠高于傳統(tǒng)的機械靠模加工方法。
目前，由于控制精度、動態(tài)響應等方面的原因，基于軟件插補的齒輪加工數控系統(tǒng)還不能勝任高速高精度磨齒機的要求。隨著計算機速度的不斷提高、新控制方法的出現和控制精度的提高，這種方法的應用面越來越廣?；谟布刂频凝X輪加工數控系統(tǒng)在傳統(tǒng)齒輪機床的展成分度鏈中，刀具和工件是由同一個電動機來拖動的，傳動鏈很長，并常需要采用精度不易提高的傳動元件(如錐齒輪、萬向聯軸節(jié)等)，所以提高機床精度受到限制。
目前多采用光電盤脈沖分頻分度傳動鏈。砂輪主軸以固定轉速旋轉，并帶動發(fā)信元件(如光電盤)，光電盤信號經數字分頻后，控制工件軸伺服電機以一定的轉速旋轉以實現精確分度傳動關系。同時把機床的差動鏈也納入控制系統(tǒng)。
基于硬件控制的齒輪加工數控系統(tǒng)的優(yōu)點：采用硬件控制，特別是采用高同步精度的鎖相伺服控制時，精度高，響應速度快。缺點：機構上比較復雜，比軟件插補的方式多一個硬件控制電路部分。硬件控制的電子齒輪比(差動系數、主傳動比)，目前還不能做到實時修改，即不能實時改變工件主軸的轉速，因而不能用于加工非圓齒輪等。
非全功能數控系統(tǒng)由于加工精度取決于機械傳動鏈，仍存在交換掛輪，操作較繁，已較少使用。目前多用于現有機械式齒輪加工機床的數控化改造；基于軟件插補的齒輪加工數控系統(tǒng)具有柔性大的優(yōu)點，可以很方便地通過程序控制，能加工非圓齒輪和各種修形齒輪，因而在加工精度不高的滾齒機和插齒機中有廣泛的應用；基于硬件控制的齒輪加工數控系統(tǒng)，由于展成運動是直接采用硬件控制，特別是采用跟蹤精度極高的鎖相伺服技術時，能很好地保證齒輪機床差動和展成運動精度，響應速度快，但柔性差，適于加工精度要求高的磨齒機。
全功能的齒輪加工數控系統(tǒng)在國際上已是主流產品，也必將在國內成為主流產品。
磨削技術除向超精密、高效率和超硬磨料方向發(fā)展外，自動化也是磨削技術發(fā)展的重要方向之一。
目前磨削自動化在CNC技術日趨成熟和普及基礎上，正在進一步向數控化和智能化方向發(fā)展，許多專用磨削軟件和系統(tǒng)已經商品化。磨削是一個復雜的多變量影響過程，對其信息化的智能化處理和決策，是實現柔性自動化和最優(yōu)化的重要基礎。目前磨削中人工智能的主要應用包括磨削過程建模、磨具和磨削參數合理選擇、磨削過程監(jiān)測預報和控制、自適應控制優(yōu)化、智能化工藝設計和智能工藝庫等方面。近幾年來，磨削過程建模、模擬和仿真技術有很大發(fā)展，并已達到適用水平。
我國在磨削過程建模與模擬，聲發(fā)射過程監(jiān)測與識別，工件表面燒傷及殘余應力預報，磨削加工誤差在線檢測、評價與補償等方面都有許多成果，并已開發(fā)出了新型磨削機器人。
數據供應鏈管理體系
1數據供應鏈的構成
信息系統(tǒng)環(huán)境中的統(tǒng)計數據與和制造環(huán)境的物質產品具有相似性，把統(tǒng)計數據視為信息系統(tǒng)中的產品，這樣，就可以采用全面質量管理(TQM)的原則、方法和技術來進行數據質量管理[4,7]；可以采用制造環(huán)境中供應鏈的管理體系來構建數據產品的管理體系，我們稱之為數據供應鏈。實際上可以把統(tǒng)計數據的制造和消費過程看作一種業(yè)務流程模型，它由數據提供者、數據生產者、數據管理者到數據消費者的價值鏈組成，完成由數據消費者需求開始到提供給數據消費者以所需要的產品與服務的整個過程[8]，這就是數據供應鏈。數據產品的制造過程包括：原始數據采集、中間數據生成、成品數據生成、數據消費等四個階段，它涉及四種角色：數據提供者、數據生產者、數據管理者、數據消費者[4]。數據產品的生產制造過程也是數據的增值過程，隨著數據（信息）的價值得到社會廣泛的認可，數據產品的開發(fā)和利用將會得更多的關注。從某一個數據生產者內部來看，它的數據生產過程也構一個內部供應鏈[9]，這個供應鏈比較簡單(見圖1)。外部供應鏈還包括數據生產者的數據供應市場和數據消費市場，數據供應市場由一個或多個數據提供者和它們的數據供應市場構成，數據消費市場由一個或多個數據消費者和它們的數據消費市場來構成(見圖2)。
2內部數據供應鏈的管理組織模式
隨著企業(yè)信息建設的推進，現代信息系統(tǒng)從MIS發(fā)展到企業(yè)商務智能系統(tǒng)。商務智能系統(tǒng)采集業(yè)務數據原始數據，經過數據清洗，形成支持決策和分析的數據倉庫，數據的采購與處理過程見圖3?？梢钥闯觯F代企業(yè)（或組織）內部的統(tǒng)計數據的采集、處理、分析過程是可以由企業(yè)商務智能系統(tǒng)來完成，并提供給相關的數據消費者。
3外部數據供應鏈的管理組織模式
完整的外部數據供應鏈是圍繞滿足用戶的數據需求來構建的，它存在一個核心機構（或組織），并起著核心管理作用。構建一個數據供應鏈的同時也意味著一個統(tǒng)計體系的形成，它將數據提供者、數據生產者、數據管理者、數據消費者聯系起來形成一個是開放性的、以團隊工作為組織單元的有機整體[10]。采用供應鏈管理的思想來實現整個統(tǒng)計體系的管理，就是對一個統(tǒng)計體系中各參與組織、部門之間的數據、信息流與資金流進行計劃、協調和控制等，目的是通過優(yōu)化提高數據生產過程的速度和確定性，提高組織的運作效率和效益。對比制造環(huán)境的供應鏈管理，數據供應鏈管理更簡單，它所關注的只有數據（或信息）及其價值，沒有物流過程。數據供應鏈管理的基本對象是數據產品流，數據產品流由供應市場流向消費市場。數據供應鏈的信息流包括數據的需求、數據處理狀態(tài)和傳遞狀態(tài)等信息，評價與反饋流包括對數據產品的評估和評價信息等。采用現代信息技術，建立數據供應鏈管理系統(tǒng)實現數據產品流、信息流、評價與反饋流的統(tǒng)一管理，以實現對數據供應鏈的全面管理。
統(tǒng)計數據質量控制體系的構建
1系統(tǒng)框架
現代信息系統(tǒng)具有高效的計劃、控制、反饋機制，高效的數據處理與傳輸能力，為構建DSCMS系統(tǒng)提供了技術支持。信息網絡時代，統(tǒng)計數據質量的監(jiān)控與預警系統(tǒng)是統(tǒng)計信息系統(tǒng)的重要組成部份[3]，可采用企業(yè)資源計劃（ERP）、全面質量等管理思想構建統(tǒng)計數據質量控制框架，以有效避免目前統(tǒng)計數據質量控制體系中易受中間環(huán)節(jié)的人為干擾。圖4給出了DSCMS的系統(tǒng)框架。
2系統(tǒng)功能與管理控制的實現
