【摘要】：21世紀是自動化的舞臺，自動化在國民經(jīng)濟，工業(yè)生產(chǎn)，居民生活中發(fā)揮著不可替代的作用，而之相應的自動控制技術(shù)便成了自動化的核心和支柱。自動控制水平的高低決定了自動化的前景。本文分別從硬件和軟件，使用等方面具體論述了自動控制技術(shù)在模具鋼材制造中的應用

　　關(guān)鍵詞：PLC，模具，計算機控制，異步電動機，數(shù)控機床

　　1 引言

　　模具作為一種高附加值的技術(shù)密集產(chǎn)品，它的技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要評價指標之一，而要提高模具技術(shù)水平不僅要有技術(shù)水平，更基礎(chǔ)的是要有先進的制造設(shè)備及制造和控制技術(shù)的支持，模具加工采用傳統(tǒng)的普通設(shè)備已經(jīng)難以適應高效率，高質(zhì)量，多樣化的加工要求。一方面促使加工的大量前期準備工作與機械加工過程連為一體；另一方面，促使機械的加工的全過程與柔性自動化水平不斷提高，即提高了制造系統(tǒng)適應生產(chǎn)條件的能力。數(shù)控技術(shù)同時又是柔性制造系統(tǒng)（FMS），計算機集成制造系統(tǒng)CIMS的技術(shù)基礎(chǔ)之一。數(shù)控加工是模具制造業(yè)新的發(fā)展方向。對于現(xiàn)代模具制造業(yè)，市場要求必須在最短時間內(nèi)完成新成品的開發(fā)和投產(chǎn)，為用戶提供精度模具，利用數(shù)控加工及模具計算機輔助制造等新技術(shù)，從而使模具加工技術(shù)進入數(shù)控加工和模具計算機輔助制造為主的新階段。

　　2 模具鋼材制造數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

　　自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展促進了數(shù)控技術(shù)由硬件數(shù)控到計算機數(shù)控的發(fā)展，而計算機為更有效地使用數(shù)控技術(shù)也發(fā)揮了巨大的作用。由于鋼材模具加工中引入了CAD/CAM等計算機系統(tǒng)，實施自動化加工，在加工過程中，少了人的干預。由數(shù)控機床的組成（見圖1）可知，其中任何一個環(huán)節(jié)都與自動控制技術(shù)息息相關(guān)。

　　眾磊捷成模具鋼材（北京）有限公司的主車間設(shè)備的控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是對機床移動位置直接用直線位置推測裝置進行檢測，再把實際測量的位置反饋到數(shù)控裝置中去，與輸入指令比較是否有差值，然后用這個差值去控制，使運動部件按實際需要值去運動，從而實現(xiàn)準確定位，即數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的指令信號與工作臺末端測得的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直至差值在誤差允許的范圍內(nèi)為止。控制流程如下圖3所示：

      控制人員根據(jù)實際模具要求，CAD,并將技術(shù)代碼通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)郊傻牟僮飨到y(tǒng)，有操作人員對加工的初值與技術(shù)細節(jié)進行設(shè)置調(diào)節(jié)，這一過程在控制面板上實現(xiàn)。實踐公司所使用的是：LGMazak Vertical traveling   VTC-160和Mazatrol  PC-fusion-CNC 640M 及精確機LGMazak Vertical troveling  Column  VTC-20B

      馬扎克系類機床的先進性：　

　　●采用了各種各樣的新技術(shù)　

　　通過采用在剛性，輸出，特性方面更為優(yōu)越（新型內(nèi)置馬達），相比于原來機型Super　Quick　Turn，有25－50％的輸出提高　

　　通過滾珠絲杠驅(qū)動的NC尾座，減少了準備時間并提高了操作性　

　　通過采用高速無升降刀塔，超高速伺服旋轉(zhuǎn)和分度，相比原來的Super　Quick　Turn機型，提高了10％　以上的速度　 這一級別上最快的快進速度　（X軸30m／min，Z軸33m／min）　

