经济型数控系统的性能分析

作者：青岛大学机电工程学院 王文熙 李兰基

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 本文讨论的范围是单片机数控系统，以工业PC为平台，带CRT显示的属于另一类。但文中讨论的内容原则上适合于它们，只不过由于微处理机不同，二者的性能指标也应该有所不同。 1 系统使用的方便性 系统使用的方便性主要反映在系统的编辑部分。编辑部分是人和系统直接打交道的部分，即所谓人机界面。人机界面应当对用户友好，也就是说，编辑部分应当尽量给用户提供方便、快捷和舒适。作为一个好的系统，应该具备以下几点性能。 1) 模态指令 模态指令又称续效指令，是指一条指令不仅在本程序段内部起作用，而且在后续的程序段内仍保持作用，并可省略不写，直到被适当的指令代替或中止。很显然，利用模态特性可以节省程序编制工作量，所以模态是一台数控系统应该具备的基本功能。 2) 多指令共段 多指令共段是指一个程序段内可以包括多种指令字。多指令不能共段，势必增加指令的段数，是不方便的。 3) 输入、检索、修改一体化 国内许多系统在编辑时把输入和检索分成两种不同的操作方法，造成输入过程不能检查程序，检索过程不能自动出程序段号，这是很不方便的。一个好的系统应该实现输入、检索、修改一体化，即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动出程序段号。 4) 汉化按键 目前，国外的数控系统想打入我国市场，都尽量采用汉化的人机界面。我们自己生产的经济型数控系统，更应采用汉化按键，以方便用户。 5) 自动排序字母 用户在输入一段程序时，很难保证按字母顺序输入，而检索时又想按字母顺序查找。为方便用户，数控系统应具有自动排序字母的功能。 6) 快速检索 用户在检索程序时希望能迅速找到所需的程序段。因此，系统在检索时应具有快速翻段、立即找到程序末尾、程序开始以及程序中任一段的功能。 7) 指令功能强 指令功能强可以大大简化用户的编程。例如加工一个五头左旋蜗杆，蜗杆长度100mm，牙深3mm，模数为0.8，每头螺纹切削分15次循环。对于这样一个零件的加工，国内许多系统要求用户编写75个循环程序段，外加多头螺纹分度时错开一个螺距的指令。另外，还必须在指令执行前安排一道X方向走步指令，以确定退尾方向，否则程序出错等等。如此这般，上述零件的加工程序编下来后要好几页纸。有的系统只用如下一条指令即可自动实现75次循环，即 G31 W100 I-3 K5 F0.8 L15 这样显然就方便多了。 8) 指令的多样性 对于圆弧加工，圆心坐标可以用I、K编程，也可以用半径R编程。用半径R编程方便，但它不能描述整圆。用I、K编程虽有点不便，但它能描述整圆。一个好的解决办法就是两种功能都具有。 对于螺纹加工，带有退刀槽的螺纹希望采用直线退尾，以减少退尾长度。在管螺纹、螺栓等的螺纹车削中，退尾长度是次要的，重要的是要求等螺距退尾，以保证螺纹连接时具有良好的密封性。但是，等螺距退尾的退尾长度又过长。一个好的解决办法就是两种功能都具有，才能满足用户要求。 2 技术的先进性 1) 插补速度 插补指走斜线和圆弧。一台系统的圆弧插补速度很能反映该系统的水平。国内经济型数控系统的圆弧插补速度一般小于600mm/min，但有的已达到1200mm/min。 2) 螺纹功能 螺纹功能最能反映一台系统的水平。看一台系统的螺纹功能通常从四个方面：一是自动化程度，二是高速加工能力，三是大导程加工能力，四是有无等螺距退尾功能。 ·自动化程度：螺纹加工软件应该能够自动判别主轴编码器的零位信号是高电平有效还是低电平有效，无需变动硬件；能够自动计算出主轴转速，无须在程序中输入主轴转速S指令，还可避免主轴转速输错导致的失误；能够对多头螺纹进行自动分度，并且是沿圆周方向分度，以避免轴向分度时造成刀具碰到顶尖或工件的轴肩；能够根据螺纹切深的正负号自动判别退尾的方向；能够实现多次切削的自动循环。 ·高速加工能力：螺纹的高速加工能力主要体现在螺纹的进给速度。螺纹进给速度=主轴转速×导程。螺纹进给速度应达到2m/min以上。 ·大导程加工能力：国内许多系统在说明书里对此提供一个公式为 n≤(1200/T)-80 式中 n——主轴转速，r/min T——导程，mm 对于大导程T=12mm，这种系统只能在主轴转速小于20r/min的条件下加工，很难满足用户要求。经济型数控系统可以做到在加工12mm导程的螺纹时，主轴转速提高到125r/min而不丢步。 ·等螺距退尾功能：在管螺纹、螺栓等的螺纹车削中，要求等螺距退尾，以保证螺纹连接时具有良好的密封性。系统不具有等螺距退尾功能则无法保证。 3）速度衔接技术 步进电机运行时需要升降频。因而从一个程序段到另一个程序段之间，步进电机是先降频，停下，然后再升频。当两条轮廓曲线相交时，这个问题不大，但是当两条轮廓曲线相切时，步进电机的这种特性将造成加工刀痕或平台。