《伺服與運(yùn)動(dòng)控制》2012第1期 濟(jì)南大學(xué) 胡曉峰  供稿

　　1 引言
 
　　模具作為一種高附加值的技術(shù)密集產(chǎn)品，它的技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，而要提高模具技術(shù)水平不僅要有技術(shù)水平，更基礎(chǔ)的是要有先進(jìn)的制造設(shè)備及制造和控制技術(shù)的支持，模具加工采用傳統(tǒng)的普通設(shè)備已經(jīng)難以適應(yīng)高效率，高質(zhì)量，多樣化的加工要求。一方面促使加工的大量前期準(zhǔn)備工作與機(jī)械加工過(guò)程連為一體；另一方面，促使機(jī)械的加工的全過(guò)程與柔性自動(dòng)化水平不斷提高，即提高了制造系統(tǒng)適應(yīng)生產(chǎn)條件的能力。數(shù)控技術(shù)同時(shí)又是柔性制造系統(tǒng)（FMS），計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的技術(shù)基礎(chǔ)之一。數(shù)控加工是模具制造業(yè)新的發(fā)展方向。對(duì)于現(xiàn)代模具制造業(yè)，市場(chǎng)要求必須在最短時(shí)間內(nèi)完成新成品的開(kāi)發(fā)和投產(chǎn)，為用戶提供精度模具，利用數(shù)控加工及模具計(jì)算機(jī)輔助制造等新技術(shù)，從而使模具加工技術(shù)進(jìn)入數(shù)控加工和模具計(jì)算機(jī)輔助制造為主的新階段。
 
　　2 模具鋼材制造數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
　　自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)由硬件數(shù)控到計(jì)算機(jī)數(shù)控的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)為更有效地使用數(shù)控技術(shù)也發(fā)揮了巨大的作用。由于鋼材模具加工中引入了CAD/CAM等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)施自動(dòng)化加工，在加工過(guò)程中，少了人的干預(yù)。由數(shù)控機(jī)床的組成（見(jiàn)圖1）可知，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都與自動(dòng)控制技術(shù)息息相關(guān)。
 

　眾磊捷成模具鋼材（北京）有限公司的主車間設(shè)備的控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
 
　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是對(duì)機(jī)床移動(dòng)位置直接用直線位置推測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，再把實(shí)際測(cè)量的位置反饋到數(shù)控裝置中去，與輸入指令比較是否有差值，然后用這個(gè)差值去控制，使運(yùn)動(dòng)部件按實(shí)際需要值去運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，即數(shù)控裝置中插補(bǔ)器發(fā)出的指令信號(hào)與工作臺(tái)末端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值不斷控制運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內(nèi)為止。控制流程如下圖3所示：

  控制人員根據(jù)實(shí)際模具要求，CAD,并將技術(shù)代碼通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)郊傻牟僮飨到y(tǒng)，有操作人員對(duì)加工的初值與技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)置調(diào)節(jié)，這一過(guò)程在控制面板上實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐公司所使用的是：LGMazak Vertical traveling   VTC-160和Mazatrol  PC-fusion-CNC 640M 及精確機(jī)LGMazak Vertical troveling  Column  VTC-20B
 

 
      馬扎克系類機(jī)床的先進(jìn)性：　
 
　　●采用了各種各樣的新技術(shù)　
 
　　通過(guò)采用在剛性，輸出，特性方面更為優(yōu)越（新型內(nèi)置馬達(dá)），相比于原來(lái)機(jī)型Super　Quick　Turn，有25－50％的輸出提高　
 
　　通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的NC尾座，減少了準(zhǔn)備時(shí)間并提高了操作性　
 
　　通過(guò)采用高速無(wú)升降刀塔，超高速伺服旋轉(zhuǎn)和分度，相比原來(lái)的Super　Quick　Turn機(jī)型，提高了10％　以上的速度這一級(jí)別上最快的快進(jìn)速度　（X軸30m／min，Z軸33m／min）　
 
　　●符合時(shí)代需求的環(huán)境保護(hù)以及削減運(yùn)行成本　
 
　　采用線性導(dǎo)軌，滾珠絲杠潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，使得廢棄潤(rùn)滑油減少了90％　
 
　　采用了節(jié)能型泵，馬達(dá)的油壓?jiǎn)卧?br />  
　　待機(jī)功率減少了30％通過(guò)控制機(jī)器內(nèi)部照明等　
 
　　●通過(guò)高速，高馬力，高剛性使得生產(chǎn)率得到了飛躍性的提高　
 
　　通過(guò)主軸高速化，軸進(jìn)給高速化，刀塔分度高速化等使得生產(chǎn)率得到大大的提高。相比于原來(lái)的Super　Quick　Turn　200機(jī)型，QTN200提高了14％的生產(chǎn)率。
 
