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浅析数控机床运动精度测试技术
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　　摘 要：当前最主流的数控技术就是开放式数控系统，这种技术最大的特点就是能够实现开放性、可更换性、可移植性以及可伸缩性的数控功能。数控技术最关键的部分就是插补模块，她直接影响着整个数控系统的性能。本文对现在国内外的数控技术进行了梳理，针对于开放式数控系统的插补模块进行了系统的分析与研究，并给出了插补技术的改进措施。 中国论文网 /8/view-4451579.htm　　关键词：数控机床 插补算法 精度测试 　　中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：（2013）06（c）-0074-01 　　数控技术发展至今已经有着50多年的历程，这期间数控技术主要经历了5个重要发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。传统机床安装上数控系统之后，可以大大的提高机床的加工精度以及速度，同时提高机床的加工效率。随着相关技术的不断发展，人们对数控技术有着更高的要求，能够代替机床设计师以及操作者大脑，能够将一些特殊加工工艺以及操作技能集成的智能数控系统将是这项技术未来的发展方向。开放式数控系统大致可以分为两种结构：（1）CNC+PC主板：在传统CNC机器中直接插入一块PC主板，通过这个PC板对系统进行实时控制。对于以坐标轴运动为主要形式的实时控制是通过CNC来实现；（2）PC+运动控制板：在PC机的标准插槽中直接插入一个运动控制板，实现对运行过程的实时控制。这种结构中，PC机主要是辅助作用，进行非实时控制。虽然开放式数控系统早在上世纪90年代初就已经出现，但是随着工业水平的不断发展，越来越多的数控系统使用厂家，更多关注的是系统的运行可靠性。特别是PC系统可能出现的死机情况，是生产厂家所不能够接受的。可靠性只是使用数控系统所需要满足的一方面，之所以要使用数控技术，最为关键的还是高精度、高速度加工。现在CAD/CAM技术也在不断的发展成熟，这对于工业的推动有着相当大的作用，机械加工可以说已经进入了自动化时代。传统复杂零件的加工，高精度、高速度自动化加工技术等现代化工业水平逐渐的成为现实，数控技术使得机床的功能得到了非常大的扩展，极大地促进了制造业的变革。下面将就开放式数控系统中最为关键的部分--插补模块进行简要的介绍与分析。 　　1 插补算法 　　当前在数控系统中应用最为广泛的插补算法主要有以下两种：脉冲增量插补和数字采样插补。 　　（1）脉冲增量插补。 　　该算法最大的特点就是在每一次的插补运算结束时都会得到一个行程增量，而且仅此一个。这个增量会以脉冲的形式输出至步进电机。在实现方法上较其他算法而言简单的多，一般情况下使用加法或者位移这些简单方式就可以进行插补操作。所以不论从硬件实现，还是从运算速度上来说，这种插补算法均有着很大的优势。当前该算法还可以直接通过软件来实现，但是只出现于中等精度（0.01 mm）或中等速度（1～3 m/min）要求的CNC系统。脉冲增量插补算法需要约20余条指令才能够顺利执行，假设CPU的时钟设置为2.5 MHz，那么可以计算得出一个脉冲当量所需的时间为20μs。在脉冲当量为lμm时，极限速度就可以达到1.5 m/min。虽然通过研究可以发现上述规律，但是我们可以通过降低一定程度的精度来实现加工速度的进一步提高。 　　（2）数字增量插补。 　　该算法要求在一定的插补时间范围内，计算出立体坐标轴每一个坐标方向上的增量，也就是ΔX、ΔY以及ΔZ这三个值，而且这里的插补时间要严格控制，必须要在时间范围内计算完毕，并将计算结构发送至伺服系统，通过伺服系统来实现对移动部件运动过程的实时控制，同时移动部件必须要保证在此插补时间范围内运行完整个行程。实质上，数字增量插补算法是通过数值量来控制整个机床的运行过程，所以机床各个坐标上的运行速度是通过插补运算所得到数值量以及插补时间得到的。 　　2 插补技术的改进 　　（1）参数曲线恒速插补算法。 　　通常情况下，参数曲线方程的表达式为： 　　；； 　　从上式中可以直观的看出，在三维坐标轴中，每一个坐标分量均可以看作是变量u的函数。