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关于数控机床的论文(关于数控机床的论文题目)

发布时间:2023-04-26 16:57:14 人气:68 来源:

大家好!今天让小编来大家介绍下关于关于数控机床的论文(关于数控机床的论文题目)的问题,以下是小编对此问题的归纳整理,让我们一起来看看吧。

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国内外数控机床的发展情况分析论文

当今世界,工业发达国家对机床工业高度重视,竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床,以加速工业和国民经济的发展。长期以来,欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争,已形成一条无形战线,特别是随微电子、计算机技术的进步,数控机床在20世纪80年代以后加速发展,各方用户提出更多需求,早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后,正式参与世界市场激烈竞争,今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展,实是紧迫而又艰巨的任务。
数控机床的技术特点及其发展条件
1948年美国空军部门为制造飞机杂零件,提供设备研经费,由G&L公司与MIT合作研究四年,於1952年试制出世界第一台数控铣床,立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶;在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。
数控机床的技术特点
数控机床具有以下三大突出的特点:
利用二进制数学方式输入,加工过程可任意编程,主轴及进给速度可按加工工艺需要变化,且能实现多座标联动,易加工杂曲面。对於加工对象具有“易变、多变、善变”的特点,换批调整方便,可实现杂件多品种中小批柔性生产,适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵,需要正确分析其使用的经济合理性;
利用硬件和软件相组合,能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能,可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度;
是以电子控制为主的机电一体化机床,充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点,易於实现信息化、智能化、网络化,可较易地组成各种先进制造系统,如FMS、FTL、FA,甚至将来的CIMS,能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。
数控机床发展的条件
任何事物都有其特点与发展条件,人们掌握后才能加速其发展。数控机床的发展条件主要包括:
它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合,特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石,必须具有巩固的技术基础,互相配套,缺一不可。如不齐备,则数控机床难以顺利发展;
数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成,还需先进的自动化刀具配合,才能实现加工,各个环节在技术上、质量上必须切实过关,确保工作可靠、稳定,才能保数控机床工作的精度、效率和自动化,否则,难以在生产实际中使用;
它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合,缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到,则难以满足社会需求。人是一切活动的主体,需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人,互相配合,共同完成。否则,数控机床难以顺利发展。
工业发达国家发展数控机床的主要经验
数控机床出现至今的50年,随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上,技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同,各有特点。
美国的特点是,政府重视机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,注重基础科研。因而在机床技术上不断创新,如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求,充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线,而且电子、计算机技术在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实,且一贯重视科研和创新,故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床,也为中小企业生产廉价实用的数控机床(如Haas、Fadal公司等)。其存在的教训是,偏重於基础科研,忽视应用技术,且在上世纪80代政府一度放松了引导,致使数控机床产量增加缓慢,於1982年被后进的日本超过,并大量进口。从90年代起,纠正过去偏向,数控机床技术上转向实用,产量又逐渐上升。
德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”,坚持“以人为本”,师徒相传,不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上,於1956年研制出第一台数控机床后,一直坚持实事求是,讲求科学精神,不断稳步前进。德国特别注重科学试验,理论与实际相结合,基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作,对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究,在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件,在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅,均为世界闻名,竞相采用。
