闭环控制数控机床的特点范文1
叙词：数控机床高精度轨迹控制
0前言
数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备，它关系到国家发展的战略地位。因此，立足国内实际，加速发展具有较强竞争能力的国产高精度数控机床，不断扩大市场占有率，逐步收复失地，便成为我国数控机床研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。
为完成这一任务，必须攻克若干关键技术，但其中最关键的一项是数控机床的高精度轨迹控制技术。因此，我们近年来结合生产实际，从高速高精度插补、高速高精度伺服控制和信息化轨迹校正等诸方面，对高速高精度轨迹控制技术进行了系统研究，并以此为基础加强了新型数控系统和高精度数控机床的开发。本文将介绍所取得的部分结果。
1数控机床高精度轨迹控制的基本思想
随着科学技术的进步和社会经济的发展，对机床加工精度的要求越来越高。如果完全靠提高零部件制造精度和机床装配精度的传统方法来设计制造高精度数控机床，势必大幅度提高机床的成本，在有些情况下甚至不可能。面对这一现实，我们对以低成本实现高精度的途径进行了探索，提出一种通过信息、控制与机床结构相结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法，其核心思想是：①采用具有高分辨率和高采样频率的新型插补技术，在保证速度的前提下大幅度提高轨迹生成精度；②通过新型双位置闭环控制，有效保证希望轨迹的高精度实现。③以信息化轨迹校正消除机械误差和干扰对轨迹精度的影响，从而保证所控制的机床可在生产环境中长期高精度运行。
2高速高精度轨迹生成
高精度轨迹生成是实现高精度轨迹控制的基础。本文以高分辨率、高采样频率和粗精插补合一的多功能采样插补生成刀具希望轨迹。
2.1基本措施
由采样插补原理可知，插补误差δ(mm)与进给速度vf(mm/min)、插补频率f(Hz)和补曲线曲率半径ρ(mm)间有如下关系
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(1)
由上式可知，为既保证高的进给速度，又达到高的轨迹精度，一种有效的办法就是提高采样插补频率。考虑到在现代数控机床上将经常碰到高速高精度小曲率半径加工问题。为此，我们在开发新型数控系统时，发挥软硬件综合优势将采样插补频率提高到5kHz，即插补周期为0.2ms。这样，即使要求进给速度达到60m/min，在当前曲率半径为50mm时，仍能保证插补误差不大于0.1μm。
2.2数学模型
常规采样插补算法普遍采用递推形式，一般存在误差积累效应。这种效应在高速高精度插补时将对插补精度造成不可忽视的影响。因此，我们在开发高速高精度数控系统时采用新的绝对式插补算法，其要点是：为补曲线建立便于计算的参数化数学模型
x=f1(u)，y=f2(u)，z=f3(u)
(2)
式中u——参变量，u∈［0，1］
要求用其进行轨迹插补时不涉及函数计算，只需经过次数很少的加减乘除运算即可完成。
例如，对于圆弧插补，式(2)的具体形式为
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(3)
式中M——常数矩阵，当插补点位于一、二、三、四象限时，其取值分别为
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2.3实时插补计算
在参数化模型的基础上，插补轨迹计算可以模型坐标原点为基准进行，从而可消除积累误差，有效保证插补计算的速度和精度。其实现过程如下：
首先根据当前进给速度和加减速要求确定当前采样周期插补直线段长度ΔL。然后，按下式计算当前采样周期参变量的取值
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\> (4)
式中ui-1——上一采样周期参变量的取值
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>——参变量的摄动量
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>——与screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>对应的x，y，z的摄动量
最后将ui代入轨迹计算公式(2)，即可计算出插补轨迹上当前点的坐标值xi，yi,zi。不断重复以上过程直至到达插补终点，即可得到整个离散化的插补轨迹。
需说明一点，按式(4)计算ui时允许有一定误差，此误差仅会对进给速度有微小影响，不会对插补轨迹精度产生任何影响。这样，式中的开方运算可用查表方式快速完成。
2.4算例分析