　　●根據(jù)CS調(diào)查，對(duì)準(zhǔn)備性，維修性，操作性等進(jìn)行了徹底的重新推敲。　
 
　　通過(guò)超緊湊型設(shè)計(jì)，大大地減少了占地面積，最大可以節(jié)省20％。　
 
　　對(duì)機(jī)器內(nèi)部照明，采用了明亮的鹵素?zé)簟！?br />  
　　原來(lái)的QT，Super　Quick　Turn等機(jī)型的刀柄可以原封不動(dòng)地進(jìn)行使用鏜刀桿未使用時(shí)的堵蓋追加。對(duì)卡盤壓力也可以在前面操作進(jìn)行控制。　
 
　　容易抽出的切削水箱。　
 
　　●在所有的機(jī)型上都標(biāo)準(zhǔn)配置了MAZATROL對(duì)話型640控制器　
 
　　NEXUS系列專用的對(duì)話型CNC裝置"Mazatrol　FUSION　640　T　NEXUS"　
 
　　支持網(wǎng)絡(luò)　
 
　　還裝備了用于輸入程序的IC卡　 　　
 
　　●凌駕于其他公司產(chǎn)品的基本性能　
 
　　在主軸轉(zhuǎn)矩，主軸貫通孔，最大旋徑，快速進(jìn)給速度，占地面積等基本規(guī)格方面都處于領(lǐng)先地位　 　
 
　　●位于全世界的馬扎克據(jù)點(diǎn)都可以為客戶提供萬(wàn)無(wú)一失的服務(wù)　
 
　　在全球范圍展開(kāi)的售前服務(wù)和售后服務(wù)活動(dòng)服務(wù)，備件的迅速提供。
 
      QTN100-Ⅱ/300U 全功能數(shù)控車床是在市場(chǎng)廣受好評(píng)的QTN第一代全功能數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，改進(jìn)而成的新一代高速、高精度的全功能數(shù)控車床，在MAZAK全球工場(chǎng)同步生產(chǎn)。可廣泛滿足汽車、電子、家電、航空航天、模具、儀器儀表等各行業(yè)對(duì)中小型精密零件的高效率加工需求。
 
      主軸：主軸采用大功率內(nèi)置式電主軸結(jié)構(gòu)，取消了中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)皮帶傳動(dòng)的主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的振動(dòng)和熱變位大大減少，保證良好的加工精度和表面粗糙度。主軸電機(jī)采用雙繞組結(jié)構(gòu)，可以滿足大直徑切削、強(qiáng)力切削、有色金屬切削、高速高精度切削等的切削要求。
 
      刀塔：鼓形刀塔采用伺服電機(jī)分度、牙盤定位、液壓夾緊結(jié)構(gòu)，換刀速度快、定位精度高、定位剛性好。刀塔可以安裝12把刀具。
 
      X/Z驅(qū)動(dòng)：X/Z軸采用精密滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，配合世界知名廠商生的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，具有良好的運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性。 X軸和Z軸的快移速度分別為30m/min和33m/min。
 
      智能尾座：尾座采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確位置定位和推力自適應(yīng)雙重控制。尾座推力可以隨著加工的需要自動(dòng)變化，縮短加工過(guò)程中尾座推力設(shè)定時(shí)間，有效保證零件加工精度和加工效率。
 
      節(jié)能、環(huán)保方面：絲杠、導(dǎo)軌全部采用油脂潤(rùn)滑，使得潤(rùn)滑油的消耗大大減少，冷卻液受污染的程度大大降低，壽命顯著提高。全封閉的防護(hù)罩完全避免了切屑和煙塵的外溢，不會(huì)對(duì)工作環(huán)境造成污染。機(jī)床在待機(jī)狀態(tài)下，壓縮空氣消耗量為零。另外，待機(jī)超過(guò)一定時(shí)間，機(jī)床將自動(dòng)關(guān)閉照明燈、自動(dòng)停止排屑器的運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了無(wú)謂的電力消耗。
 
     系統(tǒng)配置: 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用MAZAK最新開(kāi)發(fā)、世界領(lǐng)先的“MAZATROL MATRIX NEXUS”數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)使用高速64位RISC CPU，提高了數(shù)據(jù)處理能力和可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的控制精度。該系統(tǒng)采用了個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）與CNC融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PC和CNC之間的寬帶雙向通訊，使機(jī)床具備了先進(jìn)的智能化和信息化功能。該系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的切削專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的會(huì)話式編程，機(jī)床的操作大大簡(jiǎn)化，對(duì)操作者要求相對(duì)降低。
 
