1陣列雙模式噴印平臺(tái)的設(shè)計(jì)

數(shù)控技術(shù)利用數(shù)字信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成某種功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的變革，微小型計(jì)算機(jī)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(duì)于一般數(shù)控系統(tǒng)組織，運(yùn)算器接收、運(yùn)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(yùn)算結(jié)果?？刂破髂芨鶕?jù)指令控制運(yùn)算器和輸出裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)各種操作及控制整機(jī)的循環(huán)工作，使數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行所要求的運(yùn)動(dòng)，其中伺服驅(qū)動(dòng)把來(lái)自控制器的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大、整形后，轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的平移、進(jìn)給或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，主要包括驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行結(jié)構(gòu)兩大部分。驅(qū)動(dòng)裝置由進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單位電機(jī)、主軸驅(qū)動(dòng)單元等組成，步進(jìn)電機(jī)、直流和交流伺服電機(jī)是常用的伺服元件。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器發(fā)出的指令信號(hào)，完成驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制。作為數(shù)控系統(tǒng)改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)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(jià)格和精美的印刷質(zhì)量越來(lái)越受到用戶(hù)的青睞。數(shù)字噴印吸收噴墨打印等新技術(shù)，墨水經(jīng)過(guò)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(shí)晶體振蕩器高速縱向振蕩，使墨線(xiàn)分裂成一系列大小和間距相等的墨點(diǎn)，機(jī)器內(nèi)部微處理器監(jiān)視回饋的信號(hào)，隨著物體的移動(dòng)，更多的墨點(diǎn)打在物體表面就形成了字符或圖線(xiàn)。經(jīng)調(diào)研，市場(chǎng)上還沒(méi)有針對(duì)薄膜開(kāi)關(guān)制造工藝而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)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(jìn)行面板的噴墨印刷，主要有2種：熱泡式噴墨打印機(jī)和平板式噴繪機(jī)。深圳某公司生產(chǎn)的熱泡式噴墨打印機(jī)，采用愛(ài)普生配件，底座同步，并采用步進(jìn)交流電機(jī)和IC芯片控制模塊化。由于該打印機(jī)源于辦公打印機(jī)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(wú)法滿(mǎn)足規(guī)?；a(chǎn)。廣州某公司生產(chǎn)的平板噴印機(jī)，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(jī)在制造中各工序?qū)ξ焕щy，故不能完全滿(mǎn)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(jì)算機(jī)視覺(jué)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(xì)度達(dá)0.1mm，對(duì)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(gè)噴頭為1組并行噴印，從而實(shí)現(xiàn)高速輸出。為消除噴頭間噴印干擾，對(duì)12個(gè)噴頭的噴印進(jìn)行同步控制。采用2套獨(dú)立控制電路，分組傳輸，每組噴頭數(shù)不超過(guò)6個(gè)，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(jìn)一步提高了定位精確度和噴印速度。設(shè)計(jì)的陣列雙模式噴印平臺(tái)基于數(shù)字控制器現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協(xié)調(diào)操作FPGA等多芯片運(yùn)作，同時(shí)解決數(shù)據(jù)分配、時(shí)分信號(hào)和信號(hào)優(yōu)化等數(shù)據(jù)處理問(wèn)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(hào)，監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的工作狀態(tài)。針對(duì)x，y，z和w方向的移動(dòng)，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(jī)為執(zhí)行元件，通過(guò)RS-485通信實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元的遠(yuǎn)程控制，提高系統(tǒng)的集成度與可靠性。基于以上設(shè)計(jì)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(tái)簡(jiǎn)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(dòng)而制作網(wǎng)版。設(shè)計(jì)的陣列噴印流水式裝置通過(guò)交錯(cuò)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(dòng)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(xiàn)等問(wèn)題。該裝置能快速完成維護(hù)和噴頭更換，提高了設(shè)備的靈活性和生產(chǎn)效率，其平臺(tái)抗震、抗干擾能力較好，符合IP54標(biāo)準(zhǔn)。

