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现代陀螺技术的发展及应用分析论文

1 现代陀螺技术

有悬浮支承的机电转子陀螺技术。

机电转子陀螺是基于经典力学原理制成的陀螺仪。其原理是利用绕对称轴高速旋转的刚体具有稳定性和进动性的特性来实现对角速度和角偏差的测量。

采用悬浮支撑技术的转子陀螺发展至今已十分成熟，目前单轴液浮陀螺精度已达°/h，采用铍材料浮子后可优于°/h，三浮陀螺的精度优于×10-5°/h，有报道称第四代三浮陀螺的精度甚至可达×10-7°/h。动力调谐陀螺技术体积小、重量轻，是转子陀螺技术上的重大革新，国外产品精度可达°/h。而采用真空静电悬浮技术的静电陀螺，其转子不存在接触摩擦，摩擦干扰力矩几乎趋近于零，是目前公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。

光学陀螺技术。

1) 激光陀螺技术。激光陀螺是基于萨格纳克(Sagnac)效应制成的陀螺。其原理是通过测量两束光波沿着同一个圆周路径反向而行产生的光程差来实现对角速度测量。1963 年，美国Sperry 公司首次成功研制出环形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺，采用激光陀螺技术的捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段。20 世纪90 年代末期，Litton 公司又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺，精度可达°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已达°/h。2)光纤陀螺技术。光纤陀螺与激光陀螺原理相同，不同之处是用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以绕制，因此光纤陀螺的激光回路长度比环形激光陀螺大大增加，检测灵敏度和分辨率比激光陀螺也提高了几个数量级，有效克服了激光陀螺的闭锁问题。美国Northrop Grumman 公司生产的高精度光纤陀螺是FOG 2500，其动态范围最大值100°/s，标度因数 sec，标度因数稳定性1ppm，随机游走°/姨h ，漂移率°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能惯性参考系统中所采用的`光纤陀螺据称是当时能够产品化、性能最好的光纤陀螺，其角度随机游走(ARW)<°/姨h ，漂移率<°/h。

微机械陀螺技术。

20 世纪80 年代后期，由于微米/纳米、微电子机械系统(MEMS)等技术的引入，基于MEMS 工艺的微机械陀螺应运而生。微机械陀螺是基于哥氏效应(coriolis)制成的陀螺。其原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。

微机械陀螺是采用硅体微机械加工技术中的深反应离子刻蚀技术(DRIE)，用化学蚀刻方法在单晶硅片上制成的超小型测角装置。目前国外制造的硅微机械面振动陀螺经补偿后精度已达到1°～10°/h，允许的环境温度可达到-40～85℃，可承受强加速度冲击，在战术武器等中、低精度领域已有批量应用。从整体来看，微机械陀螺目前还仅处在中低精度范畴，今后精度会越来越高。我国的MEMS 研究始于20 世纪90 年代，目前还处于基础理论研究阶段，由于技术、精度水平的限制，产品的性能和稳定性与国外还有较大差距。

新型陀螺技术。

随着对陀螺技术研究的不断深入，如量子陀螺、核磁共振陀螺、超流体陀螺、超导陀螺等新型陀螺不断涌现。比较有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也称原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺从测量机理上可分为原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。其原理与光学陀螺类似，是利用同源原子束形成原子波干涉，产生类似光学的萨格纳克效应，通过测量其相位差实现对角速度测量。实际上就是利用原子波干涉代替光波干涉。由于原子质量远大于光子的相对质量，闭环区域相同的条件下，原子干涉陀螺对旋转的灵敏度要比光学陀螺提高10 个量级以上。原子自旋陀螺则与转子陀螺类似，是利用原子核或电子自旋的动量矩和磁矩在惯性空间具有定轴性来测量角速度。原子陀螺因其超高的精度潜力，有望成为引领未来陀螺更新换代的主导型战略级陀螺。目前美国已开发出精度达到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度惯性导航系统。

