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數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍復(fù)蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)：(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)：(6)軟件技術(shù)等。計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術(shù)的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。

一，數(shù)控技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1 開(kāi)放結(jié)構(gòu)的發(fā)展

數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近50年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為五個(gè)發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模IC數(shù)控，小型計(jì)算機(jī)數(shù)控，微處理器數(shù)控；從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可分為以硬件及連線(xiàn)組成的硬數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件及軟件組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)，后者也稱(chēng)為軟數(shù)控系統(tǒng)：從伺服及控制的方式可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。
數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了加工精度、速度和效率。人類(lèi)發(fā)明了機(jī)器，延長(zhǎng)和擴(kuò)展人的手腳功能：當(dāng)出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)以后，制造廠(chǎng)家逐漸希望數(shù)控系統(tǒng)能部分代替機(jī)床設(shè)計(jì)師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能放進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，
同時(shí)也希望系統(tǒng)具有圖形交互、診斷功能等。首先就要求數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)界面和平臺(tái)開(kāi)放而自由地執(zhí)行和表達(dá)自己的思路。這就產(chǎn)生了開(kāi)放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床制造商可以在該開(kāi)放系統(tǒng)的平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。目前，開(kāi)放系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)：(1)CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要運(yùn)行實(shí)時(shí)控制，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制。(2)PC+運(yùn)動(dòng)控制板：把運(yùn)動(dòng)控制板插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實(shí)時(shí)控制用，而PC機(jī)主要作非實(shí)時(shí)控制。開(kāi)放結(jié)構(gòu)在90年代初形成；對(duì)于許多熟悉計(jì)算機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)廠(chǎng)家，往往采用第(2)方案。但目前主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)家認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，象PC機(jī)存在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠(chǎng)家長(zhǎng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的數(shù)控系統(tǒng)：體系結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)他們?cè)到y(tǒng)的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開(kāi)放結(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。為了增加開(kāi)放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠(chǎng)家往往采用(1)方案，即在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊PC板，提供鍵盤(pán)使用戶(hù)能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機(jī)界面的功能比較典型的如FANUC的150/160/180/210系統(tǒng)。有些廠(chǎng)家也把這種裝置稱(chēng)為融合系統(tǒng)(fusion
system)。由于它工作可靠，界面開(kāi)放，越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎。
2 軟件伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
伺服技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說(shuō)，采用計(jì)算機(jī)控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱(chēng)為“軟件伺服”。它有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)無(wú)溫漂，穩(wěn)定性好。(2)基于數(shù)值計(jì)算，精度高。(3)通過(guò)參數(shù)對(duì)設(shè)定，調(diào)整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國(guó)GATTYS公司發(fā)明了直流力矩伺服電機(jī)，從此開(kāi)始大量采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。但直流電機(jī)存在以下缺點(diǎn)：(1)電動(dòng)機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速、環(huán)境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護(hù)不方便。交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但早期由於控制性能差，所以很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，1971年，德國(guó)西門(mén)子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法；1980年，德國(guó)人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實(shí)用化。從70年代末，數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果把直流電機(jī)進(jìn)行“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置，這就構(gòu)成了永磁無(wú)刷電機(jī)。這種電機(jī)具有良好的伺服性能。從80年代開(kāi)始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上。為了實(shí)現(xiàn)更高的加工精度和速度，90年代，許多公司又研制了直線(xiàn)電機(jī)。它由兩個(gè)非接觸元件組成，即磁板和線(xiàn)卷滑座：電磁力直接作用于移動(dòng)的元件而無(wú)需機(jī)械連接，沒(méi)有機(jī)械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴(lài)于直線(xiàn)反饋系統(tǒng)和分級(jí)的支承，由全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。但由于它的推力還不夠大，發(fā)熱，漏磁及造價(jià)也影響了它的廣泛應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動(dòng)取代直流驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱(chēng)為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運(yùn)算及處理能力的提高，特別是DSP的應(yīng)用，使系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)。大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。
3
CNC系統(tǒng)的連網(wǎng)
數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺(tái)機(jī)床到控制多臺(tái)機(jī)床的分級(jí)式控制需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是進(jìn)行通信，共享信息。這種通信通常分三級(jí)：(1)工廠(chǎng)管理級(jí)。一般由以太網(wǎng)組成。(2)車(chē)間單元控制級(jí)。一般由DNC功能進(jìn)行控制。通過(guò)DNC功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件程序的上傳或下傳：讀、寫(xiě)CNC的數(shù)據(jù)：PLC數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。更高檔次的DNC還可以對(duì)CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序進(jìn)行傳送和分級(jí)管理。CNC與通信網(wǎng)絡(luò)連系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶(hù)與NC生產(chǎn)廠(chǎng)直接通信：進(jìn)而，把制造廠(chǎng)家連系一起，構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡(luò)。(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間單元控制級(jí)及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)及I/0控制、連線(xiàn)控制、通信連網(wǎng)、在線(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠(chǎng)管理層，向工廠(chǎng)級(jí)提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠(chǎng)管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)是實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)大多是基于PLC的分布式系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一，即一個(gè)I/0點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)。所謂I/0接線(xiàn)方式為傳遞4-20ma(模擬量信息)或24VDC(開(kāi)關(guān)量信息)。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：信息集成能力不強(qiáng)、系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)、可靠性不易保證、可維護(hù)性不高?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是面向：工廠(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的主要特點(diǎn)為：它是數(shù)控系統(tǒng)通信向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的延伸、數(shù)字化通信取代4-20ma模擬信號(hào)、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化(可編程或可參數(shù)化)：它集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有開(kāi)放性、互操作性、互換性、可集成性，因此是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)。它對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本非常重要。目前在工業(yè)上采用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco等。有的公司還有自己的總線(xiàn)，比如FANUC的FSSB，I/O
bbbb(相當(dāng)于JPCN—1)，YASKAWA的MOTIONbbbb等。目前比較活躍的是Prof主bus-DP，為了允許更快的數(shù)據(jù)傳送速度，它由0SI的七層結(jié)構(gòu)省去3-7層構(gòu)成。西門(mén)子最新推出802D的伺服控制就是由Profibus-DP控制的。
4
功能不斷發(fā)展和擴(kuò)大
width=200 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600
border=1>






