新技术介绍(共52页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上新技术介绍2.1 磁悬浮技术2.1.1 引言随着科学技术的不断发展，尤其是电子和信息技术的发展，促使与之密切相关的机械制造技术不断发展。在超高速精密加工、航空航天、能源交通等领域中，人们为了提高生产效率和机械的工作可靠性，不断地提高加工机械的速度、效率、自动化和柔性化水平。而传统的机械轴承渐渐的达不到人们的要求，于是磁悬浮轴承就应运而生了。磁悬浮轴承是一种全新的支承元件。它借助于永久磁铁或电磁铁的磁力将转子悬浮，并在控制器的控制之下克服外载荷的作用，使转子围绕其惯性中心旋转。因其无机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、

2、无油污染等优点，从根本上克服了传统支承形式的缺点，从而成为高速、高精度领域最有发展前景的理想支承形式。磁悬浮轴承技术是国际上20世纪60年代中期开始的一项新的支承技术。人类对磁悬浮轴承的研究成功，标志着传统支承技术革命时期的到来。近年来，磁悬浮轴承作为一个全新的有机整体，构成机械的全新的机械零件，已经走进了国民经济的各个领域，极大地提高了其应用领域的发展水平。2.1.2 磁悬浮轴承的工作原理磁悬浮轴承按照磁力提供的方式，可分为有源磁悬浮轴承(由电磁铁提供磁力，也称为主动磁悬浮)、无源磁悬浮轴承(由永久磁铁提供磁力，也称为被动磁悬浮轴承)、混合磁悬浮轴承(由永久磁铁和电磁铁提供磁力)。一般一个简

3、单的主动磁悬浮轴承系统由转子、位置传感器、控制器、电磁铁和功率放大器这几部分组成。图1所示为主动磁悬浮轴承的工作原理：通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号送入控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，从而产生电磁力的变化，使转子悬浮于规定的位置。主动磁悬浮轴承按支承方式的不同又分为径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承。而被动磁悬浮轴承没有主动电子控制系统，它是利用磁场本身的特性将转子悬浮起来。所以，被动磁悬浮轴承可以在无控制环节的情况下达到稳定，但是它不能产生阻尼，因此，这个系统的稳定域是比较小的，外界较小的干扰也会使它趋于不稳定。混合磁悬浮轴承是在主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和其他一些辅

4、助支承和稳定机构基础上形成的一种组合式磁悬浮轴承。2.1.3 研究现状磁悬浮轴承是磁悬浮技术的重要应用。20世纪初，Earnshanws 发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮，此后，Braunbeck进行了严格的理论证明。在1937年，德国的Kenper申请了第一个磁悬浮技术专利，他认为要使得铁磁体实现稳定的磁悬浮，必须根据物体的悬浮状态不断地调节磁场力的大小，即采用可控的电磁铁就可以实现。这一思想成为以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。据有关资料记载：1969年，法国军部科研试验室(LRBN)开始对磁悬浮轴承进行研究；1972年，将第一个磁悬浮轴承应用于卫星导向器飞轮支承上，从而揭开

5、了磁悬浮轴承发展的序幕。此后，磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等重要的领域。1976年，法国SEP公司和瑞典SKF轴承公司联合成立了S2M公司，专门开发工业用的磁悬浮轴承。1984年，S2M公司又与日本精工电子工业公司联合，成立了日本电磁轴承公司，在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。经过30多年的发展，磁悬浮轴承在国外的应用场合进一步扩大，从应用角度看，磁悬浮轴承在高速旋转和相关高精度的应用场合具有极大的优势。但是，现在研究单位和生产磁悬浮轴承的公司大部分都是单独设计和生产，给设计、制造磁悬浮机器，如磁悬浮机床，带来了极大的不便，同时也没有针对某行业的磁悬浮轴承标准。为了方便设计、制造