2 陀螺技术应用

机电转子陀螺。

目前高精度机电式陀螺(包括液浮陀螺和静电陀螺)是高精度市场的主导产品。高精度液浮陀螺主要用于远程导弹、军用飞机、舰船和潜艇导航系统中，中精度液浮陀螺则在平台罗经、导弹、飞船及卫星中得到应用，而更高精度的三浮陀螺则应用于战略武器和航天领域，如美国应用在远程战略导弹制导浮球平台系统中TGG 型三浮陀螺，一直以来就拥有占有不可动摇的地位。静电陀螺目前仍然是高精度惯性导航系统的首选惯性基准器件，在今后10～20 年内的高性能惯性导航系统领域，高精度静电陀螺仍不可被取代。在我国，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。

光学陀螺。

光学陀螺的全固态，没有旋转和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，信息易数字化等优点，是转子陀螺所无法比拟的，因而光学陀螺已逐步替代了转子陀螺，在中高精度的应用领域中一直占据着主导位置，特别适合捷联式制导系统使用。国外全固态结构、全数字、低功耗的光纤陀螺至今已趋于成熟，覆盖了高、中、低精度范围，在各领域获得普遍应用，成为当今惯性技术领域的主导型陀螺之一。在空间飞行器、舰船等高精度应用领域，光纤陀螺正逐步代替激光陀螺，未来在战略级高精度应用领域也将占有一定的份额，进而逐步取代静电陀螺。

近年来，我国光学陀螺技术进步很快，目前已达到国际先进水平。光纤陀螺、激光陀螺惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。漂移率°～°/h 的新型激光捷联系统被应用于新型战机上;漂移率°/h 以下的光纤陀螺捷联惯导应用于舰艇、潜艇上。

微机械陀螺。

与光学陀螺一样，微机械陀螺从结构上也没有了高速旋转的转子，除具备光学陀螺的大多数优点外，尺寸更小(微米/纳米级)，功耗更低，价格低廉，应用范围更加广泛。

自20 世纪90 年代以来，微机械陀螺已经在超音速战机、巡航导弹、无人侦察机等军事领域得以运用。随着微米/纳米加工技术的进一步发展，随着尺寸和精度的进一步改善，微机械陀螺将取代光纤陀螺，获得较好的应用前景。低成本、体积小、反应快，动态范围大、能适应恶劣环境的优点，使微机械陀螺将会在汽车制造、数码电子设备、飞机辅助导航、生物、医疗、工业器械等民用领域具有更为广阔的市场，有望占领整个中低端市场。

陀螺技术经过几十年的发展，取得了长足进步，为航天、航空、航海事业及武器装备的发展提供了有力的技术支撑。但受材料、微电子器件、精密及微结构加工工艺等基础工业水平的制约，现代陀螺制造技术的发展跟国际上一些发达国家相比有明显的差距，今后还需在产品的精度、可靠性、环境适应性、产品一致性、参数长期稳定性等方面不断改进，尤其要着力加大对陀螺技术基础理论、应用材料、方法工艺的研究力度，提高惯性仪表水平。