表1给出了第一象限半径为50mm圆弧的插补计算结果。表中第一行为插补点序号，u行为各插补点处参变量的取值，x、y行为各插补点的坐标值。为分析插补误差，将各插补点处的圆弧半径和插补直线段长度的实际值也一同列于表中的r行和ΔL行。
由表可见，虽然插补过程中计算ui时产生的误差对插补点沿补曲线前后位置的准确性有一定影响(ΔL值约有小于1%的误差)，但各插补点处的r值总是50.000，这说明插补点准确位于补曲线上，不存在轨迹误差。
表1圆弧插补计算结果(x,y,r，ΔL的单位为mm)
插补点12345678910u0.0790.1590.2410.3260.4150.5110.6140.7280.8551.000x49.38347.54344.52640.41035.29729.31922.62515.3857.7820.000y7.83115.48222.74729.44635.41340.50244.58847.57449.39150.000r50.00050.00050.00050.00050.00050.00050.000
50.00050.00050.000ΔL7.8557.8697.8667.8637.8587.8517.8427.8327.8187.806
3实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案
通过高速高精度插补获得精确的刀具希望轨迹后，下一步的任务便是如何保证刀具实际运动轨迹与插补产生的希望轨迹一致。为此需首先解决各运动坐标的高精度位置控制问题。
3.1系统组成
常规全闭环机床位置控制系统的动态结构如图1所示。其设计思想是在速度环的基础上加上位置外环来构成全闭环位置控制系统。根据电力拖动系统的工程设计方法，设计此类系统时，位置控制器应选用PI或PID调节器，以使系统获得较快的跟随性能。然而，因这类系统为高阶Ⅱ型系统，其开环频率特性将与非线性环节的负倒幅曲线相交，从而使系统出现非线性自持振荡而无法正常工作。这就使得这类系统难以在实际中广泛应用。
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图1常规全闭环位置控制系统的动态结构
ni,no——调速系统输入指令和输出转速
Ki——传动机构增益
为了克服常规全闭环位置控制系统存在的缺陷，必须打破以速度内环为基础构造全闭环位置控制系统的传统理论的束缚，寻求新的在保证可靠稳定性的基础上获得高精度的途径。经过多年探索，我们研究出一种新的转角-线位移双闭环位置控制方法，由其构成的位置控制系统的动态结构如图2所示。该系统的特点是：整个系统由内外两个位置环组成。其中内部闭环为转角位置闭环，其检测元件为装于电机轴上的光电编码盘，驱动装置为交流伺服系统，由此构成一输入为θi输出为θo的转角随动系统。外部位置闭环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获取机床工作台的位移信息，并以内环的转角随动系统为驱动装置驱动工作台运动。工作台的位移精度由线位移检测元件决定。
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图2转角—线位移双闭环位置控制系统的动态结构
该系统的设计思路是，内外环合理分工，内环主管动态性能，外环保证稳定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能，引入由Gc(s)组成的前馈通道，构成复合控制系统。
3.2稳定性与误差分析
(1)稳定性分析
由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节，因此通过合理设计该局部线性系统，可使其成为一无超调的快速随动系统，其动态特性可近似表示为
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\> (5)
式中Kθ——转角闭环增益
Tθ——转角闭环时间常数
系统外环虽然包含了非线性环节，但设计控制器使
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\> (6)
式中Kp——积分环节时间常数
将系统校正为Ⅰ型并合理选择系统增益，可避免系统的频率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围，从而保证系统稳定工作［2］。显然当Tθ较小时θo(s)/θi(s)≈Kθ，系统将具有更强的稳定性。
(2)跟随误差分析
采用上述方案可保证图2系统稳定工作，因此可忽略非线性因素的影响，求出该系统的传递函数
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\> (7)
系统设计时使反馈系数Kf=1，前馈通道