DSCMS由兩部分組成：一是統(tǒng)計數據管理系統(tǒng)，它實現方案設計、數據采集、數據整理和統(tǒng)計分析與等統(tǒng)計工作各階段的信息化管理；二是評價與反饋系統(tǒng)，它負責系統(tǒng)的控制、評價與反饋，是數據質量控制體系的實現。兩者有機結合，融入計劃控制、全面質量管理等現代管理思想，形成統(tǒng)計管理信息系統(tǒng)的全面解決方案。按系統(tǒng)的功能實現，可分成以下6個部分：（1）方案設計系統(tǒng)。實現統(tǒng)計工作方案設計，包括任務和目標的制定，數據收集、處理方案的制定，以及數據標準和要求的設定等。方案設計將結合目標與實施方案，做出完整的實施計劃與控制策略，是DSCMS的控制中心，并通過評價與反饋系統(tǒng)來實現整個管理體系的計劃、過程控制和評價功能。（2）數據采集系統(tǒng)。在跨組織的數據供應鏈中進行數據采集，需考慮時間和空間對數據采集產生的影響，構建基于互聯網的分布式集成數據采集系統(tǒng)不僅能提高工作的效率，也可以有效的減少數據逐級傳遞過程中的人為干擾。面向服務架構是分布式系統(tǒng)當前應用最廣泛的核心集成技術之一[11]，它可以對數據供應者的業(yè)務系統(tǒng)進行有效的集成，實現數據采集過程的自動化。（3）數據處理系統(tǒng)。數據處理采用集中處理方式來完成，各級數據生產者和管理者經過授權可通過數據處理系統(tǒng)對采集的數據進行處理，生成相關的統(tǒng)計數據，以供本級數據消費者使用。數據處理包括抽取、轉換、裝載等過程。（4）數據分析系統(tǒng)。數據分析可結合統(tǒng)計方法、數據挖掘技術、聯機分析處理技術（OLAP）對數據庫或數據倉庫中的數據進行分析，分析結果可通過信息系統(tǒng)進行，并對分析結果進行評價與反饋。（5）信息系統(tǒng)。統(tǒng)計數據或分析結果可通過網站向社會公眾或相關用戶，并通過網站收集用戶的反饋信息。（6）評價與反饋系統(tǒng)。通過構建科學的數據質量評價指標體系與反饋系統(tǒng)，利用現代信息技術手段對統(tǒng)計數據質量進行評價，并將評價結果及時反饋到數據質量控制框架及數據生成的各個部門（或環(huán)節(jié)），以便于及時進行修正、完善。
當外界氣溫大于26℃時，制冷主機的負載需求越大，空調的耗能就越高。制冷主機耗能在中央空調系統(tǒng)之中占有相當大的比重，除了制冷主機在滿載運轉時要有高效率性能外，還要確保主機可以在50%~70%負載率的條件下進行長時間、高效率的運轉，才能取得最佳的節(jié)能效果。因此，制冷主機的節(jié)能方式如下：
1）首先根據建筑物的用途、考慮全年的空調負荷變化和制冷機部分負荷的調節(jié)特性，并綜合考慮初投資和運行費、維護保養(yǎng)、環(huán)保、安全等因素，合理的選擇制冷機的機型、單機容量、臺數和全年的運行方式，提高制冷系統(tǒng)在部分負荷時的運行效率，降低運行費用。選用的制冷機的容量在考慮冷量損失的情況下，要與冷量負荷相適應。在冷量負荷經常變化的情況下，要選用多臺制冷機，以便在運行中進行合理調配。
2）用戶需要的冷負荷是變化的，在制冷裝置的實際運行中，部分負荷運行所占的比較較大，所以要根據用戶的需要和外界的環(huán)境變化調節(jié)制冷機的制冷量。從經濟性、調節(jié)范圍和操作等多個角度來說，一般采用進口導葉調節(jié)和改變轉速的方法對制冷量進行調節(jié)。
3）對冷卻水和冷凍水的水質進行管理，避免熱交換器結垢影響熱傳遞效率。制冷空調裝置常用的是敞開式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，吸熱的冷卻水在冷卻塔與空氣充分接觸，逐漸蒸發(fā)，二氧化碳大量散失，溶解氧含量升高，水中Ca2+、Mg2+、溶解性固體、懸浮物逐漸增加，使冷卻循環(huán)水的水質惡化，給系統(tǒng)帶來結垢、腐蝕、污泥和菌藻等問題。從而造成系統(tǒng)熱阻增大，熱交換率降低，設備腐蝕及壽命縮短，能耗加大。故應重視冷卻水循環(huán)過程中的水處理。所以，需要定期對水質進行加藥，投加阻垢劑防止結垢，投加緩蝕劑防止腐蝕，投加殺生劑消滅微生物等等。同時進行排污處理并定期取水樣進行化驗。冷凍水的水溫低，循環(huán)流動系統(tǒng)通常為封閉的，不與空氣接觸，因此冷凍水的水質管理和必要的水處理相對冷卻水系統(tǒng)來說要簡單得多。其工作目標主要是防止水對金屬的腐蝕，可以通過添加合適的緩蝕劑予以解決。
4）定期清洗熱交換器。對水質進行處理可以減少結垢、腐蝕的發(fā)生，但不能完全杜絕。在運行一段時間后還需要對熱交換器定期進行物理清洗和化學清洗，防止或減少結垢、腐蝕，提高換熱效率。
二、空氣調節(jié)系統(tǒng)節(jié)能
（一）能量循環(huán)利用
新風量少了，室內的衛(wèi)生條件則變差；新風量大了，又會加大空調負荷，造成能耗過大。所以在關系人體健康的同時，還要考慮到能耗費用。冬、夏季室外的環(huán)境溫濕度與室內的溫濕度標準相差較大，應采用最小新風量，減少新風處理量，降低能耗。在過渡季節(jié)，當外界空氣的溫濕度達到一定的條件時，可以采用全新風的送風方式，在滿足室內的溫濕度要求的同時，又能減少需要處理的空氣量，降低空調系統(tǒng)耗能。可以采用CO2濃度控制器，在保證衛(wèi)生、保持正壓等基本要求下，控制新風量，從大自然中獲得冷、熱能，對能量進行充分利用，節(jié)約空調負荷，節(jié)省空調的運行費用。
（二）合理的參數設定
室內空氣環(huán)境主要涉及的參數有溫度、相對濕度等，要使空調系統(tǒng)能節(jié)能運行，就要對這些參數進行合理設定?？照{房間內空氣溫度設定值與空調負荷和能耗有著密切關系。供冷時室溫設定得越高或者供熱時室溫設定得越低，可以減小室內、外的溫差，降低空調負荷，空調系統(tǒng)越節(jié)能。所以，在實際運行中，我們可以根據季節(jié)的不同，在設定參數時夏季取高值、冬季取低值，達到節(jié)能目的。在設定合理室溫的同時，還須設定合理的室內濕度。除了一些工業(yè)生產廠房、實驗室等需要較嚴格的工藝要求的建筑外，一般的商場、辦公樓等建筑，都是以舒適性空調為主的。為了不浪費能量，室內相對濕度的設定，在夏季可適當降低，冬季可適當提高。所以，在滿足室內環(huán)境要求的前提下，可適當降低室內的溫濕度標準。
三、冷卻水塔節(jié)能
冷卻水塔工作原理是：空氣經過風機抽動后，自進風網處進入冷卻塔內。濕熱的冷卻水自布水盤經過填料流入塔內。當水滴和空氣接觸時：一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產生蒸發(fā)現象，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達到降溫之目的。
1）冷卻塔的位置應設置在通風良好的地方，例如室外綠化地帶、室外地面上或在高層建筑主樓的屋頂上，同時遠離高溫或者有害氣體，避免建筑物高溫高濕排氣或者不潔凈的氣體對冷卻塔進行影響。
2）采用冷卻塔變頻技術。冷卻塔變頻技術主要是利用冷卻水塔進出水溫差對比，通過變頻器改變冷卻塔風機供電頻率，不斷改變冷卻塔風機的轉速，來達到調節(jié)風量以及減少風機能耗的效果。
