机械制造中的数控技术应用探讨

　　本文通过笔者多年经验，论述了如何利用现代数控技术的灵活性，最大限度的应用于机械制造行业。介绍了数控技术原理、主要数控技术设备及数控技术在机械制造中的应用。

　　《机床与液压》杂志是中国科协主管，由中国机械工程学会、广州机械科学研究院联合主办的全国性刊物，创刊于1973年，国内外公开发行。

　　1、数控技术的概述

　　数控技术是根据设计和工艺要求，用计算机对产品加工过程进行数字化信息处理与控制，达到生产自动化、提高综合效益的一门技术。这种技术用计算机按事先存储的控制程序来执行对设备的控制功能。数控技术是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。数控技术把机械装备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新水平，使传统的制造业发生了极其深刻的变化。

　　2、数控技术的原理

　　所谓数控技术是现代数控系统综合运用了计算机、自动控制、电气传动、精密测量、机械制造等多门技术而发展来的，它是自动化机械系统、机器人、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)等高技术的基础。

　　2.1CNC系统的组成

　　现代数控系统，即CNC系统，主要是靠存储程序来实现各种机床的不同控制要求。由图1可知，整个数控系统是由程序、输入、输出设备、计算机数控(CNC)装置、可编程控制单元、主轴控制单元和速度控制单元等部分组成，习惯上简称为CNC系统。CNC系统能自动阅读输入载体上事先给定的数字值并将其译码，从而使机床动作并加工出符合要求的零件。

　　2.2CNC装置的工作原理

　　CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置实质上是一种专用计算机，它除了具有一般计算机的结构外，还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件两大部分组成。CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行软件的过程。CNC装置的工作原理是通过输入设备输入机床加工所需的各种数据信息，经过译码、计算机的处理、运算，将每个坐标轴的移动分量送到其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服电机，带动坐标轴运动，同时进行实时位置反馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所需求的位置。

　　2.3CNC装置的插补原理

　　对于连续切削的CNC机床，不仅要求工作台准确定位，还必须控制刀具相对于工件给定速度沿着指定的路径运动，进行切削运动，并保证切削过程中每一点的精度和粗糙度，这取决于CNC装置的插补功能。数控机床加工曲线时，用一小段折线逼近要加工的曲线。“插补”实质是数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、完成所谓的数据“密化”工作。数控系统中完成插补工作的装置称为插补器。硬件插补器由分立元件或集成电路组成，特点是运算速度快，但灵活性差，不易改变。软件插补器利用CPU通过软件编程实现，其特点是灵活易变，但插补速度受CPU速度和插补算法影响。现代数控系统大多采用软件插补或硬件插补相结合的方法。

　　3、数控技术装备

　　效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。数控技术也在逐步适应制造技术的发展需求趋势，向着更人性化、智能化等方向发展。

　　3.1自动控制及智能化的数字伺服技术

　　自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态特性和控制品质具有决定性影响。在对一个具体的控制装置或系统的设计、仿真和现场调试中，自动控制理论具有重要的理论指导作用。在伺服速度环控制中采用的前馈控制，使传统的位置环偏差控制的跟踪滞后现象得到了很大的改善，而且增加了系统的稳定性和伺服精度。交流驱动系统发展迅速，交流传动系统已由模拟化向数字化方向发展，而且向智能化的数字伺服技术发展。以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。与交流伺服电动机驱动技术相配套的是电力电子技术，它提供了瞬时输出很大的峰值电流和完善的保护功能。

　　3.2精密机械技术

　　精密机械技术是数控机床的基础，它包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。精密机械技术，当今正面临着重大的挑战。机械系统自身在结构及传动精度、刚度、体积、质量和寿命等方面对数控机床仍具有举足轻重的影响。在制造过程所使用的机电一体化系统中，虽然传统的机械理论与加工工艺借助于计算机辅助技术、人工智能和专家系统，形成新一代的机械制造技术。但传统的以知识和技能形式存在的机械技术是任何其它技术所无法取代的。因此对一台数控机床而言，机械结构和传动占了很大比例，不断发展各种新的设计计算方法和新型结构，采用新材料和新工艺，使新一代数控机床的主机具有高精度、高速度、高可靠性、体积小、质量小、维护方便和价格低廉的机械结构。

　　3.3精密检测和智能化的传感技术

　　精密检测和传感技术一直是闭环和半闭环控制的系统中的关键技术，检测和传感装置则是实现自动化控制的关键环节之一。精密检测和传感的精度与功能直接影响自动控制的品质，在精度补偿方面发挥重要作用。精密检测的关键元件是传感器，数控系统要求传感器能快速、精确地获取信息，并在各种各样的工作环境下能够

　　可靠地运行。智能化的传感技术伴随着计算机应用和人工智能的发展而被人们所重视，带智能的传感装置本身就具有部分“决策”功能。总体上说，与计算机技术的发展相比，传感与检测技术的发展相对滞后，难以满足相关技术需要，因此必须给予更多的关注。

　　4数控技术在机械制造中的应用

　　4.1数控技术在机床上的应用

　　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。数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤(如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或松夹、刀具的选择和交换、切削液的开或关等)和刀具与工件间的相对位移以及进给速度等都用数字化的代码表示。在加工前由编程人员按规定的代码将零件的图纸编制成程序，然后通过程序载体(如穿孔带、磁带、磁盘、光盘和半导体存储器等)或手工直接输入(MDI)方式将数字信息送入数控系统的计算机中进行处理，最后通过驱动电路又伺服装置控制机床实现自动加工。数控机床的最大特点是当改变加工零件时，一般只需要向数控系统输入新的加工程序，而不需要对机床进行人工的调整和直接参与操作，就可以自动地完成整个加工过程。

　　4.2数控系统在采煤机制造方面的应用

　　现代采煤机开发速度快、品种多，都是小批量的生产，各种机壳的毛坯制造越来越多地采用焊件,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形法，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。在切削加工方面的应用，可实现形状复杂、精度要求高的零件加工。在采煤机浮动油封的结构中，使用时要求内环的凸曲面与外环的凹曲面的密封圈各处压缩量相等。压缩接触面积均匀，才能满足密封的功能，因此内外环凸凹曲面的加工精度直接影响密封的可靠性。用数控机床编程加工，较容易的保证其曲面精度，满足了浮动油封的使用要求。此外，在采煤机减速机构中，其行星架等分孔的等分精度几每行孔的同轴精度都直接影响整机的传动精度和使用寿命，在加工中心上加工行星架，不仅保证了图样的精度要求，同时加工效率也很高，是用坐标镗床加工的5~8倍。目前，所有采煤机种大模数少齿数的齿轮一般都是用数控镗铣床编程加工的，编出加工一个齿形的子程序，利用角度偏置或坐标旋转编程功能，加工其余齿形。精度满足使用要求，加工效率比较高。

　　在压力加工技术方面，在热压力加工范围内，数控系统在热态成型方面起着越来越大的作用。在液压锻造压力机上装上数控系统，能够达到较高的工作速度，提高了生产率，缩短了每件加工时间，降低了能耗，锻造精度高压力机的经济性得到明显提高。

　　5结论

　　广泛采用数控技术，并将其应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业经济大国必须要大力提倡和广泛发展的必经之路。

　　参考文献：

　　[1]探讨数控技术在机械制造中的应用和发展陆浩杰《数字技术与应用》2011年01期

　　[2]振兴机械制造业的基础—机床数控化常晓俊《机械管理开发》2002年第5期

　　[3]可编程序控制器在机床数控系统中应用探讨中国数控信息网