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\> (8)
有
Φx(s)1 (9)
上式说明，双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。
4信息化轨迹误差校正
在双位置闭环控制下，机床坐标运动的精度主要取决于检测装置获取信息的准确程度。因此，进一步通过信息补偿有效提高检测装置的精度并使其不受外部环境的影响，将为进一步提高坐标运动精度提供一条新的途径。为此采取以下措施：对检测装置的误差及其与系统状态的关系进行精确测定并建立描述误差关系的数学模型，加工过程中由数控系统根据有关状态信息(如工作台实际位置、检测装置的温度等)按数学模型计算误差补偿值，并据此对检测装置的测量值进行实时校正，从而保证机床运动部件沿各自的坐标轴具有很高的运动精度。
为在高精度坐标运动的基础上，获得高精度的多坐标合成轨迹，进一步采用几何误差信息化校正方法。例如，对于机床x、y工作台的不垂直度误差，可通过以下过程进行校正：
将一精密测头装入机床主轴，对固定于工作台上的标准样件(圆弧轮廓)进行测量。当机床的x、y坐标间存在不垂直度误差时，所测的轨迹将不是一个准确的圆。将此实测轨迹与标准轨迹相比较，即可求出x、y坐标间不垂直度误差值。按该误差值对x、y坐标的运动进行校正，即可使x、y合成运动轨迹达到更高的精度。
将此原理用于其他几何误差的校正，即可有效提高多坐标运动的合成轨迹精度。若在加工过程中插入上述校正过程，还可对温度变化引起的热变形误差进行有效补偿。
5应用实例
以高速高精度轨迹控制技术为基础，开发了一种新型计算机数控系统［3］。某用户用该系统控制SKY1632数控铣床，其加工性能有了明显提高。例如，有一种复杂模具零件，被加工表面不但曲率变化剧烈，而且许多部位的曲率半径值很小，过去用老型号系统控制机床进行加工时，必须采用很低的进给速度才能保证加工精度，生产率很低。采用新型数控系统后，由于其对大曲率和曲率变化的高度适应能力，使得进给速度提高数倍后，仍能加工出合格的零件，从而大幅度提高了生产率。此外，通过新型系统的控制，有效地抑制了机械传动误差、时变切削力和温度变化等因素对加工精度的影响，较好解决了大程序量、长时间(连续几十小时以上)加工中所存在的轨迹跑偏问题，提高了复杂零件的加工质量。
闭环控制数控机床的特点范文2
为了实现上述基于MRO的重型机床装备闭环PLM系统，提出了如图2所示的面向重型机床装备的闭环PLM系统构架，包括基础资源层、数据集成层、平台功能层和产品应用层。基础资源层。系统构架的最底层，由数据采集设备、网络设备和集成开发环境组成。采集机床运行状态数据和环境数据，并进行数据传输和数据交换。数据集成层。提供数据和知识支持。运用数据处理技术，实现数据集成，并采用知识获取、知识识别等技术，提取机床的各阶段知识并与专家系统有效地整合在一起，形成覆盖机床全生命周期的知识体系。平台功能层。将知识数据功能化，提供各项服务功能，包括机床状态监控、运行环境监控、机床知识服务、机床设计反馈、远程故障诊断、维修维护计划、维修执行监控、机床操作指导和加工工艺制定等。产品应用层。将闭环PLM系统付诸实践的过程，结合机床共性和不同机床的特性，构建不同机床系列的闭环PLM体系，实现机床全生命周期的数据管理以及数据反馈，提高运行质量和运行稳定性，实现优化设计。
2.关键技术分析
2.1系统开发基础技术
系统开发的基础技术包括数据接入与感知技术、数据融合与处理技术、产品全生命周期数据管理技术和知识服务技术。获取重型机床生命周期各阶段的复杂、动态以及分散的数据;根据数据特性，分析处理后实现统一管理;结合云计算和云制造的思想，整合机床业分布的知识资源，将整合后的知识资源出去，提供知识服务。
2.2系统开发专项技术
1.运行智能闭环关键技术应用传感器和ECU模块，感知机床所处环境状态和运行状态，通过自检测技术、自调整与自适应技术，实现运行闭环功能。重型机床ECU自监测技术。针对实时故障诊断难、安全预警需求强、突发状况处理及时性要求高等特点，运用嵌入式ECU系统，实时获取机床加工状态，鉴别机床当前工作状态，对非安全状态提出预警;对处于突发异常状态的机床采取自处理措施，智能控制机床的启停状态，切换机床的工作模式。重型机床ECU自调整与自适应技术。重型机床的加工性能受到工作环境、工作状态及加工对象的影响较大，通过分析机床所处环境信息、运行信息、关键零部件寿命信息，形成基于设备ECU智能控制系统，根据环境情况调整机床参数。2.维护智能闭环关键技术基于知识的健康状态分析与故障诊断技术。提取设备状态特征，确定状态评价标准，评价设备当前状态及健康度，预测其变化和发展趋势。及时正确地对异常状态或故障状态做出预警，诊断出引起状态变化的本质原因，定位故障位置和失效模型，并提出合理的维修方案。基于知识的MRO管理体系与技术。