6、和推广应用磁悬浮轴承，必须对磁悬浮轴承系列化和标准化。有一些公司已实现了上述要求，如1996年，芬兰的RanmaRepola公司和两所大学共同研制开发的磁悬浮轴承产品已系列化。现在的世界最大磁悬浮轴承公司法国S2M公司，在生产用于机床的磁悬浮轴承主轴方面，已实现系列化、标准化。磁悬浮轴承作为一种机械零件，其标准化和系列化，将极大地推动磁悬浮轴承的应用。磁悬浮轴承的发展与研究越来越受到国内外工程界和学术界的广泛关注。自1988年起，国际上每两年举行一届磁悬浮轴承会议，交流和研究该领域的最新研究成果。美国也是从1991年后，每两年召开一次磁悬浮技术会议。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支

7、持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，将会极大地促进磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。我国对磁悬浮轴承的研究始于20世纪50年代末，后因各种原因进展不快，没有引起科研单位的足够重视。1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行研究。此后，西安交通大学、清华大学、南京航空航天大学、上海大学等院校先后开展了电磁轴承系统的研究。西安交通大学轴承研究所于1990年在国内首次实现了4自由度磁悬浮轴承的稳定悬浮，最高转速为3000r/min。清华大学电磁轴承研究室为无锡磨床厂研制了磨床主轴用磁悬浮轴承，并正在开展10MW 高温气冷堆用氦气透平磁悬浮

8、轴承的研究工作，计划在2005年采用磁悬浮轴承的氦气直接循环的透平发电装置投入运行。南京航空航天大学于1992年开始对航空发动机用磁悬浮轴承系统进行跟踪研究，研究工作获得了江苏省和航空科学基金的资助，目前已建成3个磁悬浮轴承实验台，转速达到60000r/min。与国外的磁悬浮轴承相比，我国在研究水平和应用水平上还存在着一定差距。磁悬浮轴承能否产业化，其发展速度和水平关系着民族工业的前途，其市场潜力也是非常巨大的。我国应加大磁悬浮轴承这种机械零件的研发力度，使我国的产品在国际市场上占据一席之地。2.1.4 磁悬浮轴承的应用作为近几年崛起的机械零件中的科技新星，磁悬浮轴承是机电一体化产品，是控制理

9、论、电子电力、电磁学、转子动力学及计算机科学等学科交叉的结晶。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展，它的应用也越来越广泛。到目前为止，它主要应用在三方面：(1) 用作支承元件 即通常意义下的磁悬浮轴承。磁悬浮轴承与传统的支承元件相比，优点是：支承主轴转速高、回转精度高，消除了转子与轴承之间的摩擦且不需用润滑和密封，可进一步简化结构，可靠性和可维护性大大提高。如应用在高速磨床、铣床、高速电机、航空发动机、航天器姿态控制装置等机器中。(2) 用作减振器 称为电磁减振器或电磁阻尼器，对具有不平衡质量的柔性转子系统振动的控制

10、。现代旋转机器一般都设计成超临界的柔性轴。柔性轴运转时，在各种干扰力的作用下，如突加不平衡、支撑扰动、外部载荷和不稳定的自激运动产生的振动，都有可能引起系统失稳以至于损坏机器，又可能发生重大的事故。因此，在要求机械高速和高加工精度的今天，旋转机械柔性轴的不平衡控制显得特别重要。磁悬浮轴承区别于普通轴承的显著特点之一，就在于它的高速度和提供了一个可控的电磁力。磁悬浮轴承除了满足基本的支承作用外，既能作为转子运转的检测传感器，又能作为对转子实施控制的执行器。如将其应用在涡轮机、透平机械和离心机等机器上，控制转子的不平衡，将会极大的提高转子的运转精度和工作可靠性。图2为一种磁悬浮轴承控制转子不平衡的