日本政府对机床工业之发展异常重视,通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国,在质量管理及数控机床技术上学习美国,甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似,充分发展大量大批生产自动化,继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自1958年研制出第一台数控机床后,1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台),至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台,出口27,409台,占59%)。战略上先仿后创,先生产量大而广的中档数控机床,大量出口,占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研,向高性能数控机床发展。在策略上,首先通过学习美国全面质量管理(TQC),变为职工自觉群体活动,保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术,进入世界前列,为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中,狠抓关键,突出发展数控系统。日本FANUC公司战略正确,仿创结合,针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统,在技术上领先,在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人,科研人员超过600人,月产能力7,000套,销售额在世界市场上占50%,在国内约占70%,对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。
中国数控机床现状及发展中的主要问题
数控机床的现状
目前,中国机床工业厂多人众。2000年,金切机床制造厂约358家(20.6万人),成形机床制造厂191家(约6.5万人),共计549家(27.1万人)。其中生产数控金切机床的约150家,生产数控成形机床的约30家,共计约180家,占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台,内数控金切机床17,521台,约占9%。
总的来说:数控机床产量不断增长,2001年为1991年的3.6倍;进口量增长较快,达29倍,出口量有所增加,但数目较小,为4.8倍;数控机床消费量增加较快,达7.9倍。产量满足不了社会发展的需求。
从金额上看,2001年数控机床进口17,679台,计14.1亿美元,出口2,509台,计0.44亿美元,进口额为出口额之32倍。进口大、出口小。
中国发展数控机床存在的主要问题
中国於1958年研制出第一台数控机床,发展过程大致可分为两大阶段。在1958~1979年间为第一阶段,从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识,在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下,一哄而上又一哄而下,曾三起三落、终因表现欠佳,无法用於生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大,缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术,从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产,解决了可靠性、稳定性问题,数控机床开始正式生产和使用,并逐步向前发展。
在20余年间,数控机床的设计和制造技术有较大提高,主要表现在三大方面:培训一批设计、制造、使用和维护的人才;通过合作生产先进数控机床,使设计、制造、使用水平大大提高,缩小了与世界先进技术的差距;通过利用国外先进元部件、数控系统配套,开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床,供应国内市场的需求,但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑,不能独立发展,基本上处於从仿制走向自行开发阶段,与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括:缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引;严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人;缺少深入系统的科研工作;元部件和数控系统不配套;企业和专业间缺乏合作,基本上孤军作战,虽然厂多人众,但形成不了合力。
中国加速数控机床产业发展之路
中国今后要加速发展数控机床产业,既要深入总结过往的经验教训,切实改善存在的问题,又要认真学习国外的先进经验,沿正确的道路前进。建议切实做好以下几点:
中国厂多人众,极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验,政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上,应讲究科学精神、经济实效,以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上,深入用户,精通工艺,低中高档并举,学习日本,首先解决量大而广的中档数控机床,批量生产,占领市场,减少进口,扩大出口。在步骤措施上,必须使国产数控系统先进、可靠,狠抓产品质量与配套件过关,打好技术基础。近期重在打基础,建立信誉,扩大国产数控机床的国内市场份额,远期谋求赶超世界先进水平,大步走向世界市场;
必须狠抓根本,坚持“以人为本”,加速提高人员素质、培养各种专家人才,从根本上改变目前低效、落后的状态。人是一切事业成败的根本,层层都要重视“培才、选才、用才”,建立学习型企业,树立企业文化,加速培育新人,培训在职人员,建立师徒相传制度,举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会,甚至聘请外国专家、顾问等,尽力提高数控。300家机械厂技术改进 数控机床需求高
根国家计委投资研究所预测:“十五”期间,我国固定资产总投资额达到22万亿元,年平均增长幅度为37%。按以往固定资产投资与机械市场消费之间的互动关系推断,“十五”期间,我国机械市场所孕育的商机高达320~400亿元。