将MRO各管理模块结合起来，形成管理框架，调用诊断知识数据，为MRO决策提供数据支持;同时，决策产生的维修数据也可以反馈到知识库，使知识不断丰富。主要包括MRO需求管理模块、MRO过程管理模块、过程优化模块、服务评价模块和备品备件管理模块。3.基于MRO反馈的设计闭环关键技术从产品设计和工程设计两个方面对重型机床进行优化设计，提高设计可靠性，同时提高重型复杂机床的无故障运行时间，延长使用寿命。基于故障数据反馈的d－FMEA产品设计技术，通过对故障数据的分析，确定产品故障的类型:由设计缺陷导致的故障、由产品寿命导致的故障、由顾客误用所导致的故障，根据不同的故障类型，采取相应的措施，进行设计改进，避免故障再次发生。基于运行数据反馈的工程设计技术，针对运行环境和机床加工对象的差异性，进行辅助工艺编制和产品加工，提供关键工艺的工程设计服务，保证设备的最佳运行状态。
3.结束语
闭环控制数控机床的特点范文3
【关键词】 数控机床 伺服系统 设计
Abstract:The CNC servo system is the key parts which connect the system (CNC) and the body of CNC. And its performance is directly related to the static and dynamic characteris-tics, the work load capacity, accuracy, speed and load capacity of the execution of CNC machine.
前言
用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环、闭环和混合伺服几种方式。开环系统是由步进电机作为驱动部件,多用在经济型数控系统或老设备的数控改造;混合伺服方式只有在大型机床中使用。采用全闭环的方式的数控系统,其设计和调整技术难度较大,只有在大型、精密数控机床中使用。在半闭环方式中,机床定位精度很大程度取决于滚珠丝杠的精度,通过选用高精度的滚珠丝杠,辅以螺距误差补偿等措施,半闭环完全可以满足普通精度级机床的定位精度的要求。由于冲床对加工精度相对来说要求不高,所以本系统采用半闭环的伺服结构[1-7]。
1.滚珠丝杠副的选择
在数控机床的进给传动系统中,由于滚珠丝杠副具有摩擦阻力小、传动效率高(92%~98%)的传动定位准确等优点,经常采用滚珠丝杠作为传动元件,尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中。本系统在设计时,根据冲床的移动速度、连接方式,以及工作台和工件的总重量,根据文献[2]中的相关公式,初步选定南京工艺装备厂生产的LR-CF3232-1.5型滚珠丝杠,其导程为32mm,公称直径为32mm,精度等级为5级。根据文献[2]中的相关公式,经过丝杠的稳定性校核与临界转速校核,选用的丝杠满足要求[1]。
数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度,除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外,滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽略的因素。滚珠丝杠安装不正确以及支承刚度不足,会使丝杠的使用寿命大大下降,所以要采用合适的支承方式。根据滚珠丝杠副的工作情况及轴向固定方式,丝杠支承常以止推轴承和向心轴承的组合,支承方式有以下四种:双推-自由式、双推-简支式、单推-单推式和双推双推式。由于双推-简支方式的双推端可以拉伸安装、预紧力小、轴承使用寿命较高,适用于中速精度较高的传动系统,所以我们采用双推-简支式滚珠丝杠支承[2-3]。
2.进给伺服电动机的选择
进给伺服电机是否选择得当,直接关系到整个伺服系统机电参数与系统的性能是否匹配。通常调速电机主要是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。交流伺服电机以其使用不受环境限制、经济可靠及动态响应性能好等优点越来越广泛的应用于数控机床的进给系统中。本系统在设计时,根据文献[2]中的相关公式,经过负载转矩计算,负载惯量匹配计算选定三菱HC-SFS102型交流伺服电机,配备MR-J2S-100A伺服放大器 。
3.交流伺服电机的单片机控制
数控系统对进给伺服系统的控制包括对进给台的位置控制和速度控制,是CNC系统开发的关键技术之一。在数控系统中,交流伺服电机的作用是把控制电压信号或相位信号变换成机械位移,也就是把接收到的电信号变换为电机的一定转速或角位移,因此可以用单片机实现对电机的数字控制 。
