機械自動化的技術要點與數控技術應用探究

曹偉偉

（中天智能裝備有限公司，江蘇南通，226009）

1 機械自動化簡介

1.1 基本內容

從主觀角度來說，機械自動化就是機械會自己行動，在行動期間會實現自動化生產活動，使所加工出來的產品以及質量均得到了大幅度提升。從客觀的角度來說，機械自動化技術中包含了許多種復雜的程序，需要高精準的操作技術來維持運行，同時也是未來發展的主要趨勢。

1.2 機械自動化的特點和重要性

現代化的機械自動化生產方式已經將普通的機械生產徹底替代，現代化的機械自動化生產方式只憑靠高效率、高質量以及高安全性等明顯的特點，就已經吸引了許多人們的關注，目前機械自動化已經成為了機械制造領域的核心技術。現代化企業要想在市場中有自己的一畝三分地，就必須早日降低企業的節能減排。而機械自動化技術的應用完全符合國家環保標準，不僅可以使成本得到有效降低，還將資源的利用率得到了提升，因此，企業應主動引進機械自動化技術。另外，企業在機械自動化技術幫助下，使自身的經濟得到了文認定，提高自身的市場競爭力，使企業得到可持續發展。

2 機械自動化的優勢

2.1 安全性較高

應用自動化技術的機械設備與傳統的設備并不相同，自動化機械設備中含有監控系統，可以對整個生產流水線進行實時監控，并對生產數據進行統一收錄，收錄完成后會自動對數據進行分析，所分析出的結果會自動上傳至管理中心，便于管理人員在需要之時能夠快速調控。除此，自動化機械設備還具有報警系統，如果機械在生產流水線種出現任何問題，該系統會自動分析問題的原因并第一時間將信號上報至管理中心，管理中心第一時間聯系技術人員進行維修，避免造成二次損失。例如，傳統的生產機械在生產的過程當中經常出現因為溫度過高停機的現象，傳統生產機械沒有警報系統，技術人員將無法第一時間得知，也無法對現有的故障第一時間排除。由此看出，自動化技術機械在生產過程中的問題是可以得到有效保障的。

2.2 高效的生產效率

伴隨著自動化技術在機械設備中的大面積應用，工作人員的工作量也得到了降低。自動化機械會按照事先設置的參數進行生產，生產效率得到直線上升。傳統的機械設備在產品流水線的生產過程當中會受到不同程度的影響而導致工作無法完成，例如，環境、人為等不可抗力的因素。融入自動化技術的機械生產設備卻將環境、人為等因素打破，不受任何因素的影響，生產過程也變得便捷高效，所生產出的產品質量也可以得到有效保障。除此之外，傳統的機械設備在生產過程當中必須有人時刻監管，而人力資源通常情況下都較為有限，導致生產效率無法得到有效保障。自動化技術融入機械設備可以將生產過程變得更為快捷，在實際應用當中，工作人員只需要在操控室進行操控即可，也不需要工作人員實時監管，部分自動化技術機械還可以與網絡技術融合，相關技術人員可以利用互聯網來對機器實現遠程操控，使生產效率得到進一步提升。

2.3 精準度的提高

隨著科學技術逐漸完善，如今的機械生產過程中也有眾多不同的科技元素融入。自動化技術的應用不但使機械生產實現了全面自動化，而且所加工出的零件精準度也變得更高。在實際生產流水線中，只需要將需要加工產品的各方面參數輸入系統，系統便會根據所輸入的參數進行自動加工，這種方式所加工出的產品精準度幾乎保持零偏差，產品的破損率也降到了最低，有效推動我國機械領域的發展。

3 機械自動化的技術要點與數控技術分析

3.1 技術要點

3.1.1 網絡技術

機械自動化中最為關鍵的技術要點為網絡技術，網絡技術作為機械自動化工作過程中最主要的核心部分，應重點開發網絡技術。網絡技術越完善，自動化機械設備在生產中的數據就越精準，也就是說，產品精準度與網絡技術有著密切的關系。雖說如此，但網絡技術所包含的內容都較為復雜，常見的有數控網絡技術與計算機網絡技術。只有網絡技術與自動化技術設備融合完善后，才能使我國機械行業更上一層樓。

3.1.2 智能技術

GPS技術的精準定位，給機械自動化技術未來發展提供了條件。通常，技術研發人員會將智能技術逐漸完善并使在機械設備應用過程中的難易程度有效降低，為一線工作者們提供安全舒適的生活環境。 除此之外，機械自動化設備在生產的過程中會嚴格按照所輸入的參數進行生產，不會出現人為的偏差，因此產品質量顯著提升。智能化技術的應用還可以處理簡單的生產問題。