　　●符合時代需求的環(huán)境保護以及削減運行成本　

　　采用線性導軌，滾珠絲杠潤滑脂潤滑，使得廢棄潤滑油減少了90％　

　　采用了節(jié)能型泵，馬達的油壓單元　

　　待機功率減少了30％通過控制機器內(nèi)部照明等　

　　●通過高速，高馬力，高剛性使得生產(chǎn)率得到了飛躍性的提高　

　　通過主軸高速化，軸進給高速化，刀塔分度高速化等使得生產(chǎn)率得到大大的提高。相比于原來的Super　Quick　Turn　200機型，QTN200提高了14％的生產(chǎn)率。

　　●根據(jù)CS調(diào)查，對準備性，維修性，操作性等進行了徹底的重新推敲。　

　　通過超緊湊型設(shè)計，大大地減少了占地面積，最大可以節(jié)省20％?！?/p>

　　對機器內(nèi)部照明，采用了明亮的鹵素燈。　

　　原來的QT，Super　Quick　Turn等機型的刀柄可以原封不動地進行使用鏜刀桿未使用時的堵蓋追加。對卡盤壓力也可以在前面操作進行控制?！?/p>

　　容易抽出的切削水箱?！?/p>

　　●在所有的機型上都標準配置了MAZATROL對話型640控制器　

　　NEXUS系列專用的對話型CNC裝置"Mazatrol　FUSION　640　T　NEXUS"　

　　支持網(wǎng)絡　

　　還裝備了用于輸入程序的IC卡　 　　

　　●凌駕于其他公司產(chǎn)品的基本性能　

　　在主軸轉(zhuǎn)矩，主軸貫通孔，最大旋徑，快速進給速度，占地面積等基本規(guī)格方面都處于領(lǐng)先地位　 　

　　●位于全世界的馬扎克據(jù)點都可以為客戶提供萬無一失的服務　

　　在全球范圍展開的售前服務和售后服務活動服務，備件的迅速提供。

      QTN100-Ⅱ/300U 全功能數(shù)控車床是在市場廣受好評的QTN第一代全功能數(shù)控車床的基礎(chǔ)上，改進而成的新一代高速、高精度的全功能數(shù)控車床，在MAZAK全球工場同步生產(chǎn)?？蓮V泛滿足汽車、電子、家電、航空航天、模具、儀器儀表等各行業(yè)對中小型精密零件的高效率加工需求。

      主軸：主軸采用大功率內(nèi)置式電主軸結(jié)構(gòu)，取消了中間的傳動機構(gòu)，相對于傳統(tǒng)皮帶傳動的主軸高速運轉(zhuǎn)下的振動和熱變位大大減少，保證良好的加工精度和表面粗糙度。主軸電機采用雙繞組結(jié)構(gòu)，可以滿足大直徑切削、強力切削、有色金屬切削、高速高精度切削等的切削要求。

      刀塔：鼓形刀塔采用伺服電機分度、牙盤定位、液壓夾緊結(jié)構(gòu)，換刀速度快、定位精度高、定位剛性好。刀塔可以安裝12把刀具。

      X/Z驅(qū)動：X/Z軸采用精密滾珠絲杠驅(qū)動，配合世界知名廠商生的直線滾動導軌，具有良好的運動精度和動態(tài)特性。 X軸和Z軸的快移速度分別為30m/min和33m/min。

      智能尾座：尾座采用伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)精確位置定位和推力自適應雙重控制。尾座推力可以隨著加工的需要自動變化，縮短加工過程中尾座推力設(shè)定時間，有效保證零件加工精度和加工效率。

      節(jié)能、環(huán)保方面：絲杠、導軌全部采用油脂潤滑，使得潤滑油的消耗大大減少，冷卻液受污染的程度大大降低，壽命顯著提高。全封閉的防護罩完全避免了切屑和煙塵的外溢，不會對工作環(huán)境造成污染。機床在待機狀態(tài)下，壓縮空氣消耗量為零。另外，待機超過一定時間，機床將自動關(guān)閉照明燈、自動停止排屑器的運轉(zhuǎn)，減少了無謂的電力消耗。

     系統(tǒng)配置: 機床數(shù)控系統(tǒng)采用MAZAK最新開發(fā)、世界領(lǐng)先的“MAZATROL MATRIX NEXUS”數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)使用高速64位RISC CPU，提高了數(shù)據(jù)處理能力和可以實現(xiàn)亞微米級的控制精度。該系統(tǒng)采用了個人計算機（PC）與CNC融合技術(shù)，實現(xiàn)了PC和CNC之間的寬帶雙向通訊，使機床具備了先進的智能化和信息化功能。該系統(tǒng)通過內(nèi)置的切削專家系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的會話式編程，機床的操作大大簡化，對操作者要求相對降低。