本系统选用三菱HC-SFS102型交流伺服电机,通过对其配套的MR-J2S-100A伺服放大器的控制实现对伺服电机的控制。对交流伺服电机的控制方式主要有三种:位置控制方式、速度控制方式和转矩控制方式。位置控制方式是伺服电机驱动器接受脉冲来控制伺服电机的转动,与控制系统的接线简单。另外冲床是点位控制系统,对位置精度要求较高,因此本系统选用位置控制方式实现对交流伺服电机的控制。从CPU系统对伺服电机控制的核心部件是AT89C52单片机芯片,配备相应的电路来实现的控制。从CPU系统与X轴伺服电机驱动器接口电路如图所示。由于单片机属于TTL电路,它的I/O输出的开关量信号电平无法直接驱动电机,因此必须要采用光电耦合器隔离。
在位置控制方式下,从单片机通过OUT8255的PA1口输出的高低电平来控制X轴伺服电机的正反转,OUT8255的PA0口输出的高速脉冲数目控制X轴伺服电机的转动位移,输出的脉冲频率控制电机的转速。进给台的位置精度由交流伺服电机内置的17位绝对式光电编码器来控制。
另外伺服驱动器有一系列的参数,通过对这些参数的设置个调整,可以改变伺服系统的功能和性能。伺服驱动器的参数设置完毕后,关闭电源,重新通电后伺服电机即可按照设定的参数工作。
结论
在分析了数控机床各种伺服进给系统的优缺点的基础上,合理地选择了半闭环控制方式。根据滚珠丝杠和交流伺服电机的性能参数,对单片机控制交流伺服电机进行了设计。另外对基于数据采样插补的加减速控制算法进行了分析,结合数控冲床的特点,对采用插补前速度控制方式指数加减速曲线控制算法进行了设计,并给出了软件流程图。
参考文献
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[8] 黄艳,李家霁,于东,彭健钧.CNC系统S型曲线加减速算法的设计与实现[J].制造技术与机床,2005.
闭环控制数控机床的特点范文4
[摘 要]高精度轨迹生成是实现高精度轨迹控制的基础。本文以高分辨率、高采样频率和粗精插补合一的多功能采样插补生成刀具希望轨迹。为了克服常规全闭不位置控制系统存在的缺陷、一经过多年探索，我们研究出一种新的转角一线位移双闭环位置控制方法。该系统的特点是：整个系统由内外两个位置环组成。
[关键词]精度；希望轨迹；插补频率；补偿值
随着科学技术的进步和社会经济的发展，对机床加工精度的要求越来越高。我们对以低成本实现高精度的途径进行了探索，提出一种通过信息、控制与机床结构结合实现数控机床高精度轨迹控制的方法。
一、高速高精度轨迹生成
高精度轨迹生成是实现高精度轨迹控制的基础。本文以高分辨率、高采样频率和粗精插补合一的多功能采样插补生成刀具希望轨迹。
1、基本措施
由采样插补原理可知，插补误差∝ ( mm ）与进给速度vf （mm/min ）、
插补频率F ( HZ ）和补曲线曲率半径p ( mm ) 间有如下关系:
screen . widt 一400 ) this . style . width = screen . width - 400 ; \ > ( 1 )
由上式可知，为既保证高的进给速度，又达到高的轨迹精度，一种有效的办法就是提高采样插补频率。考虑到在现代数控机床上将经常碰到高速高精度小曲率半径加工问题。为此我们在开发新型数控系统时，发挥软硬件综合优势将采用插补频率提高到5KHZ，即插补周期为0.2ms。既使要求进给速度达到60m/min,在当前曲率半径为50mm时仍能保持插补误差不大于0.1m。
2、数学模型
常规采样插补算法普遍采用递推形成，一般存在误差积效应。这种效应在高速高精度插补时将对插补精度造成不可忽视的影响。因此，我们在开发高速高精度数控系统时采用新的绝对式插补算法，其要点是：为补曲线建立便于计算的参数化数学模型：
X = fl ( u ) , y ＝f2（u ) , Z = f3(u ) ( 2 )
式中η是参变量,η【 O , l ]
要求用其进行轨迹插补时不涉及函数计算，只需经过次数很少的加减乘除运算即可完成。
3、实时插补计算
在参数化模型的基础上，插补轨迹计算可以模型坐标原点为基准进行，从而可消除积累误差，有效保证插补计算的速度和精度。
二、实现高精度轨迹控制的双闭环控制方案能过高速高精度插补获得精确的刀具希望轨迹后，下一步的任务便是如何保证刀具实际运动轨迹与插补产生的希望轨迹一致
为此需首先解决各运动坐标的高精度位置控制问题。
1、系统组成
为了克服常规全闭不位置控制系统存在的缺陷、一经过多年探索，我们研究出一种新的转角一线位移双闭环位置控制方法。该系统的特点是：整个系统由内外两个位置环组成。其中内部闭环为转角位值闭环，共检侧元件为装于电机轴上的光电编码盘，驱动装置为交流伺服系统，由此构成一输入为01 输出为00 煌转角随动系统。外部位置闭环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获取机床工作台的位移信息，并以内环的转角随动系统为驱动装置驱动工作台运动。工作台的位移精度由线位移检测元件决定。
