1陣列雙模式噴印平臺的設(shè)計

數(shù)控技術(shù)利用數(shù)字信號控制執(zhí)行機構(gòu)完成某種功能，實現(xiàn)自動化。隨著我國計算機技術(shù)的變革，微小型計算機數(shù)字控制CNC是當(dāng)今制造高精度、高質(zhì)量以及形狀復(fù)雜產(chǎn)品的基礎(chǔ)設(shè)施，屬于制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于一般數(shù)控系統(tǒng)組織，運算器接收、運算、處理輸入裝置的指令或數(shù)據(jù)，并不斷向輸出裝置送出運算結(jié)果?？刂破髂芨鶕?jù)指令控制運算器和輸出裝置來實現(xiàn)各種操作及控制整機的循環(huán)工作，使數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運動，其中伺服驅(qū)動把來自控制器的脈沖信號經(jīng)過功率放大、整形后，轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的平移、進給或旋轉(zhuǎn)等運動，主要包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行結(jié)構(gòu)兩大部分。驅(qū)動裝置由進給驅(qū)動單位電機、主軸驅(qū)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(gòu)根據(jù)控制器發(fā)出的指令信號，完成驅(qū)動裝置對系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)和進給運動的控制。作為數(shù)控系統(tǒng)改進生產(chǎn)設(shè)備的實例，數(shù)字噴印技術(shù)是非接觸印刷技術(shù)的主流，以低廉的價格和精美的印刷質(zhì)量越來越受到用戶的青睞。數(shù)字噴印吸收噴墨打印等新技術(shù)，墨水經(jīng)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(nèi)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(jīng)調(diào)研，市場上還沒有針對薄膜開關(guān)制造工藝而開發(fā)的專業(yè)噴印設(shè)備，部分生產(chǎn)廠家引入用于廣告噴印的噴墨打印設(shè)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(chǎn)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(shù)，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)?；a(chǎn)。廣州某公司生產(chǎn)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?qū)ξ焕щy，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(shù)、MARK高精度光學(xué)影像定位系統(tǒng)及圖像AOI技術(shù)，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(shù)，以4—12個噴頭為1組并行噴印，從而實現(xiàn)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(shù)不超過6個，從而能保證一般的4色彩油墨、金屬導(dǎo)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(shù)提取更進一步提高了定位精確度和噴印速度。設(shè)計的陣列雙模式噴印平臺基于數(shù)字控制器現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協(xié)調(diào)操作FPGA等多芯片運作，同時解決數(shù)據(jù)分配、時分信號和信號優(yōu)化等數(shù)據(jù)處理問題。在數(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)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(xiàn)驅(qū)動單元的遠程控制，提高系統(tǒng)的集成度與可靠性。基于以上設(shè)計和工藝，集成高速、柔性、精密配套技術(shù)以及制造工藝，利用數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，噴印平臺簡化了傳統(tǒng)工藝流程，只需改變電氣參數(shù)就能完成不同的噴印任務(wù)，不需要為新產(chǎn)品的每一次改動而制作網(wǎng)版。設(shè)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(gòu)造，雙模式構(gòu)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(shè)備的靈活性和生產(chǎn)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(shù)數(shù)控噴印平臺系統(tǒng)，既有平移、旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、時控合理，核心控制模塊采用WDM類設(shè)備驅(qū)動程序架構(gòu)和MINIPort層間驅(qū)動協(xié)議，驅(qū)動程序用VC編寫和調(diào)試，使其達到4路USB準同步數(shù)據(jù)傳輸，時間關(guān)鍵幀技術(shù)保證操作系統(tǒng)達ms級響應(yīng)。發(fā)揮硬件和軟件的開放性，實現(xiàn)數(shù)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(shè)計后則重點關(guān)注控制器、數(shù)據(jù)處理、I/O系統(tǒng)、驅(qū)動接口等子模塊，以上位機數(shù)控系統(tǒng)來擴展網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使用計算機數(shù)控系統(tǒng)與FPGA控制器完成接口驅(qū)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(shù)提取部分。采用現(xiàn)有控制技術(shù)的理論方法和技術(shù)條件，以FPGA嵌入式為主控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA有豐富的邏輯硬件資源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系統(tǒng)、硬件協(xié)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(shù)據(jù)在上下位機之間和系統(tǒng)內(nèi)部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實現(xiàn)復(fù)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(xiàn)數(shù)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(shù)據(jù)處理模塊、噴頭驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、驅(qū)動電壓調(diào)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(shù)據(jù)處理