据预测,至2010年:
汽车市场将达4400~8000万辆规模,其中轿车产量每增加1%,机械市场可增长0.54%;
交通方面,“十五”期间仅西部铁路开发就将投入1000亿元,未来10年西部交通则将投资7000~8000亿元,车轮车床、勾舌铣床、2m大型锯床、螺旋焊管扩径机械等专用设备大有用武之地;
水利工程未来5年将投资5300亿元,环保一期投资1888亿元,二期投资2600亿元,相应机械设备需求巨大;
300家机械厂商将进行技改,求购数控机床数量十分可观;
目前,国内有模具厂1.7万家,年产值约220亿元,预计到2005年产值将达到460亿元,所需的机械偏向于高精度、高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合加工机及慢走丝切割机等。 国产数控机床市场占有率下滑即将有转机。
随着世界科技进步和机床工业的发展,数控机床作为机床工业的主流产品,已成为实现装备制造业现代化的关键设备,是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低,是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。
根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明,航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床;汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线;电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床;IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床;工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级,特别是民营企业的蓬勃发展,需要大量数控机床进行装备。
目前我国数控机床的数量和品种,尚不能完全满足国内市场需求。据中国机床工具工业协会总干事长吴柏林(右图)近日透露,《国家数控机床产业发展专项规划》草案已经制订完成,目前正由国家发改委修改,修改完成后,将报国务院领导审阅批准,然后正式施行。据了解,《规划》施行以后,困扰我国机床工具业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题将得到一定程度的解决,国产数控机床国内市场占有率连年下滑的局面将被扭转。
国家政策扶持数控机床产业化基地建设
按照《规划》,未来5年机床工具行业将营造20个数控机床产业化基地和为之配套的10个基础功能零部件产业基地,基地企业将享受国家政策和资金上的支持。《规划》中明确指出,数控机床产业化基地企业所开发生产的新产品和高档数控机床产品实行增值税返还政策。当问及在东北老工业基地改造中已经实行了消费型增值税的大连和沈阳的企业是否会因此享受双重税收优惠时,吴柏林给予了肯定的回答。东北地区增值税改革以后,全国其他地区,尤其是中西部地区增值税转型的呼声很高。《规划》实施后,东北以外地区的数控机床产业化基地企业很可能率先实行消费型增值税,从而也得到双重税收优惠。
事实上,国家已经对机床工具行业的部分企业给予了增值税返还政策,只是力度太小,新政策有望加大力度。但是吴柏林认为,应该按照企业生产新产品和高档数控机床产品销售额的比例进行返还,并且返还比例在3%~5%。
吴柏林还谈到了进口关税问题。“做功能部件,需要进口一些零件和散件,目前零件和散件的进口关税还是很高,这就增加了企业的生产成本。但是另一方面,整机进口关税却可以大幅度地往下降,甚至可以免税。”他说,“在若干关税政策方面还有待调整。” 另据了解,《规划》还将对进入产业化基地的企业给予国债项目资金的支持。对企业技术开发中心和技术工程研究中心的初期建设,以及首台、首套新产品,也将给予一定的风险补贴。
调整产业结构 加强功能部件开发制造能力
中档数控机床产业化程度低是《规划》要解决的问题之一。“中档数控机床我们能做,但是我们做出来的东西,从质量、交货期,到售后服务,都缺乏市场竞争力。”吴柏林说,“不要说跟欧美比,就连中国台湾我们现在都比不过。他以中档数控机床中典型的普通立式加工中心作例子:2004年内地约消耗了1万台,但是大陆所有企业加起来共生产2000台左右,而只有八九个生产加工中心工厂的台湾竟向大陆销售了3300台。这说明我们的竞争能力差,产业化水平低。”
在发展专业化生产方面,吴柏林认为,提高产业化水平,从政府导向来说,还是要大力提倡专业化生产。“搞机床,尤其是普及型或经济型机床,大而全、小而全的生产方法是不行的。” 他还特别提到我国机床产业结构中的一个问题,就是主机厂多,关键功能部件专业生产厂少且弱。以数控系统来说,我们的数控系统80%以上是进口的。不仅价格高,进口周期也不能满足主机厂的要求。而且,使用进口的东西组装起来的机床,可靠性和质量也会受到影响。
吴柏林因此认为,提高产业化水平,首先要调整产业结构,加强功能部件的开发和制造能力。其次,企业的技术改造也要加强,而这方面过去企业欠账太多。“制造高精度的机床,用低精度的普通机床去做,难度是很大的。”
提升高档数控机床开发能力
如果说中档数控机床我们还能做,只是产业化水平低的话,那么在高档数控机床方面,开发能力不足的问题就显得尤为突出。《规划》明确了以企业为主体提高开发能力的方针。吴柏林提到有希望进入国家数控机床产业化基地的企业,像大连、沈阳、北京、上海、济南、秦川、齐齐哈尔的几家企业,都具备一定的水平,而且这几年发展势头很好。“如果国家再扶持一下,它们可能很快就能上来。”
但是,提高开发能力并不是一件容易的事情。就拿数控系统来说,现在西方大的公司对我们采取封锁加倾销的市场战略。首先是封锁,封锁不成就倾销。其数控系统在中国市场以十分昂贵的价格出售,获取了高额利润。一但中国企业开发出同样产品,他们就立即大幅降价,甚至降到中国企业的成本价以下。在这种情况下,国家就更要给国内企业以扶持,就像当初美、德、日等扶持本国企业那样。
另一方面,吴柏林提醒企业也要从主观上重视开发的投入。“前几年国内机床企业多数处于亏损状态,无力进行科研和技术开发,现在过上了红红火火的好日子。但是你不能只顾生产那些万元一台的小机床。那样的话,几百万美元、几百万欧元一台的机床你永远都开发不出来。”
专家指出,机床企业如欲进入产业化基地,其技术开发投入不得低于产品销售收入的5%。如果达到了这个指标,将可每年享受国家给予的一定程度的补贴。按照《规划》的目标,到“十一五”末期,国产数控机床以销售额计的国内市场占有率将提高到50%以上,同时,国产全部机床产品的国内市场占有率也将提高到60%以上。