3）對于一塔多風機的冷卻塔，在保證冷卻水溫滿足制冷機組正常運行的情況下，可以根據冷卻水的回水溫度，調整投入運轉的風機數量，達到節(jié)能目的。而在多臺制冷主機并聯供冷的系統(tǒng)中，與其匹配的冷卻塔也可采用并聯形式。在過渡季節(jié)或外界溫度較低，部分制冷主機運行時，利用并聯的冷卻塔，可以不開風機采用自然冷卻的方法降低能耗。
四、總結
計算機數控技術是一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的標志。CAM和CNC的數據接口標準ISO6983(RS274D)協議,已經無法滿足數控系統(tǒng)的發(fā)展的需要,其局限性已日益暴露并影響數控系統(tǒng)的廣泛應用。因此,新的數據接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數控技術在內的整個制造業(yè)帶來革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過程中涉及的全部信息,實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數控系統(tǒng)提供完整的產品數據,更好地提高數控系統(tǒng)的開放性能。
1.STEP-NC概述
1.1ISO6983協議的缺點
隨著CAD/ACM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)性能的提高,ISO6983協議已經成為制約數控技術的智能化、集成化、網絡化發(fā)展的“瓶頸”,已遠不能滿足數控技術高速發(fā)展的需要,其缺點如下:(1)現場編程或修改非常困難,對于稍具復雜性的加工對象,G、M代碼一般需要事先由后處理程序生成,增加了信息流失或出錯的可能性;(2)G、M代碼只定義了機床的運動和開關動作,不包含產品數據的其它信息,因此CNC系統(tǒng)根本不可能獲得完整的產品信息,更不可能真正實現智能化;(3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過程是單向的,難以支持先進制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開發(fā)各自的擴充功能和專有指令,造成不同控制系統(tǒng)之間互不兼容;(5)不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工;(6)生產準備時間長,生產效率低。
1.2STEP-NC的優(yōu)點
為了克服ISO6983的諸多缺點,一種新的數控接口標準STEP-NC(ISO14649)應運而生。STEP-NC將產品模型數據交換標準(STandardfortheEx2chargeofProductmodeldata,STEP)擴展至數控系統(tǒng)領域,重新規(guī)定了CAD/CAM與數控系統(tǒng)之間的接口。它要求數控系統(tǒng)直接使用符合STEP標準(ISO10303)的CAD三維產品數據模型(包括零件幾何數據、設置和制造特征),加上工藝信息和刀具信息,直接產生加工程序來控制機床。其間,CAM系統(tǒng)只負責加入工藝信息和刀具信息而不必進行后置處理。STEP-NC的優(yōu)點如下:(1)面向對象和特征,描述工件的加工操作,不依賴于機床軸的運動,同一加工程序可適用于不同CNC;(2)傳統(tǒng)設計信息是圖形,加工信息是數據,但STEP-NC使用系統(tǒng)和人都能解析的產品數據模型代替圖形;(3)傳統(tǒng)加工必須把圖形描述的生產要求轉變成機床指令,使用STEP-NC可利用工藝規(guī)劃工具生成指令,使特征識別更快更準確;(4)使用STEP-NC可實現CAD、CAM、CNC信息的雙向流動;(5)支持五軸銑,支持高速切削;(6)消除了后置處理器;(7)STEP-NC統(tǒng)籌考慮設計與制造模型,集成在產品數據模型中,不存在數據傳遞誤差,可實現精確加工[1]。
2.STEP-NC產品數據模型
2.1STEP-NC涵蓋的內容
STEP-NC定義了一個CAM和CNC之間的新的數據接口標準(AP238),其本質是面向對象,描述“加工什么”。STEP-NC采用工作步驟(Working2steps)指定加工過程,工作步驟將加工特征和具體操作聯系起來,由CNC將其轉化為軸的運動和刀具操作。AP238是一個充分集成的應用協議,其幾何定義與AP203、AP214一致,加工特征與AP224相同,公差定義與AP219一致,因此可以直接使用相關模型[2]。AP238涵蓋了產品從概念到成品(零件)全過程所需的全部信息。AP238文件中的工作步驟相當于傳統(tǒng)數控文件中的G、M代碼。
0.前言
計算機數控技術是一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的標志。CAM和CNC的數據接口標準ISO6983(RS274D)協議,已經無法滿足數控系統(tǒng)的發(fā)展的需要,其局限性已日益暴露并影響數控系統(tǒng)的廣泛應用。因此,新的數據接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數控技術在內的整個制造業(yè)帶來革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過程中涉及的全部信息,實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數控系統(tǒng)提供完整的產品數據,更好地提高數控系統(tǒng)的開放性能。
1.STEP-NC概述
1.1ISO6983協議的缺點
隨著CAD/ACM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)性能的提高,ISO6983協議已經成為制約數控技術的智能化、集成化、網絡化發(fā)展的“瓶頸”,已遠不能滿足數控技術高速發(fā)展的需要,其缺點如下:(1)現場編程或修改非常困難,對于稍具復雜性的加工對象,G、M代碼一般需要事先由后處理程序生成,增加了信息流失或出錯的可能性;(2)G、M代碼只定義了機床的運動和開關動作,不包含產品數據的其它信息,因此CNC系統(tǒng)根本不可能獲得完整的產品信息,更不可能真正實現智能化;(3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過程是單向的,難以支持先進制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開發(fā)各自的擴充功能和專有指令,造成不同控制系統(tǒng)之間互不兼容;(5)不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工;(6)生產準備時間長,生產效率低。
1.2STEP-NC的優(yōu)點