摘要：研究基于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)。采用單CPU架構(gòu)進行設(shè)計，系統(tǒng)基于Linux和ARM，軟件平臺采用Linux，從而豐富了ARM處理器的片上資源。為滿足數(shù)控系統(tǒng)高精度控制需求，基于Xenomai對Linux完成了實時性改造，并對系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以確保數(shù)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Linux系統(tǒng)；嵌入式；數(shù)控系統(tǒng)；實現(xiàn)路徑

裝備制造業(yè)對數(shù)控機床的要求逐漸提高，設(shè)備總體功能和性能離不開高效的數(shù)控系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)具備小型化、低功耗、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)中，可根據(jù)實際需要對計算機控制系統(tǒng)進行配置，實現(xiàn)智能控制、遠程控制、故障檢測等功能，作為數(shù)控機床的控制中樞，目前主流數(shù)控系統(tǒng)多采用單核ARM平臺，數(shù)控系統(tǒng)性能的提升受到單核處理器自身不足的限制，因此對于多核平臺的應(yīng)用成為優(yōu)化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的有效手段。

1現(xiàn)狀分析

數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺的構(gòu)建目前多通過上位機同下位機協(xié)調(diào)工作的方式實現(xiàn)，上位機的主要功能在于代碼解釋、數(shù)據(jù)處理等，控制具體的運動以及采集信號則由下位機負責(zé)完成，但這種方式存在開發(fā)周期過長、成本較高，難以滿足經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的控制需求，隨著嵌入式微處理器的發(fā)展與完善，可在同一個處理器上完成所有的數(shù)控任務(wù)，同時通過外圍接口電路的設(shè)計，顯著簡化了數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范化研發(fā)過程，使系統(tǒng)具備較高的拓展性和穩(wěn)定性［1］。

2系統(tǒng)設(shè)計

0.前言

計算機數(shù)控技術(shù)是一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的標志。CAM和CNC的數(shù)據(jù)接口標準ISO6983(RS274D)協(xié)議,已經(jīng)無法滿足數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展的需要,其局限性已日益暴露并影響數(shù)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。因此,新的數(shù)據(jù)接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數(shù)控技術(shù)在內(nèi)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(shù)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(xiàn)CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數(shù)控系統(tǒng)提供完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù),更好地提高數(shù)控系統(tǒng)的開放性能。

1.STEP-NC概述

1.1ISO6983協(xié)議的缺點

隨著CAD/ACM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)性能的提高,ISO6983協(xié)議已經(jīng)成為制約數(shù)控技術(shù)的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的“瓶頸”,已遠不能滿足數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要,其缺點如下:(1)現(xiàn)場編程或修改非常困難,對于稍具復(fù)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(guān)動作,不包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)的其它信息,因此CNC系統(tǒng)根本不可能獲得完整的產(chǎn)品信息,更不可能真正實現(xiàn)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(shù)據(jù)的五軸銑和高速加工;(6)生產(chǎn)準備時間長,生產(chǎn)效率低。

1.2STEP-NC的優(yōu)點

0.引言

PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應(yīng)性強和與計算機接口方便等優(yōu)勢在工業(yè)測控領(lǐng)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(shù)發(fā)展迅猛,新產(chǎn)品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關(guān)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(wǎng)絡(luò)功能。高端PLC配備適當(dāng)?shù)奈恢每刂茊卧陀|摸屏人機界面,并根據(jù)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(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模塊或網(wǎng)絡(luò)單元,即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連,構(gòu)成開放的數(shù)控系統(tǒng)。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng),這種數(shù)控系統(tǒng)裝備的位置控制單元可以實現(xiàn)兩軸聯(lián)動,并可根據(jù)實際需要,任意擴展控制軸數(shù);觸摸屏人機界面可以根據(jù)操作需要靈活設(shè)計;還可通過DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協(xié)議單元進行多層次的網(wǎng)絡(luò)互連。這種數(shù)控系統(tǒng)目前已在3MZ2120磨床數(shù)控技術(shù)改造中獲得成功應(yīng)用。