11、模型。在上面的模型中，磁悬浮轴承安装在转子的中间，控制转子的不平衡响应，两边用保护轴承作为对转子的支承和保护。(3) 用作动力吸振器 我们称之为电磁悬浮动力吸振器，也能很好的解决转子振动控制中的问题，如图3所示。在这种控制转子不平衡振动的系统中，磁悬浮轴承不必安装在转子的两边，因此可以兼顾转子的静、动态特性要求，也不随转子旋转，激励控制方便且不会因动力吸振器运动而派生出更大的离心力问题；因不随转子旋转，不会增加转子的转动惯量。该系统的作用是：在指定的多个频率位置，将转子的不平衡响应减为零，而在其余较宽的频率范围内，尽量抑制不平衡响应的水平，使之处于非共振量级。现在，电磁悬浮动力吸振器经过仿真说

12、明了它对转子振动控制的有效性，它的设计和试验正在进行中。从理论研究的角度来讲，电磁悬浮动力吸振器的设计构思将开辟转子动力学领域一个新的研究方向。采用电磁悬浮动力吸振器的转子主动控制的研究，在国内外尚属空白。国外仅有Yoshiaki IWATA等人曾进行过空气弹簧动力吸振主动控制的研究，而所针对的是轴承处的动力吸振器。从工程应用的角度来讲，该设计构思提出了全新的转子振动主动动力吸振措施，是对自动动平衡、各种主动控制轴承等转子减振措施的重要补充，为设计者提供了新的选择方案，有时也许是最优选择方案。2.1.5 磁悬浮轴承现存的问题在电磁悬浮动力吸振器的研究过程中，我们还有许多问题需要解决：(1) 控

13、制器的选择 随着控制理论的发展以及对磁悬浮系统性能要求的不断提高，磁悬浮系统控制器需要实现的控制算法的复杂程度日渐加大。(2) 在系统建模时，怎样减少涡流和磁滞后现象对电流刚度、位移刚度和功率损耗等的影响。(3) 将电磁悬浮动力吸振器应用于工业生产中，并将其商品化、系列化将是我们最终的目标。2.1.6 磁悬浮轴承的发展趋势虽然对磁悬浮轴承的研究还存在很多问题，但对其理论分析已经形成了较完整的体系。从总体上来看，国内外磁悬浮轴承的研究具有以下几个发展趋势：(1) 理论分析方面：理论问题的研究将更具有针对性，并在重视控制系统研究的同时，着重研究系统的转子动力学分析，从而更有效地改进控制方法；采用模

14、糊控制，神经网络控制等智能控制方法，实现对复杂转子动力学特性的控制。(2) 应用方面：成本过高在一定程度上限制了磁悬浮轴承的推广应用，因而实用性的研究将加强，它的产品化和标准化的步伐也将加快，新产品将越来越多地使用数字控制，应用范围也将逐渐从军工转向民用。(3) 自检测磁悬浮轴承的研究。这种轴承在工业上具有很大的应用前景。(4) 各种先进控制器和功率放大器的研究。磁悬浮轴承的动态性能，在很大程度上取决于控制器和功率放大器的性能，这个领域将是今后研究的热点之一。(5) 超导磁悬浮轴承的研究。这种轴承的体积很小，却有很大的承载能力，这方面的研究进展在很大程度上依赖于高温超导材料的进展。专心-专注-

15、专业2.2 五轴联动技术五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床

16、制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，

17、有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。五轴联动加工中心加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象

18、汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。（本期介绍立式五轴加工中心）立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、

19、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零

20、，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。结构图：五轴联动机床一般由3个平动轴加上两个回转轴组成。根据旋转轴具体结构的不同可分为3种形式：刀具双摆动、工作台双旋转和刀具摆动加工作台旋转。现定义旋转轴法向矢量不变的轴为定向轴，旋转轴法向矢量变化的轴为变向轴。由于刀具双摆动的五轴机床具有工作台、动轴