钻床 zuànchuáng 加工特点：加工过程中工件不动，让刀具移动，将刀具中心对正孔中心，并使刀具转动(主运动)。 钻床的特点是工件固定不动，刀具做旋转运动，并沿主轴方向进给，操作可以是手动，也可以是机动。 (1) 台式钻床：钻孔一般在13毫米以下，最小可加工毫米的孔，其主轴变速是通过改变三角带在塔型带轮上的位置来实现，主轴进给是手动的。 (2) 立式钻床：立式钻床的主轴不能在垂直其轴线的平面内移动，转孔时要使钻头与工件孔的中心重合，就必须移动工件。因此，立式钻床只适合加工中小型工件。 (3) 摇臂钻床：适用于加工大型工件和多孔工件，有一个能绕立柱作360度回转的摇臂。 补充一下： 1.概 述 钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下列类型： (1)台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。 (2)立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。 (3)摇臂钻床：摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。它适用于大件和不同方位孔的加工。 (4)铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。 (5)深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。 (6)平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。 (7)卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。 2.检验标准 钻床相关标准与其他金属切削机床相关标准大体相同，其专用标准有：《金属切削机床术语钻床》，GB2815-89、JB/T5763-91《钻床联接尺寸标准》，GB9461-88、JB/Z108-89《摇臂钻床参数及系列型谱标准》，GB4017-97、JB/T6335-92《摇臂钻床精度及技术条件》，JB/GQ1092-86、JB/GQ1087-86《滑座摇臂钻床精度及技术条件》，～、JB/T6336-92《万向摇臂钻床精度及技术条件》，GB2813-89、JB/Z13689《台式钻床参数及系列型谱》，JB5756-91《台式钻床主轴端部》，JB/T5764-91《台式钻床主轴技术条件》，JB5246-91《台式钻床精度》，JB/T3061-92《台式钻床技术条件》，GB2814-89、JB/Z125-89《立式钻床参数及系列型谱》，GB4019-97、JB/T3769-93《方柱立式钻床精度及技术条件》，GB4018-83、JB/T3768-93《圆柱立式钻床及技术条件》，JB3756-84《轻型圆柱立式钻床精度》，JB4148-85《十字工作台立式钻床精度》等，出口产品不得低于一等品。 3.检验项目 除按相关标准和相应标准检验外，其专业标准的主要检验项目有： ①底座工作台面的平面度。 ②工作台面的平面度(摇臂钻无此项)。 ③工作台跳动(摇臂钻无此项)。 ④主轴锥孔轴线的径向跳动。 ⑤主轴回转轴线的径向跳动。 ⑥主轴回转轴线对底座工作面垂直度。 ⑦主轴套筒垂直移动对底座工作面垂直度。 ⑧主轴在主轴轴向力作用下主轴轴线对工作台面垂直度的变化。 此外，摇臂钻床还应检验： ①摇臂转动对底座工作面平行度。 ②夹紧立柱和主轴箱时主轴轴线的位移量。精度检验时必须参照JB2670-82《金属切削机床精度检验通则》进行。

数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析摘要：高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动，其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法，并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置，并用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。关键词：旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0 前言高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统（即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节，把传动链的长度缩短为零。）广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单，运行可靠，通过在结构上采取措施，如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等，可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2，重量轻60%，转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到，传统驱动系统由于传动环节的存在，控制环节的受力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直接驱动伺服系统，负载与控制环节之间几乎是直接相联，没有传动链的缓冲，因此控制环节受力较大，对扰动比较敏感，这可能会对系统的动态性能造成影响；同时，摆头与转台的特点是要承受低速大负载，因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此，对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言，其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制，其建立控制模型的基础是经典控制理论，即对系统使用传递函数加以描述，将某个单变量（如转速等）作为输出，直接和输入（如电压等）联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量，而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的，因而不能包含系统的所有信息，不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统，其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反映系统全部独立变量的变化，确定系统全部内部运动状态，方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系，尤其适合应用于非线性、多输入－多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型，并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析，为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系（d－q轴系）中永磁同步电动机定子磁链方程为：（1）其中：——转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感；、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为： （2）其中， 、——定子电压矢量us的d、q轴分量；w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为： （3）电动机转矩系数Kt 为：Kt ＝ pmyr此外，电动机系统还要满足基本运动方程：（ 4）其中，n ——电动机转速；wr ——转子机械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制，一般要求id=0，但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等于0，但id的实际值并不一定总是等于0（特别是在动态过程中）。同时，ud的实际数值也不会等于0。因此，必须将ia也作为状态变量，将md 也作为控制变量，由控制器根据所有状态变量（包括id）的取值进行控制。因此取状态变量 ，q 为转子位置角。将（1）式带入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，则永磁同步电机的状态方程为( ) ：(5)由此可见，该系统是一个非线性时变系统，且在系数矩阵中含有wr，id，iq状态变量的交叉相乘项，因此需要进行系统解耦，令因此采取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系统可化为线性系统。取ud，uq 为控制量，负载转矩TL 作为扰动处理，因此单独提出，则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式，则原系统化为：(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下：则系统状态空间方程为： 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型，系统的传递矩阵为： 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得，系统的能控矩阵秩为4，满秩，则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4，满秩，则系统状态是完全可观测的。 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统，其系统稳定的充分必要条件是：系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'= *[0 - + ]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零，因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4，满秩，因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是：首先求一状态反馈，使得其闭环系统对某一输入（例如第一个输入）是能控的，再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为： *[ + ]（1）构造Q、S 矩阵。，由系统可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 为Q-1 的最后一行向量。（2）先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为，所期望的特征多项式为，则增益阵为:（3）求化为能控标准型的变换矩阵T，即则增益阵返回原坐标系为（4）使原系统（A，B）实现极点配置的状态反馈为: 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应：图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）：图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见，通过极点配置使系统稳定，且对各种输入信号的响应有很大改善，具有很好的跟踪性能，这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统，可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来，并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型，运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算，分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性，通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定，使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。参考文献：[1] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.[2] 张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[3] 李三东,薛花.基于Matlab永磁同步电机控制系统的仿真建模[J].江南大学学报,2004,(2):115-120.[4] 杨平,马瑞卿,张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统的建模仿真方法 [J].沈阳工业大学学报,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇启春,张建军,杜京义.现代控制理论基础[M].北京大学出版社,2006.[6] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社,2006国物流管理逐渐走向社会化和供应链化的形势下，必须接合具体企业的物流运作管理实际，根据精益物流的基本原则和企业信息化状况，通过理论与应用的研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上不断修改和完善，不断地进行研究和实践，以此来推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考文献：[1] 乌跃.论精益物流系统[J].中国流通经济,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麦克, (英)丹尼尔·T. 琼斯, 沈希瑾,张文杰,李京生.精益思想:消灭浪费,创造财富[M].北京:商务印书馆,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都经济贸易大学出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技术,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4): 在机床数控改造中的典型应用邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0 前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5～6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M]