3模具鋼材加工中所涉及的自動(dòng)控制技術(shù) 
 
      3.1 PLC
 
      它是“一種數(shù)字運(yùn)算中電子系統(tǒng)專業(yè)為工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等特定功能的用戶指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種模型的機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3：

     在控制面板上根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定刀具的初始值，一旦加工開(kāi)始，刀具便會(huì)在程序的控制下沿著X,Y,Z軸分別按設(shè)定的軌跡運(yùn)行，直至結(jié)束，除非有異常情況。

      3.2程序 

      在實(shí)踐過(guò)程中，我們對(duì)加工過(guò)程的軟件環(huán)節(jié)特別感興趣，特別是編程，不過(guò)數(shù)控加工的程序可不是C,C++,JAVA或匯編，它有自己的規(guī)則，不過(guò)我們還想挑戰(zhàn)一下。主控制室控制員給我們出了一個(gè)小程序，對(duì)零件進(jìn)行周邊精銑，且加工程序啟動(dòng)時(shí)刀具在參考點(diǎn)位置，選擇φ20的銑刀，并以零件的中心孔作為定位孔，加工時(shí)的走刀路線有規(guī)定，經(jīng)過(guò)一番苦戰(zhàn)，經(jīng)集體探討，編的如下程序：

0001；                    程序開(kāi)始
N0010  G00G90X120.OY60.OZ50.0;  絕對(duì)值輸入，快速進(jìn)給到（120，60，50）
N0020  X100,OY40,OM135500;       快速進(jìn)給到（100，40），主軸正轉(zhuǎn)
N0030       Z-11.0;                     快速下進(jìn)到z-11
N0040  GO1G41X70.OY10.OH012F100;直線插補(bǔ)到（70，-10），刀左補(bǔ)償
N0050       Y-10.0              直線插補(bǔ)到（70，-10）
N0060  GO2X40.0Y-40.0R30.0;     順時(shí)針插補(bǔ)到（40，40）半徑30mm
N0070     G01X-70.0;            直線插補(bǔ)到（-70，40）
N0080        Y40.0;             直線插補(bǔ)到（-70，40）
N0090        X40.0;             直線插補(bǔ)到（40，40）
N0100  G03X70.0Y10.0R30.0;      逆時(shí)針插補(bǔ)到（70，10），半徑30mm
N0110       G01X85.0;           直線插補(bǔ)到（85,10）
N0120  G00G40X100.0Y40.0;       快速進(jìn)給到（100，40），取消刀具半徑補(bǔ)償
N0130   X120.0Y60.0Z50.0;       快速進(jìn)給到（120，60，50）
N0140        M30;               程序結(jié)束，系統(tǒng)復(fù)位

      3.3電動(dòng)機(jī) 

      數(shù)控機(jī)床用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的交流伺服電動(dòng)機(jī)大多采用三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，在結(jié)構(gòu)上，三相同步電機(jī)的定子有三對(duì)繞組。由電機(jī)學(xué)理論可知，三相同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只能在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)完全同步時(shí)才能發(fā)揮作用。

      歸納數(shù)控機(jī)床用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類，如下圖5所示：

      4結(jié)束語(yǔ) 

      數(shù)控技術(shù)在鋼材磨具制造的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率，精密和高自動(dòng)化水平的數(shù)控系統(tǒng)保證了產(chǎn)品的合格率，本文以眾磊捷成模具鋼材有限公司為例介紹了鋼材磨具制造中所涉及的數(shù)控技術(shù)以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)控技術(shù)的投入提高了該公司的制造效率和產(chǎn)量。
 
      參考文獻(xiàn)：
      1  《模具數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用》  范欽武   Chemical Industrial Press 2004.4
      2  《金屬切削原理及應(yīng)用》  張維記  浙江大學(xué)出版社  1999.12
      3  《數(shù)控銑床》  徐宏海、謝富春  化學(xué)工業(yè)出版社  2003.8
      4  《新編機(jī)床數(shù)控技術(shù)》  包杰、焦振學(xué)  北京理工大學(xué)出版社 2004.9
      5  《自動(dòng)控制原理》  王劃一、楊西俠  國(guó)防工業(yè)出版社 2001.5
      6  《Computer Numerical Control Machine &Turning Centers》Robert Quesog
      7  《數(shù)控磨床故障診斷與維修技巧》  韋剛  機(jī)械工業(yè)出版社  2005.8
      8  《電機(jī)拖動(dòng)》  劉錦波    清華大學(xué)出版社  2006