3.2 機械自動化實現數控技術

3.2.1 數控系統設計

數控系統作為一種數字化控制系統，主要通過數字信號對系統中的不同結構進行實施控制。由于早期的數控系統不夠完善、操作成本高、部分操作不靈敏等問題限制了它的使用范圍，傳統的數控系統已無法滿足現如今社會發展的多元化需求。開放式數控系統由于計算機的融入，以PC端作為控制部分的關鍵，系統中所使用的硬件成本也得到了明顯下降，數控系統的整體控制功能由軟件來實現，再使數控系統整體性能都得到明顯提升的過程中還可以將成本降到最低。早期的數控系統大多數采用單片機設計，在運算的過程中會出現不可拓展等問題。除此，數控系統在對于電機運動的過程當中所使用的方式大多數為脈沖加方向，這種控制方式需利用控制器輸出方向信號在控制電機運行過程中同脈沖信號相互對應，此方法非常容易導致脈沖與方向無法同步，最后導致所加工的產品出現精度不準的問題。在此過程中，能夠同時進行連接設備有限，導致控制器無法實現同時對多個電機進行控制。基于此，以機械自動化為主，在RAM與FPGA對嵌入式數控系統進行整體優化與升級，嵌入式數控整體框架，如圖1所示。

圖1 嵌入式數控系統的總體硬件架構示意圖

3.2.2 ARM模塊的設計與實現

根據ARM7TDMI核的S3C44B0X包含高速緩存器、豐富的I/O口(多達71個)以及4個DMA，根據嵌入式系統功能的要求為主要依據來對主要部分進行詳細的拓展與設計，主要包括以下四個方面：

(1)儲存器的有效拓展，數控系統在實際的操作過程中相關到PTOS的過頻調度以及眾多復雜的運算，導致不同的堆棧和全局變量的誕生，為了讓上述問題得到有效解決，需利用RAV通過HY57V620芯片來對其儲存器進行有效拓展，芯片與處理器進行連接，SDRAM的儲存空間會根據nSCSO完成到Bank6區域內的映射，核心處理器會在系統每次啟動前將復位地址的執行系統進行初始化造作再進行運行，最后使系統的整體運行效率得到大幅度上升。

(2)通信接口，在數控系統中大多數采用較為常用的USB通訊接口，接口控制器均采用最為常見的PDIUSBD12，此接口與S3C44B0X相連。

(3)FPGA的構造電路研究，出于各種原因導致的斷電會非常容易使DSRAM儲存中的內容流失。基于此，采用FAGA進行改善電路設計，為了防止專用的EPROM，根據系統編程ISP對FPGA進行合理配置，來使數控系統中的各硬件部分得到優化。FPGA在配置的郭恒中會利用G根線號線來與S3C4BB0X相互連接，FPGA的配置電路主要由DCLK、Nconfig、DATA0、配置狀態型號以及Nstatus所構成。第一次進行系統使用時應針對FPGA的輸入端當為引導GPF1/GPF2，輸出端腳則為GPE3、GPF4、GPE5，針對開端口的GPF0、GPF1需添加上拉電阻的方式來對高電平進行識別過程的實現。

(4)ARM與FPGA通信接口中可以采用并行與串行兩種方式，并行的方式通常情況下會滿足系統通信需求S3C44BOX同外設FPGA連接，核心處理器的儲存空間會與Bank4區域相對應。FPGA會根據EXint3引腳連接，如在實際連接的過程中插補并沒有結束，那么系統將會自動將終端報告傳遞至ARM模塊，處于考慮到USB接口的便捷性，數控系統同自動化機械設備均采用USB接口模式。

3.2.3 FPGA模塊的設計與實現

嵌入式數控系統中FPGA模塊會完成核心處理器所下發的所有數據過程，FPGA的總體設計架構示意圖如圖2所示，在針對此基礎上會進行精確的運算、脈沖輸出等不同功能才可以實現。

圖2 FPGA模塊設計原理圖

(1)FPGA部分中還比較擅長精插補運算，數字在插補的結構過程如圖3所示，根據三軸數控系統針對三組獨立的寄存器的使用實現了對各軸運轉過程中的獨立控制，數控系統的響應速度在得到提升的同時也可以確保插補效果滿足實際需要。

圖3 數字積分插補原理圖

(2)FPGA也會通過脈沖把所對象的步進電機驅動電路進行合理劃分，以此來滿足電機的整個驅動過程。

3.3 數控技術在機械自動化應用的意義

機械自動化數控技術的應用過程中，所實現的意義都比較重大。首先可以使生產過程中的人力資源進行降低，在傳統的產品加工中，工作人員是生產中最為重要的核心部分，如果此崗位工作人員的綜合素質水平偏低，那么所生產出的產品質量也無法得到保障。但機械自動化的應用，數控系統會根據生產設備的運行狀態對各部分自動進行控制，相關工作人員的依賴性降低，對于大部分生產企業來說，機械自動化設備中數控系統的應用，可以最大程度的降低人力成本。除此之外，產品的質量也得到提升。在數控技術應用的過程中，系統會通過程序對設備實現最高精準的控制，最主要的為不同產品的加工機床，讓所加工出來的產品精準度得到大幅度提升，生產效率也得到了大幅度提升，在如今的機械自動化設備應用后，大量的工作會有自動控制系統進行完成，工序操作流程也變得簡單，這種方式使原有的生產成本降低、質量有所保障、生產效率加快。

4 結語

機械自動化的發展如今已成為我國當下的必然趨勢。在未來的發展過程中，技術管理人員需要充分了解機械自動化的優勢，使機械自動化的技術要點以及數控技術更全面的發展，為我國未來發展做鋪墊。