文献综述是对某一方面的专题搜集大量情报资料后经综合分析而写成的一种学术论文，它是科学文献的一种。格式与写法文献综述的格式与一般研究性论文的格式有所不同。这是因为研究性的论文注重研究的方法和结果，特别是阳性结果，而文献综述要求向读者介绍与主题有关的详细资料、动态、进展、展望以及对以上方面的评述。因此文献综述的格式相对多样，但总的来说，一般都包含以下四部分：即前言、主题、总结和参考文献。撰写文献综述时可按这四部分拟写提纲，在根据提纲进行撰写工。前言部分，主要是说明写作的目的，介绍有关的概念及定义以及综述的范围，扼要说明有关主题的现状或争论焦点，使读者对全文要叙述的问题有一个初步的轮廓。主题部分，是综述的主体，其写法多样，没有固定的格式。可按年代顺序综述，也可按不同的问题进行综述，还可按不同的观点进行比较综述，不管用那一种格式综述，都要将所搜集到的文献资料归纳、整理及分析比较，阐明有关主题的历史背景、现状和发展方向，以及对这些问题的评述，主题部分应特别注意代表性强、具有科学性和创造性的文献引用和评述。总结部分，与研究性论文的小结有些类似，将全文主题进行扼要总结，对所综述的主题有研究的作者，最好能提出自己的见解。参考文献虽然放在文末，但却是文献综述的重要组成部分。因为它不仅表示对被引用文献作者的尊重及引用文献的依据，而且为读者深入探讨有关问题提供了文献查找线索。因此，应认真对待。参考文献的编排应条目清楚，查找方便，内容准确无误。关于参考文献的使用方法，录著项目及格式与研究论文相同，不再重复。

