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高速数控体系及其在冲床中的运用

本课题针对数控机床高速运动时的振动问题，选用智能算法，结合高速运动操控、5/6轴运动插补算法、嵌入式NC体系、嵌入式PLC、高速数据总线技能，突破了高速高精度运动操控技能壁垒，完成了在高速冲床、激光切割机、五轴加工中心等设备上的样机测验，使数控配备的加工速度进步30%以上，在高速高精度的操控方面到达世界先进水平。

佃锐辉，总经理，首要从事主动化技能、计算机操控技能、大数据云计算技能等方面研讨，以及企业运营办理作业。

跟着经济和科技的不断发展，商场对制作配备的要求越来越高。比如，数控冲床、数控折弯机、激光切割机、立式加工中心等各类数控机床，在加工精度和加工速度上都提出了更高要求。当然，国内外各研制中心也就怎么进步设备的输出产能展开了多种多样的研讨与开发。现在，仅数控冲床、数控折弯机两种设备的商场销售额已到达45亿元，设备功用的进步必定将带动以此设备为加工东西的职业的飞跃发展，进一步促进社会经济的发展，构成良性循环。

现在处于世界领先地位的闻名数控体系品牌有：日本的发那科(FANUC)、三菱(MITSUBISHI)、马扎克(MAZAK)、大隈(Okuma)，德国的西门子(SIEMENS)、海德汉(HEIDENHAIN)，美国的哈斯(HAAS)、法道(Fadal)，西班牙发格(FAGOR)以及法国施耐德(NUM)等，这些公司在进步运动操控体系的灵活性、精密性及可操作性等方面取得较好的研制效果，并将体系成功运用于设备中。

到2015年，国内相继呈现了近30家数控体系的出产企业，构成了东（上海注册、南京华兴、南京新方达、江苏仁和）、南（广州数控、深圳珊星）、西（成都广泰、绵阳圣维）、北（北京凯恩帝、沈阳高精、大连光洋、北京航天、大连大森、北京凯奇）、中（武汉华中数控）的布局。全体而言，因为国内数控体系的研制起步较晚，数控体系产品仍处于世界低端技能水平。

因为板材高速运动时存在振动问题，使国内此类数控机床的出产功率受到约束，形成中高端设备数控体系需求进口的现状。为进步根底设备制作和知识产权的自主性，高速智能运动操控体系产品的研制火烧眉毛。

高速数控体系

本课题研制高速数控体系结构如图1所示，包含计算机数字操控（CNC操控）体系，集5轴伺服驱动器模块、PLC体系（包含40点输入/40点输出，2个可扩展I/O本地模块，且每个I/O本地模块均带有32点输入/16点输出）于一体，并配备实时以太网接口（扩展伺服轴和扩展本地/长途I/O模块），3相(200～500V)±10%（50/60Hz）电源供电体系，供电体系选用脉冲、方向驱动办法。

该数控体系选用高速运动操控算法，可将机床速度在原有根底上进步30%以上(打标1800次/分)，操控驱动精度到达0.05mm（水平方向），经过优化器具选择，依照途径最优规矩、时刻最短优化法，在两次定位及坐标位移操控根底上，扩展板材加工规模（2500mm×2500mm），可完成板材的一般冲孔、异形孔冲孔、成形拉伸、滚筋、翻边，模具的主动改换和精确定位。

在网络通讯上支撑EtherCAT，可完成数字化、网络化、智能优化途径、长途办理、多机运转等网络功用。

高速数控体系适用于各类高速高精度伺服操控配备，如5轴冲床数控体系、激光数控体系、加工中心数控体系、机器人操控体系等，其中心技能如下。

X-Y轴高速运动操控算法

数控冲床、数控加工中心等高速进给组织包含X轴、Y轴两个方向的进给，运动组织结尾作快速点到点的运动，要求不仅仅能够到达高速运动，并且要求瞬时到达高速，瞬时精确中止，所以需求很大的加速度及很高的定位精度。本高速数控体系根据体系动力学模型的逆操控，针对实际工况下，体系无法装置检测设备以精确取得组织结尾呼应的特色，依据逆动力学的原理，推导出能表征体系停在平衡点处的物理量作为鸿沟约束条件，然后确定体系能够量化的安稳无振动的操控目标，得到在无检测反馈设备下的高速运动体系在目标点处高精度防抖动定位操控办法，使得体系的运动速度和精度大大进步。

根据实时工业以太网EtherCAT总线的伺服电机及驱动技能

关于数控技能中高速、实时和可靠性通讯的问题，选用根据工业以太网的EtherCAT接口技能计划。选用FPGA完成EtherCAT从站功用，运用DSP和FPGA完成实时数据交互。EtherCAT主站和伺遵守站组网衔接如图2所示。