21、的特点，能够加工大型复杂曲面的零件，而且容易实现优良的高速性能。 刀具回转/摆动型五坐标机床 工作台回转/摆动型数控机床 刀具与工作台回转/摆动型机床2.3 控制系统动态跟踪补偿机械精度误差技术数控机床的数字化全闭环控制高精度位置控制是开发高精度数控机床的关键技术。近年来，我们针对发展国产高精度数控机床的需求，对数字化全闭环高精度位置控制技术进行了研究，以此为基础开发出新型数字化全闭环位置控制系统，并在多种国产数控机床上进行了应用，在复杂精密零件加工方面取得了良好效果。下面对这种新型系统的基本组成、动态结构、控制器设计、应用情况等作一介绍。1 常规数字式位置控制系统存在的问题目前，数字式交流伺

22、服系统在数控机床中正得到越来越广泛的应用。由其构成的位置控制系统的基本组成如图1所示。图中，数字式伺服驱动模块与伺服电机等共同组成一高精度角度闭环随动系统，其输入为数控系统给出的指令脉冲，输出为电机转角。在以光码盘等为反馈环节所实现的闭环控制下，电机轴的转角将严格随指令值变化。通过齿轮副和丝杠螺母副传动，电机的角位移被转换为所需的工作台直线位移。图1 常规数字式位置控制系统的基本组成由图1可见，显然以转角为输出的数字式伺服系统本身是一闭环系统，但从以机床工作台位移为最终被控量的角度看，由其构成的位置控制系统却是一开环系统(或称未闭环系统)。因此，其位置控制精度不但与控制系统的性能有关，而且还在

23、很大程度上取决于机床的机械结构。这样，系统中信息传递环节的误差、机械传动环节的误差以及各种非线性因素的影响，都会使工作台位移偏离指令值，而开环系统又无法对其进行有效校正，因而使得常规数控机床即使使用了高性能的数字式伺服系统也难以达到高的加工精度。2 数字式全闭环位置控制系统的组成为解决上述问题，本文提出一种数字化全闭环位置控制方法，其基本思想是：在对机床运动部件进行数字式驱动的基础上，引入直接检测运动部件最终位移的数字式测量环节，以充分获取和利用系统信息，从反馈控制的角度对机床各坐标的运动进行数字化控制，由此构成包含各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统。这样，该系统不但可使运动部件的定位精

24、度由检测环节的测量精度决定，而且可对各种干扰和非线性因素对运动部件位移产生的影响进行有效的动态校正，使任何时刻运动部件的实际位移总是严格跟随指令值变化，从而保证机床各坐标的运动具有很高的动、稳态精度。根据上述思路构成的数字化全闭环位置控制系统的基本组成如图2所示。该系统采用光栅作为线位移检测装置直接获取机床工作台的位移信息，此信息经过前置处理后得到相位差90的两路位移脉冲信号，其频率与工作台位移速度成正比，其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。位移脉冲被送入可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。系统中位置控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈之差，按预先设计的数

25、字化控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移严格跟随指令值变化。3 系统的动态结构与控制器设计图3 数字化全闭环位置控制系统的动态结构图图2系统的动态结构如图3所示，包括数字位置控制器、广义对象和反馈通道3部分。广义对象由零阶保持器、脉冲发生器、数字式交流伺服系统、机械运动部件等组成。其中，零阶保持器起着联接离散环节(数字控制器)与连续环节的桥梁作用。脉冲发生器的任务是根据位置控制器给出的控制信号产生控制交流伺服系统运动指令脉冲，因此该环节为一比例环节。交流伺服系统是系统中的数字式驱动装置，从宏观上看，伺服电机的转角与指令脉冲频F之间成积分关系，但从微观上应进一步考虑与F间的惯性特性。机械

26、运动部件的作用是将电机转角转换为工作台直线位移，如果将传动误差和非线性因素的影响作为对系统的动态扰动来处理，也可将该环节看作为一比例环节。5 结论针对发展国产高精度数控机床的需求，对新型数字化全闭环位置控制系统进行了研究，主要结果如下：(1) 对机床运动部件进行数字化驱动，不仅可有效消除温漂、零漂等的影响，而且可使被控对象具有较理想的动态结构。使由此构成的数字化全闭环系统的动态性能有了基本保证。(2) 对运动部件的最终位移进行数字化检测，可实时获取运动部件精确位置信息，为通过全闭环控制有效抑制机械传动误差和非线性因素对机床坐标运动精度的影响奠定了基础。(3) 利用计算机构成数字位置控制器，可用