数控机床诊断维修方法经验浅述X 摘要:本文就近几年来在对进口数控设备的维护中,逐渐学习并掌握了CNC 系统的一些故障规 律和快速诊断方法进行了整理。意在使其更好地为数控设备的使用与维修服务提供借鉴。 关键词:数控机床;诊断维修;方法 随着发达国家先进技术和装备的不断引进,使 我们设备维护人员的维修难度越来越大,这是不可 否认的事实。但怎样尽快适应和掌握它,是我们应 该认真探讨并急需解决的课题,下面就自己多年的 维修经验谈一点个人体会。 笔者近年引进的日立精机VA 一65 和HC 一 800 两台加工中心,不但具有交流伺服拖动、四轴联 动功能,而且还配有磁栅全闭环位置反馈及自动测 量、自动切削监视系统,其CNC 是当时国际上最先 进的FANUC 一11M 系统。运行11 年来,虽然随 着使用年限的增长,一些元器件的老化、故障期的到 来,特别是加工任务的增多,设备每天24h 不停机的 运转,出现了几乎每周都有故障报警的现象。但为 保证任务的按期完成,我们在没有经过国内外培训 且图纸资料不全的条件下,在无数次的维修测试中, 认真分析故障规律,不断积累有关数据,逐渐掌握维 修要领,尽量在最短的时间内查出故障点,用最快的 速度修复调整完成。以下从几方面论述快速诊断和 维修数控设备的方法: 1 先观察问询再动手处置 首先看报警信息,因为现在大多数CNC 系统都 有较完善的自诊断功能,通过提示信息可以马上知 道故障区域,缩小检测范围。像一次HC 一800 卧 式加工中心在运行中出现5010 # spindle drive unit alarm 报警。我们根据提示信息马上按顺序检查了 主轴电机及其执行元件、主轴控制板,查明过流断路 点后恢复正常,仅用20min 完成。但从我们的经验 中也有受报警信息误导的例子,因此说可依据它但 不能依赖它。 故障发生后如无报警信息,则需要进一步用感 官来了解设备状态,最重要的就是向操作人员问询 故障发生的前因后果。同样是该设备,有一次其 APC 系统在防护罩没有打开情况下B 轴突然旋转 起来刮坏护罩,这一现象以前从未出现过。经我们 现场仔细询问操作过程,清楚了故障经过:原来操作 人员先输入了M60 指令,使_bPm_ APC 系统程序运行(更 换旋转工作台) ,当执行元件失控中途停机后,又进 行了手动状态下的单步指令操作。当时M60 并没 有删除,使其执行元件恢复正常后继续了原程序动 作。经认真了解并仔细分析后,我们立刻清除所有 原设定的指令,检测并更换了失控元件,避免了更大 故障的发生。根据报警信息和故障前的设备状态, 来判断故障区域,争取维修时间。 2 遵循由外到里,由浅入深的检修原则 笔者对加工中心多年的维修经历来看,大多数 故障根源都是来自于外部元器件,因其受外界因素 影响较大,象机械碰撞磨损、冷却液腐蚀、积尘过多、 润滑不良等,使这些年久失修的元器件处于不完好、 不可靠状态,成为设备故障的最大隐患。像各轴经 常出现的超程报警、零点复归误差、位置信号不反馈 等,都是一些磁性或机械式开关失灵造成。还有的 故障也是出现在电磁阀、电机和经常伸缩的电缆上。 像HC 一800 的一次B 轴旋转不到位或有时根本不 旋转故障,报警提示为: feed axis fault (APC com2 mand) ,看起来与命令有关。但我们根据故障现象 还是果断地检查B 轴各行程限位,果然有一撞块与 开关接触不好,经调整后正常。这就避免无目标地 消耗很大精力去查整个CNC 系统,先把重点放在外 部环节上。 这实际上是一种经验上的诊断,如果我们手里 有原理接线图,那就应该正规地按图纸去相应对照, 顺序查找并针对性的去测试电位和波形,还能从中 悟出一些理论上的东西。