依照现代数控插补思想知道，数控插补技术不仅仅需要对零件的轮廓加工进行科学有效的控制，还需要保证加工效率以及进给速度等工艺信息得到有效的调整控制。想要达到这一目的，最简单最便捷的方法就是对参数进行均匀分割。同时我们还知道，工件的加工信息是否能够进行有效控制是用来评价插补算法是否具有实时性以及其可靠性的重要标准，所以只从有效控制加工工件的轮廓信息来评价算法的优越性显然是不足够的。只有在此前提下，更为细致的分析恒速进问题，才是最终实现恒速插补算法的重中之重。 　　（2）恒速插补算法的改进。 　　恒速插补算法中的恒速实质上是指将刀具的加工速度控制在规定的范围之内，并不是说保证速度一直处于某一个数值。相反，如果加工速度一直处于某一个数值反而会出现一些问题。譬如，当加工工件的参数曲线曲率逐渐变小时，加工效率就会因为加工速度的恒定而大幅度的降低；当参数曲线曲率逐渐变大时，恒定的加工速度会极大的影响工件轮廓的加工误差。所以恒速加工必须要与轮廓误差分析相结合，才能够实现工件加工过程的有效控制。 　　这里提出了基于数据采样的插补改进算法。不同的曲线参数，所对应的参数表达式也不同。我们规定曲线起点为q0（x0，y0），终点为qn（xn，yn）。按照CNC系统采样插补原理可以分析得到，实时插补的任务就是在一定的进给速度下，形成相应的插补直线段，通过这些直线段来逼近获得实际曲线，进而得到三维坐标中每一个坐标轴的进给增量。所以，上述内容可以表示如下： 　　； 　　为进给步长。 　　进而得到CNC系统插补周期无约束进给步长为： 　　T为CNC系统插补周期； 　　F为当前系统的进给速度。 　　当进行高速加工时，曲线的曲率半径一定是不断变化的，假设按照一定的速度进行加工处理，那么就会超过最大允许进给速度。因此，一定要保证进给速度与曲线曲率半径的变化一致，也就是说曲率半径减小时，进给速度要相应的自动下降，进给步长缩短。 　　参考文献 　　[1] 游有鹏，王抿，缪群华.样条曲线脉冲增量插补控制[J].制造技术与机床，2000（3）：40-43. 　　[2] 游有鹏，王珉，朱剑英.参数曲线的自适应插补算法[J].南京航空航天大学学报，2001（6）：66-67. 　　[3] 史先传.基于CAN总线的开放式数控系统硬件设计与实现[D].南京航空航天大学，2001，3. 　　[4] 杨有君.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2005，8.
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精密测量技术在数控机床中的应用
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检测数控机床系统故障的方法
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数控机床在故障检测过程中，应充分利用数控系统的自诊断功能来进行判断，同时还要灵活运用故障检查的一些常用方法。 常规检查法 常规检查法主要是利用人的手、眼、耳、鼻等器官对故障发生时的各种光、声、味等异常现象的观察以及认真察看系统的每一处，遵循“先外后内”的原则，诊断故障采用望、听、嗅、问、模等方法，由外向内逐一检查，往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印刷线路板。这要求维修人员具有丰富的实际经验，要有多学科的较宽的知识和综合判断的能力。比如，数控机床加工过程中突然出现停机。打开数控柜检查发现Y轴电机主电路保险烧坏，经检查是与Y轴有关的部件，最后发现Y轴电机动力线有几处磨破，搭在床身上，造成短路。更换动力线后故障消除，机床恢复正常。 参数检查法 众所周知，数控参数能直接影响数控机床的性能。参数通常是存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM中，一旦电池不足或由于外界的干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，发生混乱，使机床无法正常工作。此时，通过校对、修正参数，就能将故障排除。当机床长期闲置重新工作时无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。 经过长期运行的数控机床，由于其机械传动部件磨损，电气元件性能变化等原因，也需对其有关参数进行调整。