该系统的设计思路是，内外环合理分工，内环主管动态性能，外环保证稳定性和跟随精度。为提高系统的跟随性能，引入由GC ( S ）组成的前馈通道，构成复合控制系统。
2、稳定性与误差分析
( l ）稳定性分析
由于内部转角闭环不包含间隙非线性环节，因此通过合理设计该局部线性系统，可使其成为一无超调的快速随动系统，其动态特性可近似表示为
screen . width 一400 ) this . tyle . width = scteen . width 一400 ; \ >( 5 ）式中KO ― 转角闭环增益
Te ― 转角闭环时间常数
系统外环虽然包含了非线性环节，但设计控制器使
screen . width 一400 ) this . styls . width = scree. width 一400 \＞( 6 ）式中Kp ― 积分环节时间常数
将系统校正为I 型并合理选择系统增益，可避免系统的频率特性曲线与非线性环节的负倒幅曲线相交或将其包围，从而保证系统稳定工作。显然当Te 较小时eo ( S ) / 01 ( S ) Ke ，系统将具有更强的稳定性。
( 2 ）跟随误差分
采用上述方案可保证系统稳定工作，因此可忽略非线性因素的影响，求出该出该系统的传递函数双闭环系统具有理想的动态性能和跟随精度。
闭环控制数控机床的特点范文5
【关键词】检测技术；数控机床；实践应用
Abstract：This article mainly describes the application of modern technology and detection device detects based on numerical control machines，a detailed analysis of the indispensible role of the position of the detection device depend on numerical control machines，and then summarize the reasons for failure of detecting elements which in order to sharing experiences with other engineers.
Key words：Detection technology；Numerical control machine；Practical application
1.引言
在全球科学技术迅猛发展的今天，机电一体化也成为了一门有着自身体系的新型学科。其形式多种多样、功能也各不相同。数控机床是高度机电一体化的产品，它主要由数控装置、伺服驱动装置、测量反馈装置和机床本体四大部分组成，如图1所示。
图1 数控机床的组成
图1中的测量反馈装置就是电子检测技术在数控机床中的应用。数控机床中的测量反馈装置是通过现代的测量元件如：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺、磁尺等，将执行元件如（电机、刀架、工作台）等的速度和位移检测出来，经过相应的电路将所测得的信号反馈回数控系统，构成半闭环或全闭环系统，补偿执行机构的运动误差，以达到提高运动精度的目的。测量反馈系统是数控机床中不可缺少的重要组成部分，本文主要论述电子检测技术在数控机床中的应用。
2.现代检测技术与数控机床的关系
检测技术是自动化学科的重要组成部分之一，是以现代自动化系统的应用为主要目的，围绕参数检测和测量信号分析等信息获取处理技术进行研究开发与应用的一门综合性技术。
数控机床电子检测技术即检测反馈装置系统举足轻重，不可缺少，犹如人类不能没有眼睛和耳朵一样。
2.1 检测装置的功能
数控机床中的检测装置的功能是对机床加工过程中所需的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测并转换成可识别信号，传输到机床系统信息处理单位，经过分析、处理后产生相应的控制信号，控制机床正常运行。
数控机床之所以能够实现高精度的零件加工，最主要的原因是采用位置检测元件对机床移动部件的实际位置进行检测。现在常用数控机床的控制系统多为采用反馈控制的随动系统，数控系统将其输出的指令信号与检测元件反馈回来的实际信号进行比较，最终实现精确控制位移、速度的目的。数控系统的检测元件（即传感器）起着测量和反馈两个作用，它发出的反馈信号传给数控系统或专用控制器，构成闭环或半闭环伺服系统。
2.2 数控机床对检测装置的要求