参考资料:http://zhidao.baidu.com/question/43956504.html?an=3&si=1

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数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析
摘要:高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动,其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法,并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置,并用Simulink进行了系统仿真,为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。
关键词:旋转进给;直接驱动;永磁同步电机;
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control machine.Key words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0
前言
高性能数控机床的旋转进给伺服系统,特别是直接驱动伺服系统(即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节,把传动链的长度缩短为零。)广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单,运行可靠,通过在结构上采取措施,如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等,可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2,重量轻60%,转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到,传统驱动系统由于传动环节的存在,控制环节的受力较小,系统对扰动的敏感度相对较低,而直接驱动伺服系统,负载与控制环节之间几乎是直接相联,没有传动链的缓冲,因此控制环节受力较大,对扰动比较敏感,这可能会对系统的动态性能造成影响;同时,摆头与转台的特点是要承受低速大负载,因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此,对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言,其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制,其建立控制模型的基础是经典控制理论,即对系统使用传递函数加以描述,将某个单变量(如转速等)作为输出,直接和输入(如电压等)联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量,而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的,因而不能包含系统的所有信息,不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统,其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的,它能反映系统全部独立变量的变化,确定系统全部内部运动状态,方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系,尤其适合应用于非线性、多输入-多输出系统。[5]综上所述,旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统,因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型,并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析,为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形,其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流损耗,转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到,转子坐标系(d-q轴系)中永磁同步电动机定子磁链方程为:
(1)其中:——转子磁钢在定子上的耦合磁链;Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感;、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为: (2)其中, 、——定子电压矢量us的d、q轴分量;w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为: (3)电动机转矩系数Kt 为:Kt = pmyr此外,电动机系统还要满足基本运动方程:( 4)其中,n ——电动机转速;wr ——转子机械角速度,w=pmwr ;Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制,一般要求id=0,但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中,只是要求id的取值等于0,但id的实际值并不一定总是等于0(特别是在动态过程中)。同时,ud的实际数值也不会等于0。因此,必须将ia也作为状态变量,将md 也作为控制变量,由控制器根据所有状态变量(包括id)的取值进行控制。因此取状态变量 ,q 为转子位置角。将(1)式带入(2)式的第2 式,由(3)式和(4)式可得,则永磁同步电机的状态方程为( ) :(5)由此可见,该系统是一个非线性时变系统,且在系数矩阵中含有wr,id,iq状态变量的交叉相乘项,因此需要进行系统解耦,令因此采取id=0的矢量控制方法,uq'=uq,TL'=TL,系统可化为线性系统。取ud,uq 为控制量,负载转矩TL 作为扰动处理,因此单独提出,则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式,则原系统化为:(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下:则系统状态空间方程为:2.1 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型,系统的传递矩阵为:2.2 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得,系统的能控矩阵秩为4,满秩,则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4,满秩,则系统状态是完全可观测的。2.3 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统,其系统稳定的充分必要条件是:系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'=1.0e+002 *[0 -1.2069 - 0.8066i -1.2069 +0.8066i -2.1212]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零,因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4,满秩,因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。2.4 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是:首先求一状态反馈,使得其闭环系统对某一输入(例如第一个输入)是能控的,再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为:1.0e+002 *[-0.1 -1.2069 -0.8066i -1.2069 + 0.8066i -2.1212](1)构造Q、S 矩阵。,由系统可得,n=4,m=2,u1+u2=4,a 为Q-1 的最后一行向量。(2)先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为,所期望的特征多项式为,则增益阵为:(3)求化为能控标准型的变换矩阵T,即则增益阵返回原坐标系为(4)使原系统(A,B)实现极点配置的状态反馈为:2.5 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应:图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应(虚线为输入位置信号,实线为输出位置信号):图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应(虚线为输入位置信号,实线为输出位置信号)图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见,通过极点配置使系统稳定,且对各种输入信号的响应有很大改善,具有很好的跟踪性能,这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统,可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来,并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系,保存系统内部特性的信息,因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型,运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算,分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性,通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定,使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。
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PLC 在机床数控改造中的典型应用
邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)
摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造
中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202
Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0
前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。
1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。
2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5~6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M]

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