正是因为没有这个条件, 所以我们在维修中就是遵循从外部到内部、从人为 到系统、由浅入深的原则去进行,这就大大缩短了设 备的停修时间。 3 充分利用PC 图查找故障点 根据报警信息调出与其相关的PC 图进行分析 核对,也是一种诊断的方便途径。一次VA 一65 自 动换刀机械手到位后不执行抓刀指令,我们马上调 出PC 图从各指令开关信号到各进、退、松、紧动作 信号逐一进行对应校验,最后查出机械手旋转到信 号没有发出,原因是由于一磁性接近开关松动移后 不起作用,使下一步抓刀动作无法进行,调整后恢复 正常。 由PC 图查故障点看来比较方便直观,但如果 不了解其内部动作原理和工作程序,那可以说也是 大海捞针,无从下手。特别是无电气原理图就更难 以判断,每个输出动作多达几十个开关条件才能满 足,确实要下很大工夫才能逐步认识并掌握。我们 就是靠平时维修时的日积月累,在不断的了解和运 用它。 4 疑难故障的检测分析和快捷处理 此两台加工中心的一些元器件年久老化,使其参数随温度 或电流的变化而极不稳定,造成故障后能自动恢复 即时好时坏现象,这是我们最为之挠头的故障。因 为搞维修的都知道,元件坏了容易检测,而不正常的 通断情况则很难判断是元件坏了还是线路接触不良 造成,因为无法进行正常的信号检测。如B 轴工作 台换位;刀库进刀口自动打开;B 轴台板夹紧、松开 失灵等故障,其执行元件均是固态继电器接受指令 信号接通后带动电磁阀动作。当检测时可能未见异 常,启动后又可能一切正常,待连续动作几次后又停 机报警。我们根据故障现象及反复周期判定应该是 执行元件性能下降造成,因图纸不详、标识不清,只 能将关联的一组执行元件在正常和异常的情况下分 别进行检测,经反复测试后,最后从30 多只继电元 件中分别查出并更换了其性能下降的元件。 一次HC 一800 B 轴原点复归失控,指令发出 后旋转不停,没有报警信息。经现场了解分析,首先 认定应该是B 轴零点检测系统故障,而该系统是由 一只磁性接近开关发出到位信号后控制执行元件减 速停车。我们马上对这一信号进行线路测试,结果 无信号发出,人为设定一个到位信号则准确复归停 车,确认检测开关到设定信号点这一段有故障。但 如果想直接检测接近开关则必须将B 轴和与其关 联的调轴解体,因为此开关装在B 轴工作台体内。 这样的大结构拆修以前从未干过,测算一下工作量 需半个月时间,而且还要特别精心地对十多根控制 电缆和几十根油管拆除和恢复,这就很难保证拆装 后各部分的精度,但要想解决问题还必须露出这一 开关进行检测和维修。能否用一个简便的方法既能 节省拆装工作量又能拿出这一检测开关,经反复论 证后终于想出一个只拆B 轴端盖和调轴磁尺支架 拿出此开关的方法。虽然电气维修人员拆装、检测 难度很大,但保证了台面不大解体,把后患影响减小 到了最低限度。经实际测试开关、处理断路点原位 安装后恢复了B 轴复归功能,又对拆装后影响到的 调轴位置误差和B 轴定位故障进行了补偿和调整, 一切正常后仅用三天时间即交付使用,保证了试制 加工任务的完成。 5 结语 总之,在处理故障过程中怎样尽快打开思路、进 入状态,缩小检测范围,直触故障根源是维修技术人 员水平高低的关键所在。看似简单的道理却饱含着 方方面面,也是维修人员多年辛勤劳动的结晶。我 们就是在这种高频率故障的压力下,克服了重重困 难,尽力在短时间内解决问题,减少设备停歇台时, 为车型试制做出了我们应有的贡献。 [参考文献] [1 ] 李亚芹,龙泽明,韩阳阳. 数控机床爬行问题的 分析与研究[J ] . 组合机床与自动化加工技术, 2006 , (10) :76～78. [2 ] 卓迪仕. 数控技术及应用[M] . 北京:国防工出 版社,1997.