      3模具鋼材加工中所涉及的自動控制技術(shù) 

      3.1 PLC

      它是“一種數(shù)字運算中電子系統(tǒng)專業(yè)為工業(yè)環(huán)境下運行而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器用于儲存執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計算和算術(shù)運算等特定功能的用戶指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種模型的機械生產(chǎn)過程，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3：

     在控制面板上根據(jù)實際需要設(shè)定刀具的初始值，一旦加工開始，刀具便會在程序的控制下沿著X,Y,Z軸分別按設(shè)定的軌跡運行，直至結(jié)束，除非有異常情況。

      3.2程序 

      在實踐過程中，我們對加工過程的軟件環(huán)節(jié)特別感興趣，特別是編程，不過數(shù)控加工的程序可不是C,C++,JAVA或匯編，它有自己的規(guī)則，不過我們還想挑戰(zhàn)一下。主控制室控制員給我們出了一個小程序，對零件進行周邊精銑，且加工程序啟動時刀具在參考點位置，選擇φ20的銑刀，并以零件的中心孔作為定位孔，加工時的走刀路線有規(guī)定，經(jīng)過一番苦戰(zhàn)，經(jīng)集體探討，編的如下程序：

0001；                          程序開始

N0010  G00G90X120.OY60.OZ50.0;  絕對值輸入，快速進給到（120，60，50）

N0020  X100,OY40,OM135500;      快速進給到（100，40），主軸正轉(zhuǎn)

N0030       Z-11.0;             快速下進到z-11

N0040  GO1G41X70.OY10.OH012F100;直線插補到（70，-10），刀左補償

N0050       Y-10.0              直線插補到（70，-10）

N0060  GO2X40.0Y-40.0R30.0;     順時針插補到（40，40）半徑30mm

N0070     G01X-70.0;            直線插補到（-70，40）

N0080        Y40.0;             直線插補到（-70，40）

N0090        X40.0;             直線插補到（40，40）

N0100  G03X70.0Y10.0R30.0;      逆時針插補到（70，10），半徑30mm

N0110       G01X85.0;           直線插補到（85,10）

N0120  G00G40X100.0Y40.0;       快速進給到（100，40），取消刀具半徑補償

N0130   X120.0Y60.0Z50.0;       快速進給到（120，60，50）

N0140        M30;               程序結(jié)束，系統(tǒng)復位

      3.3電動機 

      數(shù)控機床用于進給驅(qū)動的交流伺服電動機大多采用三相交流永磁同步電動機，在結(jié)構(gòu)上，三相同步電機的定子有三對繞組。由電機學理論可知，三相同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩只能在定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場完全同步時才能發(fā)揮作用。

      歸納數(shù)控機床用驅(qū)動電機的分類，如下圖5所示：

      4結(jié)束語 

      數(shù)控技術(shù)在鋼材磨具制造的應用提高了生產(chǎn)效率，精密和高自動化水平的數(shù)控系統(tǒng)保證了產(chǎn)品的合格率，本文以眾磊捷成模具鋼材有限公司為例介紹了鋼材磨具制造中所涉及的數(shù)控技術(shù)以及系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)控技術(shù)的投入提高了該公司的制造效率和產(chǎn)量。

      參考文獻：

      1  《模具數(shù)控加工技術(shù)應用》  范欽武   Chemical Industrial Press 2004.4

      2  《金屬切削原理及應用》  張維記  浙江大學出版社  1999.12

      3  《數(shù)控銑床》  徐宏海、謝富春  化學工業(yè)出版社  2003.8

      4  《新編機床數(shù)控技術(shù)》  包杰、焦振學  北京理工大學出版社 2004.9

      5  《自動控制原理》  王劃一、楊西俠  國防工業(yè)出版社 2001.5

      6  《Computer Numerical Control Machine &Turning Centers》Robert Quesog

      7  《數(shù)控磨床故障診斷與維修技巧》  韋剛  機械工業(yè)出版社  2005.8

      8  《電機拖動》  劉錦波    清華大學出版社  2006