2陣列雙模式噴印平臺(tái)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(duì)象的多參數(shù)數(shù)控噴印平臺(tái)系統(tǒng)，既有平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制和圖像識(shí)別輔助控制，又有噴墨頭的溫度、流量等過(guò)程控制。為保證高速陣列多噴印頭的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、時(shí)控合理，核心控制模塊采用WDM類(lèi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)和MINIPort層間驅(qū)動(dòng)協(xié)議，驅(qū)動(dòng)程序用VC編寫(xiě)和調(diào)試，使其達(dá)到4路USB準(zhǔn)同步數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)間關(guān)鍵幀技術(shù)保證操作系統(tǒng)達(dá)ms級(jí)響應(yīng)。發(fā)揮硬件和軟件的開(kāi)放性，實(shí)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(dòng)生成、最佳模切順序和最短空程路徑。模塊化設(shè)計(jì)后則重點(diǎn)關(guān)注控制器、數(shù)據(jù)處理、I/O系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)接口等子模塊，以上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)與FPGA控制器完成接口驅(qū)動(dòng)，控制模塊見(jiàn)圖2。噴印控制電路系統(tǒng)重點(diǎn)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(chǔ)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(jī)對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)在上下位機(jī)之間和系統(tǒng)內(nèi)部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電氣控制算法，提高對(duì)字車(chē)電機(jī)和走紙電機(jī)運(yùn)動(dòng)的精度控制，從而提高寬幅噴印機(jī)的噴印精度。系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)了FPGA的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，在上位機(jī)獲取時(shí)間戳并通過(guò)FPGA硬件電路矯正晶振頻率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的精確時(shí)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(dòng)模塊、溫度控制模塊、驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整模塊、噴印圖像存儲(chǔ)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(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)基于Linux和ARM，軟件平臺(tái)采用Linux，從而豐富了ARM處理器的片上資源。為滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)高精度控制需求，基于Xenomai對(duì)Linux完成了實(shí)時(shí)性改造，并對(duì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

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

裝備制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求逐漸提高，設(shè)備總體功能和性能離不開(kāi)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(shì)，應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)中，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)智能控制、遠(yuǎn)程控制、故障檢測(cè)等功能，作為數(shù)控機(jī)床的控制中樞，目前主流數(shù)控系統(tǒng)多采用單核ARM平臺(tái)，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(duì)于多核平臺(tái)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(tái)的構(gòu)建目前多通過(guò)上位機(jī)同下位機(jī)協(xié)調(diào)工作的方式實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)的主要功能在于代碼解釋、數(shù)據(jù)處理等，控制具體的運(yùn)動(dòng)以及采集信號(hào)則由下位機(jī)負(fù)責(zé)完成，但這種方式存在開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)、成本較高，難以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)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(gè)處理器上完成所有的數(shù)控任務(wù)，同時(shí)通過(guò)外圍接口電路的設(shè)計(jì)，顯著簡(jiǎn)化了數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范化研發(fā)過(guò)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(jì)

0.前言

計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。CAM和CNC的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)ISO6983(RS274D)協(xié)議,已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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(biāo)準(zhǔn)STEP-NC必然會(huì)取代舊的標(biāo)準(zhǔn)并且將給包括數(shù)控技術(shù)在內(nèi)的整個(gè)制造業(yè)帶來(lái)革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)旨在以STEP統(tǒng)一表征CNC加工過(guò)程中涉及的全部信息,實(shí)現(xiàn)CAD、CAM和CNC之間的無(wú)縫連接,同時(shí)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(kāi)放性能。

1.STEP-NC概述

1.1ISO6983協(xié)議的缺點(diǎn)

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(yuǎn)不能滿(mǎn)足數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要,其缺點(diǎn)如下:(1)現(xiàn)場(chǎng)編程或修改非常困難,對(duì)于稍具復(fù)雜性的加工對(duì)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(cuò)的可能性;(2)G、M代碼只定義了機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)動(dòng)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(shí)現(xiàn)智能化;(3)從CAD/CAM系統(tǒng)到CNC系統(tǒng)的傳輸過(guò)程是單向的,難以支持先進(jìn)制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開(kāi)發(fā)各自的擴(kuò)充功能和專(zhuān)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(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng),生產(chǎn)效率低。

1.2STEP-NC的優(yōu)點(diǎn)

0.引言

PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強(qiáng)、體積小、適應(yīng)性強(qiáng)和與計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域廣泛運(yùn)用,已大量替代由中間繼電器和時(shí)間繼電器等組成的傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)。近年來(lái),PLC技術(shù)發(fā)展迅猛,新產(chǎn)品層出不窮。高端PLC不僅擅長(zhǎng)開(kāi)關(guān)量檢測(cè)和邏輯控制,而且能夠處理模擬信號(hào)、進(jìn)行位置控制和回路控制,還可以連接各種觸摸屏人機(jī)界面并具有強(qiáng)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(jī)界面,并根據(jù)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連,構(gòu)成開(kāi)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(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng),并可根據(jù)實(shí)際需要,任意擴(kuò)展控制軸數(shù);觸摸屏人機(jī)界面可以根據(jù)操作需要靈活設(shè)計(jì);還可通過(guò)DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協(xié)議單元進(jìn)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(kāi)放特征與典型模式