為了克服ISO6983的諸多缺點,一種新的數控接口標準STEP-NC(ISO14649)應運而生。STEP-NC將產品模型數據交換標準(STandardfortheEx2chargeofProductmodeldata,STEP)擴展至數控系統(tǒng)領域,重新規(guī)定了CAD/CAM與數控系統(tǒng)之間的接口。它要求數控系統(tǒng)直接使用符合STEP標準(ISO10303)的CAD三維產品數據模型(包括零件幾何數據、設置和制造特征),加上工藝信息和刀具信息,直接產生加工程序來控制機床。其間,CAM系統(tǒng)只負責加入工藝信息和刀具信息而不必進行后置處理。STEP-NC的優(yōu)點如下:(1)面向對象和特征,描述工件的加工操作,不依賴于機床軸的運動,同一加工程序可適用于不同CNC;(2)傳統(tǒng)設計信息是圖形,加工信息是數據,但STEP-NC使用系統(tǒng)和人都能解析的產品數據模型代替圖形;(3)傳統(tǒng)加工必須把圖形描述的生產要求轉變成機床指令,使用STEP-NC可利用工藝規(guī)劃工具生成指令,使特征識別更快更準確;(4)使用STEP-NC可實現CAD、CAM、CNC信息的雙向流動;(5)支持五軸銑,支持高速切削;(6)消除了后置處理器;(7)STEP-NC統(tǒng)籌考慮設計與制造模型,集成在產品數據模型中,不存在數據傳遞誤差,可實現精確加工[1]。
2.STEP-NC產品數據模型
2.1STEP-NC涵蓋的內容
STEP-NC定義了一個CAM和CNC之間的新的數據接口標準(AP238),其本質是面向對象,描述“加工什么”。STEP-NC采用工作步驟(Working2steps)指定加工過程,工作步驟將加工特征和具體操作聯系起來,由CNC將其轉化為軸的運動和刀具操作。AP238是一個充分集成的應用協議,其幾何定義與AP203、AP214一致,加工特征與AP224相同,公差定義與AP219一致,因此可以直接使用相關模型[2]。AP238涵蓋了產品從概念到成品(零件)全過程所需的全部信息。AP238文件中的工作步驟相當于傳統(tǒng)數控文件中的G、M代碼。
3.1開放式數控系統(tǒng)數控系統(tǒng)按結構形式可分為傳統(tǒng)封閉式和開放式(包括PC嵌入NC、NC嵌入PC和SOFT型三種結構)。SOFT型開放式數控系統(tǒng)基于PC的概念實現CNC的功能,其軟件在PC中,硬件是PC與伺服驅動和外部I/O間的標準化通用接口。用戶可以利用開放的CNC內核,開發(fā)各種所需功能。我國硬件設計、制造水平不高,而軟件開發(fā)人員眾多,軟件設計水平也比較高。完全采用軟件在工業(yè)PC上實現數控系統(tǒng),比較適合我國國情,也更易于實現開放性。
本文確定的開放式數控系統(tǒng)總體框架主要由以下幾部分構成:
(1)系統(tǒng)軟件平臺。采用WindowsNT和美國Venturcom公司的RTX(Real-TimeExtension)作為系統(tǒng)的軟件平臺。
(2)系統(tǒng)硬件平臺。以PC機和SoftSERCANS通訊卡為系統(tǒng)的硬件平臺。
(3)符合SERCOS協議的伺服系統(tǒng)與I/O設備。
SERCOS協議作為國際標準,不僅可以用于運動控制與伺服系統(tǒng)之間的實時通訊,而且它還對I/O功能做出了相應規(guī)定,能夠同時完成PC機與I/O設備之間離散數字信號的實時通訊。這樣可以在眾多廠家提供的符合SERCOS標準的伺服驅動器和I/O模塊產品中進行選擇和配置,以滿足控制軸數、控制方式等要求。我們選用了德國力士樂公司的伺服驅動器和I/O模塊產品。
(4)數控功能軟件。基于Windows和RTX提供的應用程序編程接口編制全軟件型開放式數控系統(tǒng),主要功能是接收輸入的加工信息,完成數控計算、邏輯判斷和I/O控制等功能。
3.2STEP-NC數控系統(tǒng)
基于STEP-NC的開放式數控系統(tǒng)應該使用統(tǒng)一的數據模型來實現CAX與CNC的無縫連接,STEP-NC數控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ISO6983數控系統(tǒng)相似,其關鍵部分是STEP-NC產品數據模型和STEP-NC解釋器。因此在上述的開放式數控系統(tǒng)內用STEP-NC解釋器代替G代碼解釋器,再增加一個刀軌生成器,即可實現STEP-NC數控系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)的結構模型如圖2所示,主要由以下幾個功能模塊組成。
(1)車間級編程系統(tǒng)模塊
該模塊的主要功能為讀取三維實體模型的幾何信息,生成AP238文件。目前大多數CAD軟件(比如UG、Solidworks等)都內嵌有STEP轉換接口,能夠有效處理3D幾何形狀。此模塊可以解釋AP203/AP214文件,從其中的幾何特征中自動識別出ISO14649(Part10)所定義的加工特征,并根據ISO14649(Part10、Part11)定義的加工步驟所描述的特征操作進行工藝規(guī)劃,最后輸出AP238文件。
這一過程中可以應用Steptools公司的ST-Plan軟件,其主要功能就是讀取STEP文件輸出STEP-NC文件。
它擁有強大的用戶界面,有利于使用者重新對特征進行分類,改變加工順序,選擇加工和工具屬性。
(2)NC用戶圖形界面模塊
該模塊是STEP-NC數控系統(tǒng)的人機接口,也是其它模塊之間實現通訊聯系的接口。通過此模塊可以導入STEP-NC程序文件,并可以對工作步驟進行增添、刪除和次序更改;可以顯示和編輯某一工作步驟的幾何形狀、公差、特征、技術要求、刀具、材料和坐標等相關信息,并以同樣的格式返回到上游的設計階段,體現了STEP-NC設計制造模型的一體化和數據可以雙向流動的特點。
(3)一致性檢測模塊
該模塊主要是對AP238文件進行一致性檢測。該模塊用來檢查加工工步、加工特征、刀具信息、幾何尺寸和公差以及其它STEP-NC特征信息是否符合國際標準,若符合標準,則STEP-NC程序文件被送到程序信息樹模塊和刀軌生成模塊繼續(xù)處理;若不符合,則返回到NC用戶圖形界面模塊重新編輯修改直至符合標準。
(4)程序信息樹模塊
此模塊負責把STEP-NC數控程序中的數據信息顯示成樹狀,用戶可以通過點擊不同的節(jié)點觀察各個實體的屬性及其取值情況,讓用戶對整個程序的信息結構具有一個直觀、形象的認識。這種表示形式符合人類的認識規(guī)律,結構層次明顯,表達清楚,界面比較友好,更加容易理解。
(5)智能工藝數據庫模塊
智能工藝數據庫用來存放專家們所掌握的各種加工工藝以及對于各種故障原因及其處置方法的知識,可以包括加工條件、加工參數、刀具管理和故障診斷處理等各種數據庫、知識庫和策略庫等多種信息。推理軟件依據智能工藝數據庫中存儲的知識、經驗和推理方法等大量信息,對機床運行中的實時加工狀態(tài)進行監(jiān)測、調節(jié)和故障診斷處理等控制[4]。
(6)刀軌生成模塊