27、软件实现带逻辑切换的复杂控制规律，使全闭环位置控制系统具有优良的动、稳态性能，从而有效提高了数控机床的轮廓加工精度。(4) 实践证明，由数字化全闭环位置控制系统控制的数控机床在复杂精密零件加工方面具有良好效果。基于运动控制器的全闭环控制系统1 引 言运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制要求。运动控制系统的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正

28、是这些技术的进步使运动控制技术在近20 年内发生了前所未有的变化。运动控制技术的快速发展同时促进了机电一体化技术的迅速发展，进而促使机械工业开始了一场技术革命。近年来国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。运动控制系统的发展也经历了从直流到交流，从开环到闭环，从模拟到数字，直到基于PC 的伺服控制网络( PC2Based SSCNET) 系统和基于网络的运动控制的发展过程。本文将现代运动控制系统中具有代表性的技术：交流伺服驱动技术和运动控制器技术相结合，研究一种高速度、高精度、集控制与管理于一体的柔性、开放性运动控制系统。2 交流伺服系统构成的全闭环控制在一些定位精度或动态响应比较高的

29、机电一体化产品中，交流伺服控制系统得到了广泛的应用，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分方便，因而倍受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，可以对电动机轴后端的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP 的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益，因而位置控制分辨率较高，可靠性较好。通常这种带位置环的伺服系统，位置环的反馈采样取自伺服电机的编码器，即伺服电机上的编码器既作速度环，也作位置环，对于传动

30、链上的间隙及误差还不能补偿克服，只能形成半闭环的位置控制系统。为了克服半闭环系统的缺陷，获得更高的控制精度，可以在最终的运动部分上安装高精度的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺等) ，而电机上的编码器此时仅作为速度环的反馈，构成全闭环控制系统。此时，伺服驱动器接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制则由上位控制器来完成，这样就可以消除机械上存在的一切间隙，并且还可以对机械传动上出现的误差进行补偿，达到真正全闭环的目的，实现高精度的位置控制。该系统采用安川SGDM 系列的伺服驱动装置，他具有快速傅里叶变换(FFT)的功能，可以测算出设备的机械共振点，并通过陷波方式消除机械共振。3 上位控制技术运

31、动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运动控制PLC、专用控制系统和“PC + 运动控制器”。采用单片机系统来实现运动控制，速度较慢，精度不高，开发难度较大、周期长，成本相对较低。这种方案一般适用于产品批量较大、控制系统功能较简单、有单片机系统开发经验的用户。许多品牌的PLC都可选配定位控制模块，有些PLC的CPU 单元本身就具有运动控制功能(如松下FP0)。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备，如送料器、自动焊机等。专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业，比如西门子的车床数控系统、铣床数控系统等。“PC+运动控制器”的方案随着PC(Personal Compute

32、r)的普及越来越多，将是运动控制系统一个主要的发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源，用于运动过程、机械轨迹都比较复杂，而且柔性比较强的机器设备。本文介绍的全闭环控制系统的上位控制方式，采用“PC+运动控制器”方案。运动控制器与PC 机构成主从式控制结构，以DSP 和FPGA 芯片作为运动控制器的核心处理器，以PC 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC 机，即“PC + 运动控制器”的模式。PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作(例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等)；运动控制器完成运动控制的所有细节(包括脉

33、冲和方向信号的输出、模拟输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等) 。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。运动控制器结构组成如图1所示。图1 运动控制器结构框图该系统中的运动控制器采用深圳固高公司的GT2002SV2PCI运动卡，他是以ADSP2181 数字信号处理器为核心，结合FPGA现场逻辑可编程器件的灵活性完成运动控制的硬件架构。运动控制过程中，由DSP 实现运动规划、多轴插补、伺服控制滤波等数据运算和实时控制管理，可以实现高性能的控制计算。FPGA 逻辑可编程

