數控技術在機械制造中的應用

劉果　萬江云　李志武

摘 要：工業是一個國家發展的重要基礎，新時期我國積極推行“智能制造2025”戰略，通過布局工業的轉型升級從而使得我國的工業制造邁入一個嶄新的階段。為實現“智能制造2025”戰略應當積極做好信息化技術、自動控制技術與工業設備的有機結合，使得工業制造向信息化、智能化的方向發展。數控技術是實現這一戰略的重要技術，通過加強機電一體化技術的發展與應用尤其是做好數控機器人在工業生產制造中的應用，為“智能制造2025”戰略的實現注入新的活力。

關鍵詞：機電一體化；數控技術；機械制造；機器人

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）21-0163-02

Abstract： Industry is an important foundation for the development of a country. In the new period， our country actively implements the "Intelligent Manufacturing 2025" strategy. Through the transformation and upgrading of the layout industry， China's industrial manufacturing has entered a new stage. In order to realize the strategy of "Intelligent Manufacturing 2025"， we should actively integrate the information technology， automatic control technology and industrial equipment， so as to make the industrial manufacturing develop towards the direction of information and intelligence. Numerical control technology is an important technology to realize this strategy. By strengthening the development and application of mechatronics technology， especially the application of numerical control robot in industrial production and manufacturing， it injects new vitality into the realization of "intelligent manufacturing 2025" strategy.

Keywords： mechatronics； numerical control technology； mechanical manufacture； robot

前言

工業機器人是現今乃至未來一段時間工業發展的重要方向，工業機器人的應用將有效的提高工業生產的效率與質量。工業機器人是工業制造技術中的數控技術、機電一體化技術的有機結合，新時期在“智能制造2025”戰略的大背景下應當積極做好工業機器人的發展戰略的布局，積極做好工業機器人的研發與應用，以科學技術帶動工業制造的轉型升級提高生產的效率與生產質量。數控技術是工業機器人發展的重要一環，在工業制造中應當積極做好數控技術的研發與應用，補齊我國在工業制造環節中的短板，提升我國在現今乃至今后一段時間內工業制造的發展潛力。

1 數控技術在工業制造領域中的應用

數控技術是計算機數字控制技術的簡稱，通過多年的發展數控技術由早期的硬件電路發展到現今的專用控制計算機其控制能力與控制效率發生了大幅的提升。計算機數控系統簡稱CNC，其通過利用計算機強大的計算能力實現對于設備的定位控制。數控系統根據存儲于計算機中的各種加工控制程序執行部分或是全部數值控制用以驅動相應的伺服驅動裝置來進行運動。直接數控DNC是直接數字控制的簡稱，它是用電子計算機對具有數控裝置的機床群直接進行聯機控制和管理，英文縮寫DNC。直接數控又稱群控，控制的機床由幾臺至幾十臺。且直接數控是在數控（NC）和計算機數控（CNC）基礎上發展起來的。微機數控是微型計算機數字控制的簡稱，其主要利用的是微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置。

在工業快速發展的今天，工業機器人是現今乃至未來一段時間工業發展的重要方向。工業機器人是機械設計、加工、數字控制的集大成之作，其內部涉及到大量的機械、自動化、數字控制等方面的技術，在工業機器人工作的過程中，依靠精密的機械動作與數字傳感技術由數控系統對工業機器人的各項運動動作進行控制。在工業機器人運作的過程中具有動作穩定、操作靈活、自由度多等的特點，能夠在復雜工況條件下進行高精度的動作。工業機器人在現今的工業制造中有著廣泛的應用，比如說汽車制造、航空航天以及軍事裝備制造等領域都已經廣泛的應用工業機器人進行機械生產。數控技術是工業機器人的控制核心，應當積極做好數控技術的研發與應用，結合現今高速發展的數字、信息技術來提高數控系統的控制效率與控制精度。

2 數控技術在工業機器人機械加工制造中的應用

數控技術實現對于工業機器人的運動控制，通過使用工業機器人能夠完成多種復雜工件或是結構件的機械加工制造。本文以某型號的工業機器人為例介紹數控系統控制工業機器人使用銑刀完成葉輪的機械制造。工業機器人主要是由數控主軸、主軸變頻器、主軸轉接頭以及其他部分等所組成。組成工業機器人的各部件中，數控主軸是其中的主要部分，為實現對于數控主軸的冷卻可以采用水冷或是風冷兩種形式，水冷通過使用循環冷卻水的方式實現對于數控主軸的降溫，風冷數控主軸的形式主要利用的是風扇所帶來的風量來實現對于數控主軸的冷卻。某型號工業機器人其有效載荷為6kg，采用水冷形式通過變頻器調節輸出電壓和工作頻率來對數控主軸的轉速進行調節，使用數控系統實現對于主軸轉速的精確調節。

采用主軸變頻器控制轉速。將高速數控主軸通過一個轉接頭固定在工業機器人的末端執行器上，安裝上相應的加工刀具，再將驅動電源和數控主軸連接起來，使用一個數控加工的旋轉臺，方便工件的固定以及加工，即構成了一套完整的機器人切削加工系統。