根据ARM的高速运动操控嵌入式数控技能

选用根据ARM的嵌入式智能操控技能研制的高速运动操控器，详细包含：⑴根据32位嵌入式微操控体系和带12轴高速伺服/步进操控体系，以完成数字化全闭环和谐操控五大运动（X、Y、T、C、V五个方向），8路A/D、4路D/A、12路高速I/O、带智能I/O通讯开发智能化毛病显示报警功用，数据办理功用，群控联网办理功用，工种快速改换功用等。⑵规划并完成数控体系通用高速、抗干扰、低成本、低功耗嵌入式硬件平台与嵌入式操控平台软件。⑶选用综合性的模块化规划理念，规划工种快速替换体系及其设备，完成柔性制作体系。⑷选用根据ARM+FPGA+CPLD计划的嵌入式智能操控技能，树立具有良好粒度区分的CNC体系构件库，构件合成的主动代码生成结构可使目标体系的功用得到确保。

高速数控体系特色

高速数控体系软件方面特色：⑴答应经过EtherCAT接口扩展外部256个伺服轴(答应长途伺服驱动)，以及扩展本地/长途I/O模块(数字/模拟量)。外部附加的伺服轴功率不受约束。⑵以太网接口将高速数控体系衔接到上位计算机体系以及工厂网络中，供给调试、NC操作或许长途操作等。以太网接口非常简单将体系衔接到上位计算机体系以及工厂网络中。⑶答应选用工业计算机。⑷答应用户修改适合自己工艺的操作界面或许专用界面。能够将工厂的工艺专利结合到CNC体系中，并施行加密，任何外人无法翻开。⑸完好的诊断体系，包含CNC、PLC和伺服驱动等信息，并且有毛病日记功用。⑹有主动记录出产数量/班产值/日产值的功用，可主动导出出产数据。

高速数控体系硬件方面特色：⑴体系最多操控36轴。二个CNC通道，每个通道最多12轴插补。同步运动包含有各种CNC运动和机械补偿等功用。⑵全体的CNC/PLC/驱动体系，可减小装置空间。⑶伺服电机的一切衔接电缆选用屏蔽电缆，契合电磁兼容性要求。⑷体系配套的伺服电机是带有IP65防护的，伺服电机的动力和反馈电缆选用屏蔽电缆和易插拔衔接器。⑸进给轴均选用相对式编码器伺服电机，冲压轴运用肯定式编码器伺服电机。⑹设定软极限功用维护运动轴运动，可不运用外部极限开关作为轴的极限开关。⑺共同规划的驱动器会集直流母线供电，并配备扼流圈，可下降机器运用时的电能耗费。

总线操控的机床操作面板—FCNC6D：⑴面板信号直接经过串口与数控体系通讯，可削减机床操作面板的接线。⑵60个操作按键满意高速冲床的操作需求。⑶面板还含有拨码开关、紧迫按钮、安全锁等设置。

表1 西门子、FAGOR与国工信冲孔耗时比较

高速数控体系在冲床中的运用

高速数控体系为高速数控冲床开发的专用功用有：⑴全套冲床专用G代码/客户化指令，简化NC编程过程。⑵转塔式模具界面办理与NC模具办理库结合。⑶多组冲压成形组合参数组，可将冲头轴参数与进给参数有机组合适配不同的冲压工艺。⑷冲压及进给轴特性参数自适应调整功用，可对进给轴的加速度、变加速度等参数平滑批改，更加适配冲压工艺要求。⑸板材分量主动优化参数补偿等。

为验证体系的作业功用，我们进行了以下测验。

冲孔耗时测验

测验选用2500mm×1250mm钢板，以孔直径为5mm为例，别离以10mm步距和25mm步距进行冲孔耗时的测验，得到实验数据如表1所示，其间，“国工信”代表本课题的高速数控体系。测验数据标明本课题的高速数控体系不管在10mm步距仍是25mm步距占有显着优势，冲孔速度得到大幅度进步。

运动操控测验

以大板材和小板材两种标准的板材为例，别离选用FAGOR数控体系、SIEMENS数控体系、国工信数控体系（选用广工团队研制中心算法），进行步距为0.5mm、10mm的X轴方向的运动操控测验。测验得到两种板材在不同步距下选用不同数控体系的X方向运动操控曲线如图3、图4所示。

由图3(a)、图4(a)可知，不管巨细板材，板材以小步距水平移动时，本课题研制的高速数控体系较FAGOR数控体系更好的处理了高速运动振动问题，具有显着的速度优势和精度确保。图3(b)、图4(b)结果标明，不管巨细板材，板材以中大步距在X方向移动时，本课题研制的高速数控体系较FAGOR数控体系、SIEMENS数控体系在高精度板材加工时具有显着的速度优势。

以高精度差错为0.1mm例，表2给出了三种数控体系板材定位的调整时刻。数据标明，在X方向上，高速数控体系的板材运动调理时刻较FAGOR数控体系削减20%～32%，较西门子数控体系削减16%～30%。

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