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)一般基于PC平臺(tái),具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)無(wú)關(guān)性、可二次開(kāi)發(fā)和適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)工作等特征。基于PC平臺(tái)的開(kāi)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(zhuān)用NC+PC),在傳統(tǒng)CNC中插入專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的接口板,使傳統(tǒng)的專(zhuān)用CNC帶有PC的特點(diǎn)。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(zhuān)用CNC技術(shù)而產(chǎn)生的折中方案,尚未實(shí)現(xiàn)NC內(nèi)核的開(kāi)放,只具有初級(jí)開(kāi)放性;第二種為嵌入型(PC+NC控制卡),將基于DSP的高速運(yùn)動(dòng)控制卡(NC控制卡)插在PC的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展槽中,由PC機(jī)執(zhí)行各種非實(shí)時(shí)任務(wù),NC控制卡處理實(shí)時(shí)任務(wù)。是目前基于PC平臺(tái)的開(kāi)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(jī)不僅能夠完成管理等非實(shí)時(shí)任務(wù),也可以在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下,執(zhí)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服控制、機(jī)床電器控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)。這種模式的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了NC內(nèi)核的開(kāi)放和用戶(hù)操作界面的開(kāi)放,可以直接或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行各種應(yīng)用軟件,是真正意義上的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。與PC平臺(tái)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)相比,基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層面和系統(tǒng)擴(kuò)充層面。高端PLC采用類(lèi)似于PC的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和面向操作的梯形圖語(yǔ)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(zhuān)用控制語(yǔ)句,具有系統(tǒng)構(gòu)建靈活、擴(kuò)充能力強(qiáng)、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)便捷等優(yōu)點(diǎn)。編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化和部件可互換性的不斷增強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的普遍采用,都使基于高端PLC的數(shù)控系統(tǒng)變得更加開(kāi)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(kāi)關(guān)信號(hào)監(jiān)測(cè)與邏輯控制

在數(shù)控系統(tǒng)中，多臺(tái)電機(jī)可以采用同步軸或串聯(lián)軸的方式虛擬為一個(gè)數(shù)控坐標(biāo)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(shí)還介紹了串聯(lián)控制概念以及使用預(yù)加負(fù)荷的方法來(lái)消除間隙。

在數(shù)控系統(tǒng)中，有時(shí)采用多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)虛擬為一個(gè)坐標(biāo)軸，來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。最常用的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)為同步(Synchronous)運(yùn)動(dòng)的形式，比如，要求兩臺(tái)以相同的速度和位移運(yùn)動(dòng)的電機(jī)帶動(dòng)齒輪與齒條嚙合作為一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)。這樣的坐標(biāo)軸被稱(chēng)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(mén)機(jī)床的龍門(mén)直線(xiàn)移動(dòng)、大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的雙柱直線(xiàn)移動(dòng)，為保持運(yùn)動(dòng)的均勻，都需要兩個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。曲軸車(chē)床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時(shí)不扭搓工件，在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(chē)床在車(chē)螺紋時(shí)的主軸和進(jìn)給軸必需同步。滾齒機(jī)的工作臺(tái)的分齒運(yùn)動(dòng)與滾刀的運(yùn)動(dòng)在滾齒時(shí)也必需同步、剛性攻絲的Z軸進(jìn)給與主軸同步等，但這種同步是指多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位移之間成一定的關(guān)系，而不是相等的關(guān)系，對(duì)這種同步運(yùn)動(dòng)，本文不予討論。

實(shí)現(xiàn)同步一般有兩種方法。一是機(jī)械同步：同步系統(tǒng)由機(jī)械裝置組成。這種同步方法容易實(shí)現(xiàn)，但機(jī)械傳動(dòng)鏈復(fù)雜，傳動(dòng)件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動(dòng)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(jī)和機(jī)械傳動(dòng)箱等組成。所需機(jī)械傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)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(duì)不同生產(chǎn)機(jī)械的要求可提供不同的配置，實(shí)現(xiàn)其同步要求。

在某些情況下，一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)矩不夠用，但改用一個(gè)更大的伺服電機(jī)又嫌體積或慣量過(guò)大，於是以?xún)蓚€(gè)伺服電機(jī)取代一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的坐標(biāo)軸，這種坐標(biāo)軸被稱(chēng)為串聯(lián)軸，如圖2所示。這樣由於兩個(gè)伺服電機(jī)以一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)矩相互作用，或者通過(guò)預(yù)加負(fù)荷，在機(jī)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(jī)控制。