葉輪具有復雜的空間結構，在整體加工上需要選用5軸機床進行加工。工業機器人具有6個自由度，將工業機器人用于葉輪的加工在理論上完全能夠實現。在使用工業機器人完成對于葉輪的加工時，需要在數控系統上編制相應的加工程序，借助于UG/CAM模塊完成工業機器人加工葉輪五軸加工的軌跡規劃。UG程序中包含有多軸編程的相關模塊化，在進行相關程序的編制時，按照UG程序中的順序依次完成相關坐標系的建立、加工幾何體以及加工到刀具信息等的建立。在葉輪加工的過程中主要分為粗、精加工兩道加工工序，在粗加工環節中，可以選用平刀使用型腔銑削加工的方式來進行機械加工，最后大致銑出葉輪葉片的形狀，采用上述機械加工形式能夠有效的提高機械加工的效率。在粗加工中需要在留有足夠的余量，用以避免在銑削加工中切掉葉輪葉片的型面，影響機械加工的質量。完成對于葉輪葉片的粗加工后需要對其進行精加工，精加工中需要使用6mm的球頭刀，使用UG軟件對刀具的運動軌跡進行編制和規劃，在葉輪表面精加工時，將采用流線方式來進行刀具的驅動，球頭刀的刀軸方向與待加工表面相垂直，對葉輪葉片進行精加工時，將以曲面方式驅動刀軸，從而使得銑刀的側刃能夠與驅動體相垂直。在完成了對于銑刀刀軌的保存后將可以用于工業機器人的后續加工。在完成了對于工業機器人銑刀進刀軌跡的規劃后，需要使用工業機器人進行實際的驗證，由于受到工業機器人自身機構及機械性的限制，通過UG/CAM模塊所設計的進刀軌跡會與實際產生一定的偏差，必須要通過實際加工來對進刀軌跡進行驗證，用以避免工業機器人在運作的過程中與葉輪產生碰撞或是關節之間的干涉。除了直接使用工業機器人進行測試外，還可以通過在UG/Motion環境中直接對工業機器人加工進行運動仿真分析以及碰撞和干涉進行檢測，提高工業機器人運行動作的監控與分析效率。

利用UG/Motion 的功能能夠賦予各個關節一定的運動特性，再在各個關節之間設立一定的驅動關系，建立一個運動仿真模型。由于UG/Motion 可以對機器人進行運動合理分析工作，諸如干涉檢測、軌跡包絡等，就可以得到相關的運動參數。通過對機器人運動仿真模型進行運動學和動力學運動分析就可以驗證加工軌跡的合理性，并且可以利用圖形輸出各個關節的扭轉角、加速度和力的變化，不僅可以對機器人加工實時監控還可以對加工軌跡進行優化。

工業機器人具有6自由度，各自由度的控制需要進行大量的模擬，使用UG/CAM軟件對機械加工程序進行模擬后，通過三維模擬可以通過各種約束限制構件之間的相對運動，工業機器人的各關節之間大量采用旋轉副進行連接，為減少工業機器人所具有的自由度，可以通過在系統上施加約束，而后在UG/Motion 中將六個關節設置為連桿，添加相應的性能參數。在構建工業機器人模型時，對工業機器人所具有的6個關節之間建立起相關聯的旋轉副，各機械臂之間以連桿的形式相互連接咬合，在工業機器人中以底部添加底座作為固定運動副，在完成上述約束的規劃后工業機器人將在約束的條件下進行運動。通過數控系統與驅動模塊來完成對于工業機器人中各驅動軸的運動及精確定位。除了約束外，還需要構建起工業機器人相應的驅動使運動模型，在工業機器人運動的過程中其數控主軸的運動軌跡并不是規律的函數，在構建運動模型的過程中需要結合工業機器人中的6個自由度分別建立以時間為橫坐標、旋轉角度為縱坐標的運動參數，實現對于工業機器人運動軌跡的控制。

數控技術在智能制造中的應用除了在工業機器人方面的應用外，在高精度機床上也有著廣泛的應用。現代高精度機械加工設備在航空、航天等領域中都有著廣泛的應用。尤其是以五軸加工中心為代表的高精度數控加工中心能夠完成復雜曲面的高精度零部件。高精度的數控控制系統能夠使得各運動軸能夠以高速完成相關零部件的加工，尤其是以超高轉速進行零部件表面的切削加工，不但能夠有效的提升機械加工的效率同時也能夠有效的提升所完成的機械零部件表面的加工質量。隨著信息技術、自動控制技術以及微電子技術的發展與應用，數控技術的性能也在不斷提升，集成化程度越來越高，尤其是以西門子、海德漢、Fanuc數控系統為代表的大公司所構建的通用控制系統，通過實現模塊、電機以及控制系統的標準化，使得數控技術在各領域中都有著廣泛的應用。通過數控技術的發展與應用，將發展出更加先進、高效的機械加工設備，通過將這些設備應用于機械加工中將能夠確保機械加工獲得更加高效的加工效率和更高的加工精度。同時在數控技術的發展中，通過構建DNC控制局域網完成車間內的聯網控制將能夠使得機械加工設備的管理更加高效，機械加工設備與上位機之間的信息交互更加便捷。

3 結束語

數控技術是現代工業機械加工的重要基礎，應當積極做好數控技術在工業機械制造領域中的發展與應用。現代機械加工設備的自動化和智能化程度越來越高，且機電一體化數控的應用也越來越廣泛，以工業機器人為代表的智能制造技術具有多軸、離線編程等的特點在未來的發展中將會具有巨大的發展前景。通過將數控技術與工業機器人相結合，借助于工業機器人靈活、空間運動特性強等的特點將能夠極大的簡化復雜型面零部件的機械加工，在提高機械零部件加工效率的同時保證機械加工的質量。

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