采用速度衔接技术，可以使系统在加工过程中实现两段程序之间的速度平滑连接，既保证了加工质量，又提高了生产率。 4) 手动定程和倒角 仅仅加工一个圆柱面或倒角，如果有手动定程和倒角功能，则无需编程。 5) 加工过程中的调速和坐标动态显示 这项技术反映了软件的技术水平。有些系统没有处理好这个问题，因而在加工过程中不能调整速度，在速度大于2m/min时不能动态显示，给用户带来不便。 6) 掉电保护运动位置和断点运行 机床在加工过程中如果突然断电，用户总希望系统能够记下当时位置，等来电时再从该处继续运行，这样可以避免工件的报废。掉电保护运动位置和断点运行功能能够解决上述问题。 7) 电动刀架控制器 电动刀架控制器是数控车床故障率较高的一个部分。一般的刀架控制器采用继电器逻辑控制线路来实现电动刀架自动换刀的控制。在这种逻辑控制线路中使用的元器件数量多，特别是使用了近10只带有机械触点的继电器，可靠性很差。有的数控系统采用软件控制换刀，仅使用两只接触器，使电动刀架控制的可靠性大幅度提高。 8) 自动对刀 在数控车床上常配备电动刀架。电动刀架上几把刀具的相对位置在加工前必须知道。如果采用手工试切对刀，费时、费力、费料。采用自动对刀技术，对刀简单、迅速、准确，对4把刀只需几分钟。 9) 闭环控制 闭环控制技术可以自动补偿机械传动部件的变形、间隙以及传动误差，从而保证机床的加工精度。 10) 细分技术 细分控制技术是当前经济型数控系统的一项重要技术。它的优点：一是有效地解决了步进电机的低频振荡问题，使步进电机在低速时运转平稳，不再丢步。二是使数控机床脉冲当量细化，例如十细分使原来的0.01mm的脉冲当量变为0.001mm，从而提高了控制精度。三是细分控制技术还能使步进电机在低速时输出扭矩增大约30%。 11) PLC功能 有些机床不仅需要数控系统以实现精确的定位或轨迹控制，而且希望系统具有可编程逻辑控制器(PLC)的功能，以实现开关量的逻辑控制。当然，用数控系统+PLC控制器可以实现上述要求，但毕竟又费钱又麻烦。如果数控系统本身带有PLC功能，而且PLC部分的编程又采用大家习惯的梯形图编程，那将是用户所欢迎的。 12) VMOS驱动技术 影响系统可靠性的一个重要因素是步进电机驱动电源。采用功率晶体三极管的驱动电源线路复杂，功耗大，特别是由于晶体管的二次击穿问题，导致了大功率晶体管驱动电源的可靠性差。VMOS管没有二次击穿问题，线路简单，功耗小，开关速度高，可靠性大大提高。所以一个好的系统应具有VMOS驱动技术。 3 系统的可靠性 看一台系统的可靠性如何，应注意以下五个方面。 1) 系统设计 作为一个工业控制微机，系统设计应在硬件抗干扰和软件抗干扰方面采取一系列措施，才能保证高的可靠性。 2) 生产条件 系统生产规范，具有严格的元器件筛选、老化、检验、测试能力。整机在出厂前要在45℃的温度下连续运行48h不出问题，如此等等才能保证系统可靠。 3) 驱动技术 采用先进的VMOS驱动技术，要比大功率晶体管驱动可靠得多。 4) 刀架控制器 电动刀架控制器采用软件控制，要比有触点的继电器开关逻辑控制可靠得多。 5) 结构设计 国内的系统通常有两个通风口，一个口进风，一个口出风，风从系统内穿过。这种结构使系统在风冷的同时，也给系统内部带来了灰尘、油烟、切屑之类。这样的系统使用久了，很难不出毛病。一台设计优良的系统应使系统机箱内具有正气压，或者让冷却风从系统体外经过，即采用所谓体外冷却方式。 4 如何选择一台经济型数控系统 1) 系统要可靠 可采用上述的可靠性判别方法来判断或从该生产厂家的老用户处打听使用情况。 2) 系统性能要满足需求 系统插补速度低了，生产率上不去；系统螺纹技术不过关，会造成多头螺纹车削分度时刀具碰到尾顶针或工件轴肩，高速车削时主轴转速上不去，大导程螺纹车不了，没有等螺距退尾功能无法车管螺纹等；如果要加工两线段相切的工件，没有速度衔接技术，既可能形成加工刀痕又降低生产率；如果需要步进电机在低频区(200Hz左右对于0.01mm的脉冲当量，200Hz频率相当于120mm/min的速度)工作又不丢步，细分技术是最佳的选择；没有自动对刀技术，多把刀具车削时十分麻烦；没有闭环技术，精密加工时精度不能保证；没有PLC功能，逻辑控制无法实现等，这些都随用户的需求而定。 3) 销售单位的技术服务能力 数控系统是工业控制微机，它是在比较恶劣的环境下工作的，很难保证不坏。另外，它又是一种技术密集性产品，用户在掌握使用前有一个熟悉的过程。因此技术服务的好坏，对数控系统的正常使用十分重要。 4) 生产单位的技术开发能力 数控系统无论在硬件或软件方面都在不断地发展和完善。没有技术开发能力，将来系统就无法升级换代，无法满足用户的进一步要求。 5) 性能价格比 在考虑上述四个方面以后，再来考虑价格问题才比较全面。这就是所谓的性能价格比问题。单纯地看价格，不看性能，不看可靠性，不看技术服务和技术开发能力，其结果可能是适得其反。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/7/2007)