34、器件和其他相关器件组成伺服控制和位置反馈硬件接口，实现译码、倍频、脉冲分配、定时、计数等功能。该运动控制器以IBM2PC及其兼容机为主机，采用标准的PCI总线，提供C语言函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。用户可以将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，开发符合特定应用要求的控制软件。4 基于运动控制器的全闭环控制系统基于运动控制器的全闭环控制系统，如图2所示。图2 基于运动控制器的全闭环控制系统该系统采用光栅尺作为直线位移检测装置，直接获取工作台的位移信息，此信息经过前置处理后得到相位差为90的两路位移脉冲信号，其频率与工作台

35、位移速度成正比，其数量为工作台实际位移量除以脉冲当量。运动卡接收到PC 机的指令后，向交流伺服驱动器发出控制脉冲信号，经驱动器放大后驱动电机，使电机按照相应的频率和角位移运行。光电编码器返回的脉冲信号进入交流伺服驱动器构成速度环，光栅尺反馈的两路位移脉冲信号进入运动控制器构成位置环。位移脉冲被送入运动控制器中的可逆计数器进行计数，该计数器中的计数值即表示了工作台的当前实际位置。运动控制器的作用是，根据位置给定值与位置反馈值之差，按预先设计的控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移严格跟随指令值的变化。5 控制系统软件的开发GT2002SV随卡提供了Windows 98/ 2000下的设备驱

36、动程序，同时提供DOS 下的运动函数库和Windows下的运动函数动态链接库，用户通过主机程序调用相应的函数，也就是发出运动控制命令，运动控制器将根据主机的要求，自动完成轨迹规划、安全检测、伺服刷新等复杂运算，计算结果转换成相应的模拟电压控制伺服电机运动。用户可以使用VC，VB，Delphi三种高级语言来开发。软件程序框图如图3所示。图3 程序框图运动参数设定包括轴号、初速度、最高速度、加速度和移动距离等；运动控制程序包括急停、缓停、清零、常速和快速等；控制效果显示包括位置和速度显示等。程序略。6 结 语以DSP和FPGA芯片为核心处理器的运动控制器，其运动控制功能由硬件电路实现，集成度高，可

37、靠性好；他只需从PC 机接收控制命令，就可以完成与运动有关的控制，使用非常方便，大大地缩短研制和开发周期，还能实现更完善的全闭环控制系统，能够满足对伺服电机的控制要求。在运动控制领域中，PID调节器以其结构简单，可靠性高等优点得到了广泛的应用。但对于运动控制精度要求高的场合，常规PID 调节就难以得到满意的控制效果。PID控制可与其他控制算法结合，形成许多有价值的控制策略，固高公司的运动控制器采用多种改进型的PID控制算法，更准确地保证了系统的控制精度。2.4 激光切割技术前言激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的70以上

38、。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以l5-20的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25以上的速度增

39、长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。因此。在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控制系统是整个系统的控制中枢，负责协调整个系统的正常工作，主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴，它的研制使生产系统具有友好的人机界面，方便而易学的编程方式，以及精确的切割轨迹控制功能，适合于工业现场的使用，极大地提高了生产率。激光切割是当前世界上先进的切割工艺。它的最大优点是由于激光光斑小，能是集中，所以切割的割缝小

40、、无挂渣、几乎没有热变形，切割面光洁度高。激光切割关键在激光源。切割厚度大小、切割质量优劣、切割稳定性如何等都取决于激光源的性能。通用的CO2工业激光源是用电场或高频振荡迫使密封在容器内的混合气体处于激发状态，并产生受激辐射的单色光，此种光辐射在反射镜及反射透射镜之间往复反射，等积聚到足够能量后由输出透镜射出。这种激光源电极距离工件远且电极装在激光束之中。电极易烧损，载流气体消耗大，激光波长有干扰。工作电压高（约1025kV）形成操作上的不安全。激光源体积较大、维修比较复杂。易损件的消耗大。目前比较先进的是用高频谐振方式激发混合气体的激光源，这种激光源电极距离工件近且电极装在激光束之外。与通用