該模塊的功能是根據加工特征、操作以及加工策略等信息生成每一加工工作步驟的刀位軌跡。由于STEP-NC程序文件里包含了零件從設計到成品所需要的全部加工信息,因此可以根據智能工藝數據庫模塊提供的加工條件和加工參數等信息對刀軌進行優(yōu)化,通過最優(yōu)刀軌算法決定最合適的走刀路線、切削進給量以及切削速度等。
(7)加工仿真模塊
在零件進行實際加工之前,通過此模塊模擬運行所有加工步驟,以檢查是否存在干涉或其它問題,然后再進行真實加工[5]。
值得一提的是,從ISO6983到ISO14649,無論如何都要有一個過渡周期,因此本文所設計的數控系統(tǒng)保留了ISO6983解釋器,即本系統(tǒng)除了可以執(zhí)行STEP-NC文件外,還可以執(zhí)行傳統(tǒng)ISO6983的G代碼。只是該解釋器是作為CNC系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),而不是STEP-NC解釋器模型的一部分。
數控技術利用數字信號控制執(zhí)行機構完成某種功能，實現自動化。隨著我國計算機技術的變革，微小型計算機數字控制CNC是當今制造高精度、高質量以及形狀復雜產品的基礎設施，屬于制造技術的關鍵環(huán)節(jié)。對于一般數控系統(tǒng)組織，運算器接收、運算、處理輸入裝置的指令或數據，并不斷向輸出裝置送出運算結果。控制器能根據指令控制運算器和輸出裝置來實現各種操作及控制整機的循環(huán)工作，使數控系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運動，其中伺服驅動把來自控制器的脈沖信號經過功率放大、整形后，轉換成執(zhí)行部件的平移、進給或旋轉等運動，主要包括驅動裝置和執(zhí)行結構兩大部分。驅動裝置由進給驅動單位電機、主軸驅動單元等組成，步進電機、直流和交流伺服電機是常用的伺服元件。執(zhí)行機構根據控制器發(fā)出的指令信號，完成驅動裝置對系統(tǒng)旋轉和進給運動的控制。作為數控系統(tǒng)改進生產設備的實例，數字噴印技術是非接觸印刷技術的主流，以低廉的價格和精美的印刷質量越來越受到用戶的青睞。數字噴印吸收噴墨打印等新技術，墨水經過噴腔組件的小孔射出，噴印器在基材上方以高速度噴射墨水，同時晶體振蕩器高速縱向振蕩，使墨線分裂成一系列大小和間距相等的墨點，機器內部微處理器監(jiān)視回饋的信號，隨著物體的移動，更多的墨點打在物體表面就形成了字符或圖線。經調研，市場上還沒有針對薄膜開關制造工藝而開發(fā)的專業(yè)噴印設備，部分生產廠家引入用于廣告噴印的噴墨打印設備進行面板的噴墨印刷，主要有2種：熱泡式噴墨打印機和平板式噴繪機。深圳某公司生產的熱泡式噴墨打印機，采用愛普生配件，底座同步，并采用步進交流電機和IC芯片控制模塊化。由于該打印機源于辦公打印機技術，墨量不厚，所以不能采用UV油墨，不能立體打印，且印制速度慢，無法滿足規(guī)模化生產。廣州某公司生產的平板噴印機，采用陶瓷壓電式工業(yè)高速Konic，XAAR等噴頭，由多色噴頭組成單模組，且UV光跟隨固化，可形成立體墨痕和噴印彩色圖案，但不能用于電路噴印。由于該打印機在制造中各工序對位困難，故不能完全滿足彩色面板、上電路、絕緣層、下電路的套印，工序切換速度慢，不符合一次流水套打的工藝要求。為了提高定位精度，采用計算機視覺定位技術、MARK高精度光學影像定位系統(tǒng)及圖像AOI技術，印制精細度達0.1mm，對位精度≤0.2mm。采用多噴頭陣列高速流水噴印技術，以4—12個噴頭為1組并行噴印，從而實現高速輸出。為消除噴頭間噴印干擾，對12個噴頭的噴印進行同步控制。采用2套獨立控制電路，分組傳輸，每組噴頭數不超過6個，從而能保證一般的4色彩油墨、金屬導電油墨、特色工藝油墨的噴印陣列。DSP的定位圓圖像采集及參數提取更進一步提高了定位精確度和噴印速度。設計的陣列雙模式噴印平臺基于數字控制器現場可編程門陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協調操作FPGA等多芯片運作，同時解決數據分配、時分信號和信號優(yōu)化等數據處理問題。在數控系統(tǒng)中可以利用FPGA處理接口板與上位主控板之間的數據傳輸，接收下位伺服的反饋信號，監(jiān)測伺服電機的工作狀態(tài)。針對x，y，z和w方向的移動，利用可靠性、可編程多軸控制器構建精確位置控制系統(tǒng)。以PLC控制變頻電機為執(zhí)行元件，通過RS-485通信實現驅動單元的遠程控制，提高系統(tǒng)的集成度與可靠性?；谝陨显O計和工藝，集成高速、柔性、精密配套技術以及制造工藝，利用數控系統(tǒng)的核心技術，噴印平臺簡化了傳統(tǒng)工藝流程，只需改變電氣參數就能完成不同的噴印任務，不需要為新產品的每一次改動而制作網版。設計的陣列噴印流水式裝置通過交錯及斜裝陣列組合模式，由12通道靜態(tài)噴頭陣列與4通道動靜雙模式噴印模組構造，雙模式構造能保證噴印清晰度和速度，解決縫接及拉線等問題。該裝置能快速完成維護和噴頭更換，提高了設備的靈活性和生產效率，其平臺抗震、抗干擾能力較好，符合IP54標準。
2陣列雙模式噴印平臺的控制模塊
2.1主要控制單元
作為一種典型的控制不同組合對象的多參數數控噴印平臺系統(tǒng)，既有平移、旋轉運動控制和圖像識別輔助控制，又有噴墨頭的溫度、流量等過程控制。為保證高速陣列多噴印頭的數據協調、時控合理，核心控制模塊采用WDM類設備驅動程序架構和MINIPort層間驅動協議，驅動程序用VC編寫和調試，使其達到4路USB準同步數據傳輸，時間關鍵幀技術保證操作系統(tǒng)達ms級響應。發(fā)揮硬件和軟件的開放性，實現數控系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)間的通訊、加工代碼的自動生成、最佳模切順序和最短空程路徑。模塊化設計后則重點關注控制器、數據處理、I/O系統(tǒng)、驅動接口等子模塊，以上位機數控系統(tǒng)來擴展網絡控制系統(tǒng)，使用計算機數控系統(tǒng)與FPGA控制器完成接口驅動，控制模塊見圖2。噴印控制電路系統(tǒng)重點包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圓圖像采集及參數提取部分。采用現有控制技術的理論方法和技術條件，以FPGA嵌入式為主控制系統(tǒng)，FPGA有豐富的邏輯硬件資源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系統(tǒng)、硬件協處理器、接口系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通邏輯電路等功能子系統(tǒng)，能解決傳統(tǒng)寬幅噴印機對大量圖像數據在上下位機之間和系統(tǒng)內部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實現復雜的電氣控制算法，提高對字車電機和走紙電機運動的精度控制，從而提高寬幅噴印機的噴印精度。系統(tǒng)還開發(fā)了FPGA的時鐘同步系統(tǒng)，在上位機獲取時間戳并通過FPGA硬件電路矯正晶振頻率的動態(tài)補償，實現數控系統(tǒng)的精確時鐘同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模塊、噴印數據處理模塊、噴頭驅動模塊、溫度控制模塊、驅動電壓調整模塊、噴印圖像存儲及糾偏模塊與DSP接口模塊等7部分。
