数控机床的发展进程

发布时间:2019-12-20  发布者:禹创重工机械
  自20世纪末开始,我国制造业就开始了由制造大国向制造强国迈进的脚步,阀门机床制造业也跟着取得数控机床增长的业绩。机床是制造技术和制造信息集成的重要元素,既是生产力要素,又是重要商品。机床的发展和创新在程度上能映射出加工技术的主要趋势。近年来,我国在数控机床和机床工具行业对外合资合作进一步加强,无论在精度、速度、性能,还是智能化方面都取得了相当的成绩。在贸易中,很多发达把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的主要机电出口产品。因此,对数控机床技术的发展历程进行总结分析,将有助于推进我国数控机床技术实现跨越式发展的目标。
   自上世纪50年代以来,世界数控机床主要经历了数控NC ( Numerical Control)和计算机数控CNC( ComputerNumerical Control ) 2个阶段。数控1V (:阶段主要经历了以下3代:第1代数控系统,始于50年代初年,系统全部采用电子管元件,逻辑运算与控制采用硬件电路完成。第2代数控系统,始于50年代末,以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。第3代数控系统,始于60年代中期,由于小规模集成电路的出现,使其体积变小、功耗降低,性提高,推动了数控系统的进一步发展。计算机数控CNC阶段也经历了3代:第4代数控系统,始于70年代,当采用小型计算机的CNC装置在芝加哥展览会上露面时,标志着CNC技术的问世;第5代数控系统,始于70年代后期,中、大规模集成电路技术取得成就,促使廉、体积更小、集成度、工作的微处理器芯片的产生,并逐步应用于数控系统;第6代数控系统,始于90年代初,受通用微机技术发展的影响,数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础,向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件,其性能是决定数控机床加工性能的重要的技术指标。因此提高进给伺服系统的动态特性与静态特性的品质是人们始终追求的目标。接下来主要介绍一下进给伺服系统和机械传动系统的发展历程。
  进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统,它是一个很典型的机电一体化系统,主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。根据系统使用的电动机的不同,进给伺服系统分为4大类伺服系统:步进伺服系统,直流伺服系统,交流伺服系统,直线伺服系统步进伺服系统。
  在20世纪60年代以前,步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动机或是以功率步进电机直接驱动为特征,伺服系统采用开环控制。步进伺服系统接受脉冲信号,它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节,步进电机的精度取决于步距角的精度,齿轮传动间隙等,所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象,它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制,步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象,停止时转速过高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较长,速度响应较慢。但是由于其结构简单、易于调整、工作、价格较低的特点,三面数控镗孔机床在许多要求不高的场合还是可以应用的。
  60一70年代后,数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大,过载,伺服系统也由开环控制发展为闭环控制,因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是,随着现代工业的发展,其相应设备如数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求,尤其是精度、性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器,在应用过程中面临很多问题,如电刷和换向器易磨损,维护工作量大,成本高;换向器换向时会产生火花,使电机的高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰交流伺服系统针对直流电动机的缺点,人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法,以满足各种应用领域,尤其是、高性能伺服驱动领域的需要。
  但是由于交流电机具有强祸合、非线性的特性,控制非常复杂,所以高性能运用一直受到局限自80年代以来,随着电子电力等各项技术的发展,特别是现代控制理论的发展,在矢量控制算法方面的突破,原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决,交流伺服发展越来越快 直线伺服系统永磁同步直线电机在推力、动态性能、定位精度方面比其他直线电机更具优越性,因而PMLSM越来越多的用于直线伺服系统中。但由于直线伺服系统存在很大的参数摄动和负载扰动,此外还存在“边端效应”等问题,因此,采用传统的比例(P)或比例积分(PI)位置调节器的矢量控制系统很难满足高性能伺服系统的要求。
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