41、的CO2工业激光源相比电极几乎没有烧损。载流气体消耗少。激光波长不受干扰。工作电压低（约l1.2kV），操作十分安全。激光器体积小，维修简单。激光切割由于速度快、精度高，必须由微机控制的高速切割机来配合。激光切割机发展现状及特点自从第1台红宝石激光器于1960年问世以来，激光技术已被广泛应用到各行各业，如日常生活中的激光打印、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上，激光被用于切割、焊接、标记与热处理等加工领域。中国的工业激光起步并不比西方国家晚，但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机研究远远落后于发达国家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥

42、激光设备厂(上海嘉定)，每年可生产30台2-5kW的横流式CO2激光器，供焊接与表面热处理使用，也可少量生产1.01.5kW轴流式CO2激光器供切割用，南京东方激光公司引进德国技术，每年可生产10台1.5、2.0kW封闭式轴流式CO2激光器。此外，长春光机所和上海光机所也生产少量工业激光器。我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院近年也相继推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大利普瑞玛公司数控激光切割机制造技术合资生产。推出了自己的激光器。目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台。而且分布在全国近200家的激光加工部门中，其中90为CO2激光器

43、。国产数控激光切割机的主要持点是，价格较低，约是进口价格的13；激光器功率较低，一般为1.5kW 以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差，但具有价格方面的优势，因此，继续深入开发和发展国产化的较高质量的数控激光切割机。以较低的价格推向市场是一项很重要的工作。发展趋势激光切割是激光加工行业中最量要的一项应用技术，由于具有诸多特点，已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以2030的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差，激光加工

44、技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会得到解决。激光切割技术必将成为21世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断探入的研究，推动着激光切割技术不断地向前发展。(1) 伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统，使用高功率的激光切割可获得高的加工速度，同时减小热影响区和热畸变；所能够切割的材料板厚也格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。(2) 根据激光切割工艺

45、参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。(3) 激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。(4) 根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。(5) 向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各

46、道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。(6) 随若Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问和控别激光切割过程成了不可避免的趋势。（7）三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。图1 搭载型激光切割机LMX VIIBlackman and White Ltd公司模块式真空工

47、作台Material Handling systemMaximum Industries, Inc.steel, stainless, ABS, acrylic, teflon, and most all engineered plastics2.5 等离子切割技术数控等离子切割技术是集数控技术，计算机软、硬件技术，等离子切割技术，精密机械技术于一体的高新技术。发展数控等离子切割机可以彻底改变国内热切割行业的装备水平，扭转热切割工业目前存在的效率低，质量差，劳动强度大，材料利用率低，环境脏乱差的局面，缩小与国外先进国家的差距。同时，数控等离子切割技术的发展可带动相关领域和学科达到国际先进水平。

48、火焰切割、等离子切割和激光切割是热切割的三种主要方式，其技术经济性对比如下表所示。火焰切割具有切割变形大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低，切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。等离子切割具有切割范围宽，可切割一切金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达10m/min，是火焰切割的10倍。在水下切割能消除 切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光，有利于环境的保护，符合21世纪对环保的要求。目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已达130mm，采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的下限(0.2mm)。由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割(通常厚板打孔时间长)，而精细等离子切割机切割精度可达激光切割的下限， 切割表面质量近似，但切割成本远低于激光切割，约为其1/3，最大切割厚度可达12mm，因此用精细等离子切割机来取代价格昂贵的激光切割机，有利于以最经济的方式对用量较大的中、薄板实施高速精细切割。另外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料利用率5%10%，按年切割2000万t计，则年可节省钢材100200万t，价值几十亿元。故在工业发达国家已出