2.2模組控制單元的數據處理
FPGA接收數據并處理數據，發(fā)送數據到噴嘴、電機、相機等數字終端，數據緩沖區(qū)則使用多片DDR2，以加快數據傳輸速度。對輸入數據進行分組，基于FPGA內核改變時鐘域意味著整個噴墨頭的處理在1個時鐘周期內實現多目標的同步時鐘系統(tǒng)。通過使用VHDL編寫的時序程序發(fā)送控制字到FPGA的UART接收模塊，根據控制字的不同，調整相應的數據，電機模塊根據控制字產生相應的脈沖和控制信號，控制噴頭電機的啟停、方向和速度等數值，利用FPGA實現復雜的邏輯時序的控制信號。事件驅動控制的機電驅動系統(tǒng)也在FPGA實現，由有限狀態(tài)機（FSM）定義所有可能的實現方向數據。其中，USB接口模塊在每批次噴印開始前用于接收計算機發(fā)送下來的原始噴印圖像，并將存儲在外部緩存當中的定位原圖像上傳至計算機，用于在人機界面上檢查初始標定參數是否正確。當噴印過程開始后，USB接口模塊用于與計算機交互噴印過程中的實時參數，噴印數據處理模塊用于將待噴印圖像的像素數據進行拆解，并重新封裝成適合噴頭噴印的數據格式。噴頭驅動模塊用于計算時設置的有關噴印參數信息轉化為適合噴頭噴印的時序，以此時序來精確控制噴頭的噴印。溫度控制模塊用于實時調整并顯示噴頭的溫度，驅動電壓調整模塊用于實時調整噴頭驅動電壓的幅值及幅寬，存儲噴印圖像及工藝MARK參數信息處理，可以保證噴印位置的準確性。利用CycloneIIFPGA的并行執(zhí)行特點，對2—4排噴嘴的數據進行處理及分配，實現實時噴射控制、裝置控制邏輯與狀態(tài)管理。多排噴嘴的數據收發(fā)1次，先將此行像素拆分成奇數像素數據和偶數像素數據，再將這2部分像素以相反的順序發(fā)送至噴頭，就能噴印1行完整的像素點矩陣。此時，將首先在存儲中開辟一個動態(tài)的全局緩存，存放所要噴印的一排像素數據，再為若干個噴頭分別開辟單獨的緩存區(qū)和獨立的進程，這些獨立的進程將通過一定的交換機制，與其他相關進程進行數據交換，所有與噴頭相關的進程完全并行，因此整個過程除了USB數據的接收外，其他部分所消耗的時間只相當于處理一個噴頭數據所消耗的時間，從而提高數據處理的速度。
3結語
PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應性強和與計算機接口方便等優(yōu)勢在工業(yè)測控領域廣泛運用,已大量替代由中間繼電器和時間繼電器等組成的傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)。近年來,PLC技術發(fā)展迅猛,新產品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關量檢測和邏輯控制,而且能夠處理模擬信號、進行位置控制和回路控制,還可以連接各種觸摸屏人機界面并具有強大的網絡功能。高端PLC配備適當的位置控制單元和觸摸屏人機界面,并根據計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)或柔性制造系統(tǒng)(FMS)的具體要求,配置相應的網絡模塊或網絡單元,即可實現網絡互連,構成開放的數控系統(tǒng)。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數控系統(tǒng),這種數控系統(tǒng)裝備的位置控制單元可以實現兩軸聯動,并可根據實際需要,任意擴展控制軸數;觸摸屏人機界面可以根據操作需要靈活設計;還可通過DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協議單元進行多層次的網絡互連。這種數控系統(tǒng)目前已在3MZ2120磨床數控技術改造中獲得成功應用。
1.數控系統(tǒng)的開放特征與典型模式
開放式數控系統(tǒng)一般基于PC平臺,具有模塊化、標準化、平臺無關性、可二次開發(fā)和適應聯網工作等特征?；赑C平臺的開放式數控系統(tǒng)目前有3種典型模式。第一種為衍生型(專用NC+PC),在傳統(tǒng)CNC中插入專門開發(fā)的接口板,使傳統(tǒng)的專用CNC帶有PC的特點。此種模式是由于數控系統(tǒng)制造商不能在短期內放棄傳統(tǒng)的專用CNC技術而產生的折中方案,尚未實現NC內核的開放,只具有初級開放性;第二種為嵌入型(PC+NC控制卡),將基于DSP的高速運動控制卡(NC控制卡)插在PC的標準擴展槽中,由PC機執(zhí)行各種非實時任務,NC控制卡處理實時任務。是目前基于PC平臺的開放式數控系統(tǒng)的主流;第三種為全軟件數控系統(tǒng),PC機不僅能夠完成管理等非實時任務,也可以在實時操作系統(tǒng)的支持下,執(zhí)行實時插補、伺服控制、機床電器控制等實時性任務。這種模式的數控系統(tǒng)實現了NC內核的開放和用戶操作界面的開放,可以直接或通過網絡運行各種應用軟件,是真正意義上的開放式數控系統(tǒng)。與PC平臺開放式數控系統(tǒng)相比,基于高端PLC的數控系統(tǒng)的開放性主要體現在網絡層面和系統(tǒng)擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結構和面向操作的梯形圖語言編程,模擬量處理單元、位置控制單元、回路控制單元、網絡模塊或網絡單元等高端部件都有專用控制語句,具有系統(tǒng)構建靈活、擴充能力強、應用軟件設計便捷等優(yōu)點。編程語言標準化和部件可互換性的不斷增強,現場總線技術和工業(yè)以太網絡標準的普遍采用,都使基于高端PLC的數控系統(tǒng)變得更加開放,將成為面向CIMS或FMS的設備層的重要組成部分。
2.基于高端PLC的磨削數控系統(tǒng)
2.1開關信號監(jiān)測與邏輯控制
當前系統(tǒng)輸入輸出單元是PLC的基本組成部分,在磨削數控系統(tǒng)中承擔所有開關信號的監(jiān)測和全部邏輯控制功能。監(jiān)測信號主要有:機械手進出、機械手上下、料盤正反轉、修整器起落等動作的位置信號,磨削設備和輔助裝置上的各種工作狀態(tài)信號和異常報警信號。系統(tǒng)輸出單元控制磨削設備上所有電磁閥和機床電器系統(tǒng)等,通過磨削設備上的液壓系統(tǒng),控制機械手、料盤、工件卡盤、砂輪軸、床身、修整器等基本部件和冷卻、、過濾等輔助裝置按照磨床動作和磨削工藝要求工作,實現磨削加工過程的自動化。