数控机床对检测装置的精度和相应的速度要求不同，对大型机床以满足速度为主，对中小型机床以满足精度为主。检测系统的分辨率要比加工精度高一个数量级，数控机床对测量装置主要有以下几点要求：（1）寿命长，可靠性高、抗干扰性强；（2）满足速度、精度和测量范围的要求；（3）使用维护方便，适合机床运行环境，成本低；（4）易于实现高速动态测量和处理，易于实现自动化。
3.数控机床中的检测装置
3.1 检测装置的对象不同
数控机床中的检测装置可分为直线位移和角位移检测装置，直线位移检测装置是将检测元件直接安装在数控机床的拖板或工作台上，直接测量数控机床移动部件的直线位移量，该装置多用于闭环伺服系统；角位移测量装置是将位置检测元件安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量数控机床移动部件的直线位移量，该装置多用于半闭环伺服系统。
3.2 检测信号选取型号不同
数控机床中的检测装置可分为数字式测量装置和模拟式测量装置。数字式测量装置是将被测位移量转换为脉冲个数，即数字形式来表示，检测信号一般是电脉冲，可将其直接送入数控装置进行比较、处理。数字式测量装置具有信号处理简单、抗干扰性强等优点；模拟量测量装置是将被测位移量转换为连续变化的模拟电量进行检测，无需量化，但对信号处理的方法相对来说比较复杂，需增加滤波器等以提高抗干扰性。
3.3 测量的绝对值不同
数控机床中的检测装置有增量式测量装置和绝对式测量装置，增量式测量装置它只测量相对位移量（位移增量），即每移动一个测量单位就发出一个测量信号，在测量过程中，对任何一个点都可作为测量的起点，而移动距离是有测量信号计数器累加所得，一旦计数有误，则以后测量所得结果将完全错误，比外，在发生意外故障时（如断电），待故障排除后，不能再找到事故前的正确位置，必须将移动部件移至始点，重新计数才能找到事故前的正确位置，绝对式测量装置时分辨率要求越高、量程越大、测量装置的结构越复杂。
4.电子检测技术在数控机床中的应用
4.1 数控机床中的检测与传感器
检测系统在测量过程中，首先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来并转换成电量，然后输出。要使数控机床中的数控系统有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取机床运行过程中的各种各样的反馈信息。检测系统及组成如图2所示。
图2 检测系统及组成
将被测物理量转换成为与之相对应的，容易测量、传输或处理的器件，称之为传感器。这里传感器的定义包含三层含义（1）传感器是一个测量装置，能完成检测任务；（2）在规定的条件下感受被测量，如物理量、化学量和生物量等；（3）按一定规律转换成易于传输和处理的电信号。数控机床中的检测系统离不开传感器，它是测量装置的输入环节，它的性能直接影响着整个测量系统工作的可靠性。传感器的最终目的是将非电量（速度、位移等）转变为电量（电压、电流、频率），如图3所示。
图3 传感器组成框图
数控机床中所用的传感器种类很多，具体阐述如下：
（1）位移传感器，主要检测数控机床中各轴移动的距离，如安装在床身上的光栅尺、读数头，安装在电机上的编码器、感应同步尺、旋转变压器、磁栅尺等。
（2）力传感器，主要检测数控机床中液压单元的压力，风压回路的压力，以及回路的压力等。
（3）温度传感器，在数控机床中是测量液压油温度、冷却水温度、配电柜温度、电机温度的，一旦温度过高，机床就产生报警，起到安全保护作用。
（4）各种流体状态的测量，主要有流量传感器，用来检测机床正常运行液压系统的流量是否符合要求。
（5）位置传感器，位置传感器与位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到达某一位置，因此，它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种，数控机床中检测各轴的限位开关，回参考点的减速开关，开门关门到位开关，液位高低检测开关，工作台交换系统与刀具交换系统中检测位置正确与否的触点开关等。
4.2 机床中检测元件的故障分析
在数控机床的正常工作中，出现报警及提示信息，基本是安装在机床本体中的各种电子检测元件的反馈信息。一种信息是真实反映机床的错误状态，提示数控系统进行改正；第二种信息是电子检测元件的安装位置发生改变，使系统没有接受到其反馈信号；第三种信息是电子检测元件本身的性能下降或损坏而导致的。
（1）位置检测装置的故障及诊断
数控机床中的位置检测装置是决定机床加工精度的，由于数控机床中的位置检测元件维护不当使电子检测元件被污染，或损坏都会造成检测信号丢失，影响机床加工精度或造成停机。例如：一台采用FANUCOITB数控系统的数控卧车，每次开机X轴回参考点后，零点机械位置都有0.5mm-1.5mm的误差，该设备是全闭环控制，光栅尺为海德汉LS476，增量型，回参考点固定位置，在X轴零点端压上百分表，每次回零后观察百分表确实有误差，从诊断302号（从挡块脱离的位置到第一个栅格信号位置的距离）内记录的数据看也有变化，正常情况下诊断302号内的数据应该在每次回零后是固定不变的，检查回零减速开关，没有松动，检测X轴机械传动单元，也是正常的，没有间隙。修改参数将X轴改为半闭环控制，开机回零后，发现诊断302号的数据不变，怀疑光栅尺有问题，把光栅尺拆下检测发现动尺的读数头内有冷却液，线路板有短路发黑的痕迹，重新更换读数头后，机床回零位置没有误差。