快速移動(dòng)速度(m/min)
分辨率(µm)
240
1
100
0.1
10
0.01
1
0.001

NC技術(shù)經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，已經(jīng)成為制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這里以FANUC最先進(jìn)的CNC控制系統(tǒng)15i/150i為例說(shuō)明系統(tǒng)功能的發(fā)展。這是一臺(tái)具有開(kāi)放性，4通道、最多控制軸數(shù)為24軸、最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為24軸、最多可控制4個(gè)主軸的CNC系統(tǒng)。其快移速度與分辨率關(guān)系如右表。


它的技術(shù)特點(diǎn)反映了現(xiàn)代NC發(fā)展的特點(diǎn)：

  1. 開(kāi)放性：

系統(tǒng)可通過(guò)光纖與PC機(jī)連接，采用bbbbbb兼容軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境。功能以高速、超精為核心，并具有智能控制。特別適合于加工航空機(jī)械零件，汽車(chē)及家電的高精零件，各種模具和復(fù)雜的需5軸加工的零件。15i/150主具有高精納米插補(bǔ)功能；即使系統(tǒng)的設(shè)定編程單位為1µm，通過(guò)納米插補(bǔ)也可提供給數(shù)字伺服以1nm為單位的指令，平滑了機(jī)床的移動(dòng)量，提高了加工表面光潔度，大大減少加工工表面的誤差。當(dāng)分辨率為0.001mm時(shí)，快速可達(dá)240m/min速度；系統(tǒng)還具有高速高精加工的智能控制功能：(1)預(yù)計(jì)算出多程序段刀具軌跡，并進(jìn)行預(yù)處理。(2)智能控制，計(jì)及機(jī)床的機(jī)械性能，可按最佳的允許進(jìn)給率和最大的允許加速度工作，使機(jī)床的功能得到最大的發(fā)揮。以便降低加工時(shí)間，提高效率，同時(shí)提高加工精度。(3)系統(tǒng)可在分辨率為1nm時(shí)工作，適用于控制超精機(jī)械。

  • 高級(jí)復(fù)雜的功能：

15i/150i可進(jìn)行各種數(shù)學(xué)的插補(bǔ)，如直線(xiàn)、圓弧、螺旋線(xiàn)、漸開(kāi)線(xiàn)、螺旋漸開(kāi)線(xiàn)、樣條等插補(bǔ)。也可以進(jìn)行NURBS(非均勻有理B樣條)插補(bǔ)。采用NURBS插補(bǔ)可以人人減少NC程序的數(shù)據(jù)輸入量，減少加工時(shí)間，特別適用模具加工。NURBS插補(bǔ)不需任何硬件。

  • 強(qiáng)力的聯(lián)網(wǎng)通信功能。適應(yīng)工廠(chǎng)自動(dòng)化需要，支持標(biāo)準(zhǔn)FA網(wǎng)絡(luò)及DNC的連接。

(1)工廠(chǎng)干線(xiàn)或控制層通信網(wǎng)絡(luò)：由PC機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)控制多臺(tái)15i/150i組成的加工單元，可以傳送數(shù)據(jù)、參數(shù)等。(2)設(shè)備層通信網(wǎng)絡(luò)：15i/150i采用I/0
bbbb(與日本標(biāo)準(zhǔn)JPCN-1相對(duì)應(yīng)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn))。(3)通過(guò)RS-485接口傳送I/0信號(hào)：或且也可采用Prellbus—DP(符合歐洲1標(biāo)準(zhǔn)EN50170)以12Mbps進(jìn)行高速通信。

  • 具有高速內(nèi)裝的PMC(有的廠(chǎng)商稱(chēng)為PLC)，以減少加工的循環(huán)的時(shí)間：

(1)梯形圖和順序程序由專(zhuān)用的PMC處理器控制，這種結(jié)構(gòu)可進(jìn)行快速大規(guī)模順序控制。(2)基本PMC指令執(zhí)行時(shí)間為：0.085ps；最大步數(shù)：32,000步。(3)可以用C語(yǔ)言編程；32位的C語(yǔ)言處理器可作為實(shí)時(shí)多任務(wù)運(yùn)行；它與梯形圖計(jì)算的PMC處理器并行工作。(4)可在PC機(jī)上進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

  • 先進(jìn)的操作：性和維修性。

(1)具有觸摸面板，容易操作。(2)可采用存儲(chǔ)卡改變輸入輸出

二、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)



  1. 智能化

  2. 網(wǎng)絡(luò)化
  3. 集成化
  4. 微機(jī)電控制系統(tǒng)
  5. 數(shù)字化

三、我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考



  1. 注重系統(tǒng)配套
  2. 注重產(chǎn)品的可靠性
  3. 提倡創(chuàng)新，加強(qiáng)服務(wù)
作者：未知 點(diǎn)擊：1020次 [打印] [關(guān)閉] [返回頂部]
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