1.數(shù)控系統(tǒng)的開放特征與典型模式

開放式數(shù)控系統(tǒng)一般基于PC平臺,具有模塊化、標準化、平臺無關(guān)性、可二次開發(fā)和適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)工作等特征?；赑C平臺的開放式數(shù)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(shù)控系統(tǒng)制造商不能在短期內(nèi)放棄傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)而產(chǎn)生的折中方案,尚未實現(xiàn)NC內(nèi)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(wù),NC控制卡處理實時任務(wù)。是目前基于PC平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流;第三種為全軟件數(shù)控系統(tǒng),PC機不僅能夠完成管理等非實時任務(wù),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(wù)。這種模式的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了NC內(nèi)核的開放和用戶操作界面的開放,可以直接或通過網(wǎng)絡(luò)運行各種應(yīng)用軟件,是真正意義上的開放式數(shù)控系統(tǒng)。與PC平臺開放式數(shù)控系統(tǒng)相比,基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層面和系統(tǒng)擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)模塊或網(wǎng)絡(luò)單元等高端部件都有專用控制語句,具有系統(tǒng)構(gòu)建靈活、擴充能力強、應(yīng)用軟件設(shè)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(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)標準的普遍采用,都使基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)變得更加開放,將成為面向CIMS或FMS的設(shè)備層的重要組成部分。

2.基于高端PLC的磨削數(shù)控系統(tǒng)

2.1開關(guān)信號監(jiān)測與邏輯控制

在數(shù)控系統(tǒng)中，多臺電機可以采用同步軸或串聯(lián)軸的方式虛擬為一個數(shù)控坐標軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統(tǒng)，同時還介紹了串聯(lián)控制概念以及使用預(yù)加負荷的方法來消除間隙。

在數(shù)控系統(tǒng)中，有時采用多臺電機聯(lián)動虛擬為一個坐標軸，來驅(qū)動機床坐標的運動。最常用的多電機驅(qū)動為同步(Synchronous)運動的形式，比如，要求兩臺以相同的速度和位移運動的電機帶動齒輪與齒條嚙合作為一個坐標軸運動。這樣的坐標軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術(shù)被廣泛應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)中，比如大跨距龍門機床的龍門直線移動、大型三坐標測量機的雙柱直線移動，為保持運動的均勻，都需要兩個電機同步驅(qū)動。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時不扭搓工件，在作旋轉(zhuǎn)運動時也必需同步。

圖1同步軸

除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時的主軸和進給軸必需同步。滾齒機的工作臺的分齒運動與滾刀的運動在滾齒時也必需同步、剛性攻絲的Z軸進給與主軸同步等，但這種同步是指多個電機的運動速度、位移之間成一定的關(guān)系，而不是相等的關(guān)系，對這種同步運動，本文不予討論。

實現(xiàn)同步一般有兩種方法。一是機械同步：同步系統(tǒng)由機械裝置組成。這種同步方法容易實現(xiàn)，但機械傳動鏈復(fù)雜，傳動件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統(tǒng)由控制器、電子調(diào)節(jié)器、功率放大器、伺服電機和機械傳動箱等組成。所需機械傳動鏈簡單、調(diào)試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的電伺服同步功能對不同生產(chǎn)機械的要求可提供不同的配置，實現(xiàn)其同步要求。

在某些情況下，一個伺服電機驅(qū)動機械坐標軸轉(zhuǎn)矩不夠用，但改用一個更大的伺服電機又嫌體積或慣量過大，於是以兩個伺服電機取代一個伺服電機驅(qū)動機床的坐標軸，這種坐標軸被稱為串聯(lián)軸，如圖2所示。這樣由於兩個伺服電機以一個恒定的轉(zhuǎn)矩相互作用，或者通過預(yù)加負荷，在機床內(nèi)部減少間隙。這就是所謂串聯(lián)控制(TandemControl)，是另一種多電機控制。

一、國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況

目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。

二、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

（一）性能發(fā)展方向

（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。（3）工藝復(fù)合性和多軸化。以減少工序、輔助時間為主要目的的一種復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。（4）實時智能化。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。

