关于数控技术的论文数控设计论文

关于数控技术的论文数控设计论文 数控原理实验教学平台的设计与开发 摘要：为适应开放式数控系统及先进制造技术的发展趋势，开发研制了一套基于Google三轴数控装置的数控仿真实验平台。该平台有助于数控原理与系统等相关课程的实践教学环节，对提高学生关于数控系统原理、结构、制造系统的直观认识和理解，增强学生自身动手能力奠定了基础。 关键词：数控系统；实验平台；数控原理 目前，我国99%的高档数控机床配置的是进口的高端数控系统，国内中高端数控系统产业发展滞后，很大程度上影响了我国制造装备业的水平和竞争力。国产高性能数控系统的设计和开发离不开高素质工程技术人才的培养。 尽管很多学校建设了数控加工实验基地，购置了大批先进制造设备，但传统的数控实践环节主要在数控机床上进行，学生往往对数控机床操作与数控编程较熟悉，对数控机床体系结构的了解却有所欠缺，这对培养数控维护与设计人才很不利。数控原理与系统课程是机电、自动化等电类专业的一门重要课程，课程的特点是理论与实践结合紧密，特别强调实践环节的训练，可以通过数控教学实验平台，使学生加深对数控系统原理及其结构的认识。 1数控原理硬件实验平台 Google公司开发的三维数控平台GXYZ工作台，采用了“PC+运动控制器”形式构建数控系统的硬件平台，控制装置由PC机、运动控制卡、电控箱和相应驱动器等组成，机械部分采用滚珠丝杠传动的工作台，用于实现目标轨迹和动作。为了记录运动轨迹和动作效果，配备有笔架和绘图装置。如图1所示，各部件全部设计成相对独立的模块，便于面向不同实验进行重组，其结构组成适合教学活动的开展。 图1 三维数控平台硬件原理图 2数控原理软件实验平台的构成模块设计 该公司提供的软件实验平台采用面向对象技术开发，可完成数控系统工作原理的演示，但在实际教学过程中发现，与课程的教学目的不相符合，即学生在学习完相关课程内容后，仅通过演示这样的实践性环节无法对数控原理与系统的工作过程有深刻理解，对数控系统的研发更无从谈起。 为此，基于该硬件实验平台以及相关的运动控制器函数库，独立研制了有针对性的、可实时显示平台模拟和实际运动轨迹的、具有丰富的可视化图形界面的数控工作台实验加工软件。考虑到学生有限的编程知识和开发经验，软件实验平台应以模块简单化同时能有针对性的练习需掌握的教学内容作为基本出发点。 根据教学要求，重点设置了下列3个模块作为主要训练内容。 2.1 译码诊断模块 一个计算机数控系统从接收加工程序到加工出合格的零件，中间经历了多个信息处理阶段。例如：数控加工程序被输入系统后，需要将有关数据信息与功能指令等转换为系统能识别的信号，从而做出相应的动作。对于操作数控系统的人员，这个转换过程是不可见的。 为了剖析数控系统工作原理，需要使学生能够熟悉：从键盘或其他存储设备等输入到系统中的由大量ASCII字符组成的数控加工程序，是如何转变为计算机能够处理的一系列二进制数的。同时，还需要检验学生必须完成的转换结果。据此开发了译码诊断界面，通过交互式的输入实现信息的获取；具体的转换功能的实现通过功能按键获取消息执行相应代码来完成，这部分工作是学生独立完成的；为了便于验证，转换的结果以文件形式输出。 译码诊断模块的人机交互界面如图2所示。输入的加工程序可能存在语法或逻辑错误，根据规则，经过诊断后，若有问题，则在界面的控制面板处列出所有错误，图形区不再显示代码表示的轨迹，如图2(a)所示；若代码均符合规则，那么将轨迹显示在图形区，检验相关数据存储的正确性，如图2(b)所示。 (a) (b) 图2 译码诊断模块的人机交互界面 2.2 刀具半径补偿模块 刀具半径补偿是数控加工程序预处理时的一个重要步骤。实际加工时，刀具与被加工零件的接触部位可能是点、线、面中的一种，而且处于动态变化中，但对于数控系统而言，需要找到一个位置固定的部位作为控制对象，对于刀具而言，就是刀位点，即通过刀具半径补偿在刀触点与刀位点之间建立联系。学生在搞清楚这些基本概念后，针对二维空间刀具半径补偿的4种情况，每种情况又分为不同的刀具半径补偿过程，实现刀具半径补偿，建立起刀心点轨迹。同样，为了验证正确性，以图形方式显示刀补轨迹和零件轮廓信息。 如图3所示，(a)中控制面板选择左刀补圆弧接圆弧，进而选择刀具补偿的第二个阶段建立刀补。(b)中在编辑框输入两段圆弧的端点、半径以及刀具半径，选择按键“刀补计算”，完成刀补运算。最终的结果显示在界面左侧的图形区。学生不需将精力放在界面设计上，在此模块中，针对“刀补计算”控件编制相应的功能代码，从而达到熟练掌握数控系统刀补功能实现的原理。 (a) (b) 图3 刀具半径补偿模块的人机交互界面 2.3 插补模块 插补是数控系统的核心功能。插补功能的强大与否决定了整个数控系统的档次。根据教学内容，以了解数控系统的工作过程、掌握数控系统插补的基本原理为目的，不做深度要求，开发的实验平台包含了脉冲增量插补和数据采样插补。分别对直线轨迹和圆弧轨迹，有逐点比较法插补、数字积分法插补、数据采样二阶近似法插补等方法供学生作实践内容。 对于采用“PC+运动控制器”形式的硬件实验平台，工作台按预定轨迹的动作需要调用运动控制卡的相关库函数。因此，关于运动控制卡相关参数的设置、插补命令的底层执行、插补时实时位置的检测与显示等都在开发平台中预先完成，学生只需要完成各种插补算法的实现，即对相应控件编制代码。为了能使插补轨迹更为直观，验证学生插补算法编制的正确性，软件实验平台的图形区可实时绘制出实验工作台的轨迹(如图4所示)。 图4 插补模块的人机交互界面 2.4 进给运动控制模块 实现位置等被控制量的快速和精确控制是数控系统一直追求的目标。而准确控制工作台各运动轴的位置，与整个硬件实验平台的运动控制模型相关。一般这个模型的瞬态和稳态特性均不符合要求，对该模型简化作为控制对象，加入控制器改善系统的位置阶跃响应等性能，使学生能对此有感性认识。 3结束语 学生经过基础课的学习，具备了最基本的编程技能和基础，但距离开发一个系统、实现一个具体的功能还有一定的差距。通过这一系列关于数控工作原理与体系结构实践环节的训练，有效地将基础课与专业课的学习紧密联系，避免学生动手能力差等问题。 利用数控原理教学实验平台对学生进行实践环节的训练，不仅可以节省大量的教学投资，使学生在实验过程中掌握数控技术的核心内容，而且可直观地进行数控实验，深入地了解数控系统的组成结构和原理。同时该系统还可作为学生毕业设计、课程设计等教学环节的资源。 参考文献 1汪木兰.数控原理与系统M.北京：机械工业出版社，2004 2邵群涛.数控系统综合实践M.北京：机械工业出版社，2004 3马昭，樊