楼主,你的问题范围太广本人先简单给你分析下吧:深孔钻床发展概况: 广泛地在我国纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、航空航天、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的深孔加工得到应用。 基本上可以分三大类: （一）普通型单座标深孔钻床。 我国于1989年我公司的前身德州机床厂为了满足国内加工的需要，自行设计制造了最大钻孔直径20毫米、最大加工深度500、1000毫米的Z2102型深孔钻床，这是我国第一台利用枪钻法钻削的深孔钻床，1990年通过原机械工业部部级鉴定，并评为国家级新产品，填补国内空白，真正投入市场用于生产是在半年以后，中间经过用户批量试验认同，才逐渐推上市场，到目前我公司仅深孔钻床产品年产值已达千万元。该产品已由普通继电器控制的Z2102、可编程控制器控制的ZP2102、发展到现在由电气数字控制系统控制和应用其他先进技术的ZK2102、ZK2102A，其中为了提高加工效率,满足大批量生产的要求,又开发了双主轴的ZP2102X2、ZK2102X2数控深孔钻床系列及其他专机等。 上世纪70年代初，深孔钻床在世界上还是采用普通继电器控制的。如70年代~80年代进入我国的美国的ELDORADO公司的MEGA50，德国TBT公司的T30-3-250，NAGEL公司的B4-H30-C/L，日本神崎高级精工制作所的DEG型等深孔钻床都是采用继电器控制的。80年代后期由于数控技术的出现才逐渐开始在深孔钻床上得到应用，特别是90年以后这种先进技术才得到推广。如TBT公司90年代初上市的ML系列深孔钻床除进给系统由机械无级变速器改为采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠副，进给用滑台导轨采用滚动直线导轨以外，钻杆箱传动为了保证高速旋转、精度平稳，由交换皮带轮及皮带，和双速电机驱动的有级传动变为无级调速的变频电机到电主轴驱动，为钻削小孔深孔钻床和提高深孔钻床的水平质量创造了有利条件。这可以从下述对比的几项主要技术参数看出，深孔钻床发展情况:（ML系列是近期的、T30系列是过去的） 型号项目 ML200 ML250 T30-3-250 单位 钻孔范围 1轴 2~25 4~18 mm 2轴 2~18 mm 3轴 1~11 1~11 mm 4轴 1~10 1~10 mm 进给速度范围 0~15000(无级) 0~15000(无级) 35~320(无级) mm/min 主轴功率 KW 快速移动速度 15000 15000 3500 mm/min 主轴转速 1000~24000(无级) 1000~9000(无级) 1375~6100(无级) r/min ① 钻削孔径向小方向延伸，说明技术含量高，质量要求严格。 ② 主轴向多轴发展,可以同时加工多件工件，提高加工效率。③主轴转速高，应用先进的电主轴，运转平稳、精度提高。④进给速度范围广且大，因此深孔钻床这些年来由于先进技术的应用，水平提高很快。 （二）专用型深孔钻床。 近些年来为了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或与加工零件中心线成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各个国家而专门开发研制多种专用深孔钻床。例如专门为了加工曲轴上的油孔，连杆上的斜油孔，平行孔和饲料机械上料模的多个径向出料孔等。如：TBT公司生产的特别适用于加工摩托车到轻型卡车的各种中小型曲轴油孔的BW200-KW深孔钻床；特别适用于大中型卡车曲轴油孔的BW250-KW深孔钻床，它们均具有X、Y、Z、W四轴数控。该公司为了客户需要,在一条生产线上可以加工多种不同品种的曲轴油孔，于2000年设计制造了第一台柔性曲轴加工中心，可以加工2～12缸不同曲轴上所有的油孔。