（二）功能發(fā)展方向

傳統(tǒng)齒輪加工機床的運動關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(或蝸桿砂輪磨齒機)為例，在齒輪機床中存在著展成分度鏈、差動鏈、進給傳動鏈等。調(diào)整既復(fù)雜又費時?？焖仝吔⒐みM、快退的位置和距離都需要精心調(diào)試或試切才能完成，且需要的輔件多。

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(nèi)外開始對齒輪加工機床進行數(shù)控化改造和生產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機床。特別是近年來，由于微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的高精度、高速響應(yīng)交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，為齒輪加工數(shù)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(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

配這類數(shù)控系統(tǒng)的機床進給軸為數(shù)控軸，多采用伺服系統(tǒng)。由于80年代齒輪加工數(shù)控化剛開始起步，當(dāng)時數(shù)控技術(shù)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(shù)控加工方式，調(diào)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(lián)動來實現(xiàn)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(chǎn)率和加工精度。但是這類齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)屬經(jīng)濟型數(shù)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(shù)控系統(tǒng)多用于對現(xiàn)有機械式齒輪加工機床的數(shù)控改造。

全功能齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。

長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。

2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1性能發(fā)展方向

(1)高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

1．引言

數(shù)控技術(shù)作為未來先進制造技術(shù)的核心內(nèi)容之一，正在朝著開放化，網(wǎng)絡(luò)化，柔性化和智能化方向發(fā)展，數(shù)控裝備產(chǎn)品的設(shè)計制造和應(yīng)用開發(fā)都日益顯示出基于開放接口標準的模塊形態(tài)?；谀K和組件的系統(tǒng)構(gòu)建策略更能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的人性化思想，每一個模塊都是一個有針對性應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)品形式，是該領(lǐng)域技術(shù)原理，應(yīng)用方案和實現(xiàn)形式的綜合體現(xiàn)，是其在數(shù)控加工環(huán)境下的具體應(yīng)用，其設(shè)計理念和性能指標都體現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)的要求和市場應(yīng)用的需求，這些充分體現(xiàn)設(shè)計者個性化的產(chǎn)品組件通過開放的標準接口形式有機的結(jié)合，組成了功能豐富性能完善的數(shù)控裝備產(chǎn)品。

數(shù)控技術(shù)是一個綜合性很強的技術(shù)學(xué)科，涉及系統(tǒng)控制，工業(yè)設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)，變頻調(diào)速，網(wǎng)絡(luò)通訊，信號分析等范圍很廣和適用性很強的技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)原理在工科學(xué)校的機電一體化教學(xué)中都有涉及，但在應(yīng)用實踐上相對分散，目前只注重在數(shù)控操作技能上的能力培養(yǎng)，一系列的計算機輔助設(shè)計制造軟件也都是針對于這一目標，缺少一個貫穿于整個數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用環(huán)境，來從系統(tǒng)規(guī)劃的高度和應(yīng)用開發(fā)的層面來實施數(shù)控技術(shù)能力素質(zhì)培養(yǎng)的目標。

正是針對于這一數(shù)控技術(shù)培養(yǎng)模式的局限性，本文建立了一個針對于整個數(shù)控技術(shù)應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域一體化實驗平臺，采用組件和模塊的思想建立了一個集成的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)從數(shù)控裝備產(chǎn)品規(guī)劃，方案選擇，運動算法和人機交互等各個環(huán)節(jié)的教學(xué)實踐活動，下面將從總體策略，結(jié)構(gòu)特征，關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面給予闡述。

2系統(tǒng)組建策略

2.1數(shù)控系統(tǒng)的組成

[摘要]伺服電機比步進電機性能更優(yōu)越，隨著現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展，伺服電機控制技術(shù)成為了機床數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，并正朝著交流化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控系統(tǒng)伺服電機直接驅(qū)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(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個方向發(fā)展。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)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(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。

一、數(shù)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(shè)檢測反饋裝置，不構(gòu)成運動反饋控制回路，電動機按數(shù)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(qū)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(zhuǎn)速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結(jié)構(gòu)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(jīng)濟型數(shù)控機床。