一、國(guó)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(zhuān)用型封閉式開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、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(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過(guò)程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)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(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò)CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒(méi)有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過(guò)程中CNC只是一個(gè)封閉式的開(kāi)環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過(guò)程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長(zhǎng)、加工余量等加工參數(shù)，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無(wú)法通過(guò)反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)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(jiàn)，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(guò)程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行。

二、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（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(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。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(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)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(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿(mǎn)足不同用戶(hù)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(dòng)進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)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(mén)子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。（4）實(shí)時(shí)智能化。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的各種智能行為。

（二）功能發(fā)展方向

傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(jī)(或蝸桿砂輪磨齒機(jī))為例，在齒輪機(jī)床中存在著展成分度鏈、差動(dòng)鏈、進(jìn)給傳動(dòng)鏈等。調(diào)整既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)?？焖仝吔?、工進(jìn)、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(jì)80年代以后，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始對(duì)齒輪加工機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造和生產(chǎn)數(shù)控齒輪加工機(jī)床。特別是近年來(lái)，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(jī)遇。我們將齒輪加工系統(tǒng)分為全功能和非全功能兩大類(lèi)。

差動(dòng)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(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)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(kāi)始起步，當(dāng)時(shí)數(shù)控技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足齒輪加機(jī)床展成分度鏈的高同步性的要求,因此展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)。這種數(shù)控加工方式，調(diào)整比機(jī)械式齒輪加工機(jī)床要方便的多。它們可以通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)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(lèi)齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)屬經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，由于其展成分度鏈和差動(dòng)鏈仍為傳統(tǒng)的機(jī)械式，齒輪加工精度取決于機(jī)械傳動(dòng)鏈的精度。目前這種齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)多用于對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式齒輪加工機(jī)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(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)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(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)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(zhuān)用型封閉式開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、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(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過(guò)程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)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(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò)CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒(méi)有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過(guò)程中CNC只是一個(gè)封閉式的開(kāi)環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過(guò)程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長(zhǎng)、加工余量等加工參數(shù)，無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無(wú)法通過(guò)反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)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(jiàn)，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(guò)程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢(shì)在必行。

2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

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(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。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(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)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(lái)先進(jìn)制造技術(shù)的核心內(nèi)容之一，正在朝著開(kāi)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(jì)制造和應(yīng)用開(kāi)發(fā)都日益顯示出基于開(kāi)放接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊形態(tài)。基于模塊和組件的系統(tǒng)構(gòu)建策略更能體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的人性化思想，每一個(gè)模塊都是一個(gè)有針對(duì)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(shí)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(jì)理念和性能指標(biāo)都體現(xiàn)數(shù)控加工技術(shù)的要求和市場(chǎng)應(yīng)用的需求，這些充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)者個(gè)性化的產(chǎn)品組件通過(guò)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口形式有機(jī)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(gè)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)學(xué)科，涉及系統(tǒng)控制，工業(yè)設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)，變頻調(diào)速，網(wǎng)絡(luò)通訊，信號(hào)分析等范圍很廣和適用性很強(qiáng)的技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)原理在工科學(xué)校的機(jī)電一體化教學(xué)中都有涉及，但在應(yīng)用實(shí)踐上相對(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造軟件也都是針對(duì)于這一目標(biāo)，缺少一個(gè)貫穿于整個(gè)數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用環(huán)境，來(lái)從系統(tǒng)規(guī)劃的高度和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的層面來(lái)實(shí)施數(shù)控技術(shù)能力素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo)。

正是針對(duì)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(gè)針對(duì)于整個(gè)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用組件和模塊的思想建立了一個(gè)集成的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從數(shù)控裝備產(chǎn)品規(guī)劃，方案選擇，運(yùn)動(dòng)算法和人機(jī)交互等各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，下面將從總體策略，結(jié)構(gòu)特征，關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)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(jī)比步進(jìn)電機(jī)性能更優(yōu)越，隨著現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，伺服電機(jī)控制技術(shù)成為了機(jī)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(jī)直接驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597(2008)0820116－01

近年來(lái)，伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個(gè)方向發(fā)展。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。本文對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要探討。

一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)

（一）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒(méi)有檢測(cè)反饋和處理修正過(guò)程，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，機(jī)床的位置精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角精度和機(jī)械部分的傳動(dòng)精度，難以達(dá)到比較高精度要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能很高，運(yùn)動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡(jiǎn)單。所以開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。