2.2工件與砂輪運轉速度控制
保持工件與砂輪轉動速度恒定,對提高磨削加工質量十分有利。為此系統(tǒng)配備了2臺帶RS-485串口變頻器,分別驅動工件軸和砂輪軸。PLC采用聯機隨動控制保證兩者之間速度的配合與穩(wěn)定。操作人員依據磨削加工要求設定工件軸變頻器速度參數,PLC接收該參數后,參照砂輪直徑(設定或記憶值)和轉動速度比例關系,計算并自動設定砂輪軸變頻器的速度參數。在磨削加工過程中,PLC對砂輪在磨削及修整過程中的損耗給予速度自動補償。PLC最多可以控制32臺變頻器,不同廠家的變頻器可采用協議宏通信聯接。PLC按照變頻器地址(0-31)、指令代碼和相關數據順序向變頻器傳送命令,對變頻器運行、停止、正轉、反轉等實施控制;PLC還可以監(jiān)視變頻器運行狀態(tài),當變頻器發(fā)生過電流、過電壓、變頻器過載、硬件異常、電機過載、過力矩檢測、電源異常、通信超時等情況,可將異常參數傳輸給PLC,由PLC作出相應處理。
2.3位置控制單元(PCU)與位置控
制高端PLC配備單軸位置控制單元,與步進電機或交流伺服電機驅動器配套使用,可以完成開環(huán)或半閉環(huán)位置控制及速度控制,配備兩軸聯動位置控制單元可以進行實時插補控制,實現直線和圓弧曲面等加工控制。目前全球各主要PLC制造商都已推出與高端PLC配套的PCU,具備高速和高精度的位置控制功能。OMRON公司的CJ1MCPU自帶PCU的位置脈沖速度為1kBPS,高級PCU的速度可達到500kBPS,松下PP2或PP4系列的位置控制速度高達1MBPS。采用高端PLC設計數控系統(tǒng),需根據控制精度、運行速度和運行軌跡要求選擇適合的位置控制單元(PCU)。磨削數控系統(tǒng)控制精度要求較高(F1μm),一般選擇數字交流伺服系統(tǒng)。OMRON高端PLC專用高級指令控制脈沖輸出,可選擇梯形、S形或三角形速度曲線運行,實現定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。程序設計可選擇相對坐標系或絕對坐標系,按照圖2所示的梯形圖編程運行,可實現各種磨削加工所應遵循的運行曲線。圖3表示該數控系統(tǒng)準確實現鐵路軸承內套擋邊粗、精、光磨削加工和3MZ2120磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。
2.4觸摸屏人機界面設計
基于高端PLC的磨削數控系統(tǒng)可選用觸摸屏人機界面(ProgrammableTer2minal,PT),采用組態(tài)工具軟件和圖形庫(開關、燈、棒圖等)以及動畫功能等,按照磨削工藝流程要求進行系統(tǒng)操作界面設計。下面以3MZ2120磨削數控系統(tǒng)操作界面為例介紹設計過程和效果。根據磨削數控操作和顯示的需要,該系統(tǒng)主界面下設8個子畫面(圖4)。系統(tǒng)上電自動進入主界面,核對操作密碼后彈出主菜單,在主界面上點擊操作可轉移相應的子界面。加工參數和修整參數設置界面提供設置數控磨削相關參數提示;手動操作和手動修整界面用于快前、快退、慢前、慢退、返回等手動位置控制和手動修整砂作,為設備調試提供便利;自動報警界面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設計,對油霧、液壓系統(tǒng)、機床電器系統(tǒng)、料槽狀態(tài)、冷卻系統(tǒng)和伺服電機等實施監(jiān)測和自動報警,當發(fā)生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(報警時間、故障代碼及應對措施等);自動運行界面(圖5)采用棒圖顯示當前磨削余量值;采用動畫方式實時顯示加工狀態(tài)和加工位置等。還設有“緊急停車”等應急按鈕。PT有RS232/422/485通訊口,能夠兼容眾多廠家的PLC。人機界面應用程序可脫機編制和調試,然后下載到PT上運行,PLC一般通過RS232接口與PT相連。許多PT還配備并行接口,可直接與打印機連接,實時打印數據或進行屏幕拷貝。
2.5網絡結構與聯網功能靈活的網絡結構和強大的聯網功能是高端PLC的重要特征。OMRON高端PLC配有標準RS232接口連接觸摸屏人機界面、上位機或編程工作站。還可擴展DeviceNet通信單元,使各種符合DeviceNet通信協議的產品都可以連入系統(tǒng)中,以構成基于DeviceNet開放式現場總線的數控系統(tǒng);系統(tǒng)與車間管理層計算機及車間其它高端PLC的連接可以采用ControllerLink方式,在PLC中擴展ControllerLink通信單元,車間管理層計算機裝備ControllerLink支持卡即可實現互連,由底層DeviceNet設備、基于高端PLC的數控系統(tǒng)或其它測控設備和車間管理層計算機構成3層遞階結構的網絡測控系統(tǒng)。高端PLC一般都可配置符合TCP/IP協議標準的以太網單元,全面支持遠程監(jiān)控等應用。
[關鍵詞]數控系統(tǒng)伺服電機直接驅動
中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2008)0820116－01
近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發(fā)展。作為數控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。本文對其技術現狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。
一、數控機床伺服系統(tǒng)
（一）開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)不設檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結構簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。
（二）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅動放大器，進給伺服電動機、機械傳動裝置和直線位移測量裝置組成。對機床運動部件的移動量具有檢測與反饋修正功能，采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測器安裝在移動部件上，其精度主要取決于位移檢測裝置的精度和靈敏度，其產生的加工精度比較高。但機械傳動裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，使閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)安裝調試比較復雜。因此只是用在高精度和大型數控機床上。