英国MOLLART公司生产制造的专为加工颗粒挤出模具而开发的具有六等分六根主轴同时加工同一工件上六个孔的专用深孔钻床。该工件孔数量多达 36000个。全都是数控系统控制的。 （三）三座标数控深孔钻床。 随着家电市场销售量增大，塑料制品增长速度加快，塑料模具制造业蓬勃发展，深孔钻床为了满足模具上的水孔、射销孔等孔系的深孔加工。由过去的单一座标轴的深孔钻床加工发展到需要加工座标孔系的多孔加工而开发的三座标数控深孔钻床近些年来发展很快。1995年我公司为了满足广东美的空调设备有限公司开发了我国第一台为塑料模具上多孔系加工的ZK2103型三座标数控深孔钻床，为了满足模具制造业发展的需要，又开发了除了钻削深孔以外，还可以进行铣削、攻丝等多功能的ZXK2103深孔钻铣中心和三座标数控ZK2103A、ZKA2102型深孔钻床。此类机床世界上有关国家发展很快，不仅有三座标(三轴数控轴)深孔钻床，而且数控轴已发展到四轴、五轴，有的已到六轴的全自动六轴数控枪钻加工中心或数控铣钻中心，它们都有自动换刀装置。前几年存储刀具的刀库只有12把或24把，而且自动换刀装置不包括细长的枪钻，现在不但刀具库存储数量增加，而且枪钻也自动更换之列，这是一个很大的发展。如：德国IXI0N公司的TLF1004型四轴数控（X、Y、Z、B）深孔钻床刀具刀库存储24把，TBT公司的T30/320－1050KT，FTS深孔钻削中心，滚筒式刀具库24把（其中8种不同直径、每种三件），它们的枪钻都不包括在自动换刀之列。现在的英国MOLLART公司的FMC系列全自动六轴数控枪钻加工中心、钻孔直径范围：φ5～φ50mm最大钻孔深度1350mm，除了钻削以外还有铣削、攻丝功能。当刚性攻丝M30满足不了时，还可以用标准铣刀及螺旋铣削方式通过数控插补功能来加工大螺纹，它的自动换刀装置具有90把刀，其中包括长度达到1500 mm枪钻的自动更换，其独到之处是对这长钻头的特殊辅助支承，在加工过程能自动就位和撤回，该机床还有用户化编程软件GE .FANUC数控系统。可编程参数：主轴进给速度、钻孔深度、及对加工工程中进行监控。为了扩大机床加工规格范围，有的深孔钻床既具有枪钻法钻削深孔、铣削平面、刚性攻丝的功能，又具有内排屑钻削（BTA法）钻孔的功能，以便钻削大孔及加大机床柔性。如：德国IX10N公司的1A5TL－1600－5重型深孔钻铣复合加工中心，五轴数控其主要技术参数：钻孔直径范围：φ3～φ36（65）mm，其中大于φ35mm的孔径可用BTA法进行钻削。一次钻削深度1600mm，最大钻削深度2100mm，铣削能力250（400）cm3/min，主轴转速300（75）～6000r/min，五轴数控：W、X、Y、Z、B、A（-25°～+15°），按“A”其中W－钻铣单元水平移动；X－工作台横向移动；Y－钻铣单元垂直移动；Z－立柱纵向移动；B－工作台旋转；A－钻铣单元摆动。再如德国TBT公司的MD30-KW深孔钻铣床，其主要技术参数：钻孔范围：φ4～φ25mm，最大钻削深度1000mm，铣削能力350cm3/min，麻花钻钻孔最大φ30mm，攻丝M24X3, 数控轴数：X、Y、Z、W、B、A还有C轴，此机床具有很大的柔性，除了加工垂直于平面上的和斜面上钻削深孔以外，还可以利用“C”轴对曲轴上任何位置上的油孔进行钻削。 近些年来，除深孔钻床有很大发展以外，深孔钻枪本身也有很大变化。过去枪钻规格一般为φ2～φ30mm左右，现在已发展到φ～φ40mm甚至到50mm.。德国BOTEK公司的枪钻规格已标准化到φ～φ50mm，特别是其中大于φ18mm的钻头可用机夹刀头，它是一种不重磨钻头，刀刃磨损后转位、刀片磨损后更换刀片或导向垫，不会伤害或废弃刀杆、刀柄等。 综上所述现代利用枪钻钻削深孔的机床及刀具与其他机床一样发展很快，向数控多轴化、多功能化发展，不久的将来环保型的深孔钻床亦将陆续出现。以减少或消除油烟雾对人体的影响。 印制板数控钻床的发展: 参考资料 希望给你带来帮助!