（2）机床中各种检测开关的故障及诊断
由于电子检测元件是有使用寿命的，经过几年的工作，有的电气元件已经老化，无法正常工作，或者由于操作者维护不当造成短路将电子检测元件烧坏。例如：一台采用SIEMENS810系统数控升降台铣床，开机后Y轴按正方向键回参考点，但是Y轴却慢速的一直向负方向运行，直到负反方向超程报警时Y轴停止运行，没有找到机床零点。检查Y轴回参考点的减速开关，发现开关触点被压死，Y轴一直处于减速状态，所以不往正方向运行，找不到参考点。维修开关后，Y轴正常回参考点。
5.结束语
随着数控机床的广泛普及，掌握数控系统中的检测技术显得十分重要，尤其是传感器检测技术。传感器检测装置是数控机床的感觉器官，即从待测对象那里获取能反映待测对象特征与状态的信息。它是数控机床实现自动控制、自动调节的关键环节，检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测机床的各种外部信息，向控制装置发送反馈信号，构成闭环控制。检测环节的精度决定数控机床的加工精度，因此，为了提高数控机床的加工精度，为了更好地维护、维修数控机床，大力开展对电子检测技术的研究具有十分重要的意义。
参考文献
[1]金伟，齐世清，王俊元，王建国.现代检测技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[2]李虹.数控机床电器控制与维修[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]任建平，白恩远，王俊元，赵美虹.现代数控机床故障诊断及维修[M].北京：国防工业出版社，2002.
闭环控制数控机床的特点范文6
【论文摘要】：随着计算机业的快速发展，数控技术也发生了根本性的变革，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术，文章结合国内外情况，分析了数控技术的发展趋势。
1.引言
数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。
2.国内外数控系统的发展概况
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，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，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。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。
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部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，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
3.数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：
3.1高精度、高速度的发展趋势
尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。
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。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料"掏空"的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
3.25轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。3.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
4.结束语
随着人们对数控技术重视，它的发展越发迅速。文中简要陈述当前的发展趋势，另外数控技术的正不断走向集成化，并行化，仍有广阔的发展空间。
参考文献
[1]王立新.浅谈数控技术的发展趋势[J].赤峰学院学报.2007.
[2]董淳.数控系统技术发展的新趋势[J].可编程控制器与工厂自动化.2006.