（三）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電動機作為驅動部件，可以采用內裝于電機內的脈沖編碼器，無刷旋轉變壓器或測速發(fā)電機作為位置/速度檢測器件來構成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的反饋信號取自電機軸或絲桿上，進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調試比較方便。機床的定位精度與機械傳動裝置的精度有關，而數控裝置都有螺距誤差補償和間隙補償等項功能，在傳動裝置精度不太高的情況下，可以利用補償功能將加工精度提高到滿意的程度。故半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數控機床中應用很廣。
二、伺服電機控制性能優(yōu)越
（一）低頻特性好。步進電機易出現低速時低頻振動現象。交流伺服電機不會出現此現象，運轉非常平穩(wěn)，交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調整。
（二）控制精度高。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。例如松下全數字式交流伺服電機，對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
（三）過載能力強。步進電機不具有過載能力，為了克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩，選型時需要選取額定轉矩比負載轉矩大很多的電機，造成了力矩浪費的現象。而交流伺服電機具有較強的過載能力，例如松下交流伺服系統(tǒng)中的伺服電機的最大轉矩達到額定轉矩的三倍，可用于克服啟動瞬間的慣性力矩。
（四）速度響應快。步進電機從靜止加速到額定轉速需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的速度響應較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉速僅需幾毫秒。
（五）矩頻特性佳。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時轉矩會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩。
三、伺服電機控制展望
（一）伺服電機控制技術的發(fā)展推動加工技術的高速高精化。80年代以來，數控系統(tǒng)逐漸應用伺服電機作為驅動器件。交流伺服電機內是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內取代了直流伺服系統(tǒng)。在當代數控系統(tǒng)中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術的發(fā)展趨勢。由此產生了應用在數控機床的伺服進給和主軸裝置上的交流數字驅動系統(tǒng)。隨著微處理器和全數字化交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數控系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪螅蟠蟮靥岣吡怂欧到y(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100網絡式數控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網，它對進行自律控制的各個伺服裝置和部件實現了分散配置，網絡連接，進一步發(fā)揮了它對機床的控制能力和通信速度。這些技術的發(fā)展，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調試方便、柔性增強，大大推動了高精高速加工技術的發(fā)展。
另外，先進傳感器檢測技術的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調速系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和定位精度。交流伺服電機調速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉變壓器、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應時間。伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實現了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。為保證高速時電動機旋轉更加平滑，改進了電動機的磁路設計，并配合高速數字伺服軟件，可保證電動機即使在小于1μm轉動時也顯得平滑而無爬行。
（二）交流直線伺服電機直接驅動進給技術已趨成熟。數控機床的進給驅動有“旋轉伺服電機＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動”兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實現高速化的成本相對較低，所以目前應用廣泛。使用滾，珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機械傳動，機械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應會造成運動滯后和非線性誤差，所以再進一步提高滾珠絲杠副移動速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機床中，應用直線電機直接驅動進給驅動方式。它比滾珠絲杠驅動具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運動慣量更小、動態(tài)響應性能更佳，運行更平穩(wěn)、位置精度更高等優(yōu)點。且直線電機直接驅動，不需中間機械傳動，減小了機械磨損與傳動誤差，減少了維護工作。直線電機直接驅動與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應頻率達100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當前，在高速高精加工機床領域中，兩種驅動方式還會并存相當長一段時間，但從發(fā)展趨勢來看，直線電機驅動所占的比重會愈來愈大。種種跡象表明，直線電機驅動在高速高精加工機床上的應用已進入加速增長期。
參考文獻：
[1]《交流伺服電機控制技術的研究》，中國測試技術，鄭列勤，2006.5.
