浅谈现代数控技术

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浅谈现代数控技术

摘要：在机械制造业中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高速度、高精度、高可靠性等特点。本文主要介绍了基于数控技术的高精度的特点，具体说明提高精度的关键技术。

关键词：数控技术；高精度；检测

0 引言

现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和应用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上。数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

因此数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化是当今制造业的发展方向，机械制造的竞争其实质是数控的竞争。

1 数控技术的发展现状

目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余

量等加工参数，无法在现场环境下根据外干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

2 传感检测技术

CNC机床的位置检测

为了保证加工精度，进行高速加工的机床或加工中心必须配备位置反馈系统或速度反馈系统。速度反馈系统可用来检测与控制移动的进给速度，并补偿由机械的背隙、刚性、惯性以及摩擦阻力不均匀等引起的机械常数的变化。常用的速度检测器是测速发电机。速度反馈系统在实际应用中不多。位置反馈系统用来检测和控制刀架或工作台等按数控装置的指令值移动的移动量。在CNC机床的每个调好位置的导向轴上安装一个测量装置，它可将刀架溜板或工作台的各自实际位置通报给调节器(位置跟踪系统)，从而测量直线运动的行程和位置受控的旋转运动的角度。

CNC机床上可使用的位置测量方法有：

(1)直接位置测量法。直接的位置测量包括待测的位置或非机械移位引起的位置修正。测量系统直接与待测的运动相互连接。

(2)间接位置测量法。此种测量方法通过测量相应的旋转运动来间接反映移动式的位置变化。

(3)模拟位置测量法。模拟式测量装置将被测量用连续变量来表示，如相位变化、电压变化等。

(4)数字位置测量法。数字式测量把待测的行程或旋转角分成相同大小的基本单元，通过数出或累加途径的基本单元数，或者通过对实际位置上基本单元单个标志的识别进行测量。

(5)绝对位置测量法。此种测量方法的每个测量值均与刻度尺零点有关，并被分别标出。

(6)循环绝对位置测量法。在较大的移动范围内的模拟位置测量时，分辨率通常是不够用的。这时，可将整个移动范围分为同等大小的增量，在增量范围内进行绝对测量。

(7)增量位置测量法。将整个移动范围划分成同样大小，不作单独标记的步距(增量)，由连续运行的增量的总和得出实际位置。

刀具状态传感检测

在高速加工中，若有刀片崩裂，飞出的刀具碎片就像出膛的子弹，是非常危险的事情。此外，刀具的磨损情况对加工质量也有直接影响。因此，必须采取积极的实时监控系统，通过各种传感器，对刀具的破损、磨损状态进行在线识别与控制。

自70年代以来，国内外学者对精密高效加工刀具的在线检测理论和系统作了大量的研究。根据监控方法的不同，可以分为直接监控法和间接监控法。直接法是通过一定的测量手段来确定刀具材料在体积上或重量上的减少，并通过一定的数学模型来确定刀具的磨损或破损状态。这类监控法有光学图象法和接触电阻法等。间接法则是测量切削过程中与刀具磨损或破损有较强内在联系的某一种或几种参量，或测量某种物理现象，根据其变化并通过一定的标定关系来监控刀具的磨损或破损状态。这类监控法有切削力监控法、振动监控法和声发射监控法等。

目前，由于种种不足，上述监控法大多尚未达到能完全满足工程实用的程度。例如，光学图象法费用较为昂贵；声发射监控法的不同工艺系统互换性较差，而且声发射传感器的定位安装也存在一定的困难:安装在刀具或工件上，虽然对信号采集有利，但实际应用存在一定困难，而如果安装在主轴上或冷却液喷管中，信号则会有一定程度的衰减；振动传感器的监控位置选择也较困难，其理想的安装位置是加工工件的垂直表面，但在实际加工过程中却同样难以实现；利用电流传感器，检测伺服系统的电流或功率(如Inger-soll公司即采用电机电流作为监控参量)是一种常用有效的刀具状态监测方法，对刀具的破损检测是比较有效的，对刀具磨损检测则有一定困难。

由于加工过程的复杂性，如果仅使用单一传感器对加工过程刀具状态进行预报，会出现很多的误测、误报。因此，在实际加工中，需采用多传感器融合技术来提高检测、预报的准确性。

工件状态检测

加工精度是数控机床的一个重要性能指标，它反映了该台机床所能保证的理论加工质量。但在实际加工过程中，由于机床、刀具、工件材料以及加工环境等各种不确定因素的影响，往往达不到满意的工作指标。因此，在自动化的高速加工生产中为了确保工件的加工质量，必须对加工过程中存在的误差进行及时检测、补偿和控制，为此，需要首先检测被加工工件的状态。

在工作区外测量是指抽检已加工完成的成品或半成品的实际质量，并对生产进行反馈控制，实际上是一种事后质量控制技术；在工作区测量则属于在线质量监测方法。高速加工中心应尽量采用后一种方法，即在加工过程中对工件的尺寸、形状、表面粗糙度等进行测定，并把测定的数据反馈到机床的进刀机构，以控制工具的位置，因此又称为加工中的过程测量。