有些机床的故障往往就是由于未及时修改某些不适应的参数所致。当然这些故障都是属于软故障的范畴。 备件替换法 备件替换法是一种简单易行的方法，也是现场判断时最常用的方法之一。所谓备件替换法就是在分析故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷线路板、模板，集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷线路板或芯片一级。它实际上也是在验证分析的正确性。但在备用板交换之前，应仔细检查备用板是否完好，并应检查备用板的状态应与原板状态完全一致。这包括检查用板上的选择开关，短路棒的设定位置以及电位器的位置。在置换CNC的存储器板时，往往还需要对系统作存储器的初始化操作（如日本FANUC公司的FS-6系统用的磁泡存储器就需要进行这项工作），重新设定各种数控数据，否则系统仍将不能正常工作。又如更换FANUC公司的FS-7系统的存储器板之后，须重新输入参数，并对存储器区进行分配操作。有的数控系统在更换了主板之后，还需进行一些特定的操作。总之，一定要严格地按照有关系统的操作、维修说明书的要求进行操作。 在确定对某部分要进行替换前，应认真检查与其连接的有关线路和其他相关的电器，确认无故障后才能将新的替换上去，防止外部故障引起替换上去的部件损坏。备件替换时的注意点有： （1）低压电器的替换应注意电压、电流和其它有关的技术参数，并尽量采用相同规格的替换。 （2）电子元件的替换，如果没有相同的，应采用技术参数相近的，而且主要参数最好能胜过原来的被替换件。 （3）拆卸时应对各部分做好记录，特别是接线较多的地方，可防止反馈错误引起的人为故障。 （4）在有反馈环节的线路中，更换时要注意信号的极性，以防止反馈错误引起的其它故障。 （5）在需要从其它设备上拆卸相同的备件替换时，要注意方法，不要在拆卸中造成被拆件损坏。如果替换电路板，在新板换上前要检查一下使用的电压是否正常。 自诊断功能法 现代的数控系统虽然尚未达到智能化很高的程度.但已经具备了较强的自诊断功能。能随时监视数控系统的硬件和软件的工作状况。一旦发现异常，立即在CRT上显示报警信息或用发光二极管指示出故障的大致起因。利用自诊断功能，也能显示出系统与主机之间接口信号的状态，从而判断出故障发生在机械部分还是数控系统部分，并指示出故障的大致部位。这个方法是当前维修工作最有效的一种方法。 敲击法 当数控系统出现的故障表现为若有若无时，往往可用敲击法检查出故障的部位所在。这是由于数控系统是由多块印刷线路板组成，每块板上有许多焊点，板间或模块间又通过插接件及电线相连。因此，任何虚焊或接触不良，都可能引起故障。当用绝缘物轻轻敲打有虚焊及接触不良的疑点处，故障肯定会重复再现。
功能程序测试法 所谓功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺旋切削、固定循环、用户宏程序等用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序测试程序，送入数控系统中，然后启动数控系统使之运行，借以检查机床执行这些功能的淮确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能起因。本方法对于长期闲置的数控机床第一次开机时的检查以及机床加工造成废品但又无报警的情况下，一时难以确定是编程错误或是操作错误，还是机床故障的原因是一个较好的判断方法。 转移法 所谓转移法就是将数控系统中具有相同功能的两块印刷线路板、模板、集成电路芯片或元器件互相交换，观察故障现象是否随之转移。借此，可迅速确定系统的故障部位。这个方法实际上就是备件替换法的一种。因此，有关注意事项同备件替换法所述。 测量比较法 数控系统生产厂在设计印刷线路板时，为了调整、维修的便利，在印刷线路板上设计了多个检测端子。用户也可利用这些端子比较测量正常的印刷线路板和有故障的印刷线路板之间的差异。可以检测这些测量端子的电压和波形，分析故障的起因和故障的所在位置。甚至，有时还可对正常的印刷线路板人为地制造“故障”，如断开连线或短路、拔去组件等，以判断真实故障的起因。为此，维修人员应在平时积累印刷线路板上关键部位或易出故障部位在正常时的正确波形和电压值。因为数控系统生产厂往往不提供有关这方面的资料。
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