国际数控系统前沿技术分析

国际数控系统前沿技术分析1946年第一台计算机在美国诞生，1952年第一台数控机床也在美国诞生。自此，数控技术紧跟着电子技术和计算机技术的发展而发展。近50多年来，数控技术已经历了八代，可分为以下四个发展阶段：硬件数控阶段（1952～1970），计算机数控系统的发展和完善阶段（1970～1986），高速高精度CNC的开发与应用阶段（1986～1994），基于PC的开放式CNC的开发与应用（1994～）。1.基于PC的开放式CNC的开发与应用（1994～）从20世纪90年代开始，个人计算机（PC）的性能提高很快，从8位、16位发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入第八代基于PC的CNC系统阶段。1994年，这种基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。PC的引入不仅为CNC提供了十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为CNC的开放提供了基础。此阶段数控系统的特点是计算机的开放性与兼容性，技术特点为：PC技术，Windows操作平台（并能在最短的时间内采用计算机发展的新成果）；技术支持为大量的硬件板卡厂商和大量的应用软件开发公司。开放式数控系统发展很快，目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今数控系统大致可分为4种类型：（1）传统数控系统如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、Siemens810系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户作人机界面，但必须使用专门的开发工具，耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改编和修改，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统占领的市场已逐渐减小。（2）“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统这种系统的基本结构为CNC+PC主板，即把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运用非实时控制，或CNC作为数控功能运行，而PC板作为用户的人机接口平台。如FANUC18i、16i系统等数控系统。尽管它也具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。（3）“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入PC中，PC将实现用户接口、文件管理以及通信等功能，NC插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制，如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统等。（4）SOFT型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WindowsNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。数控系统技术发生的根本性变革体现在：数控系统体现结构由专用型封闭式向通用型开放式发展；数控系统的性能、功能向实时智能化、高速、高精、高效发展；数控系统的结构向超薄型、超小型发展；数控系统在网络化基础上，与CAD/CAM集成为一体，向满足FMC、FMS、CIMS对基层设备需求，实现了中央集中控制的群控加工发展。2.数控系统的发展趋势——性能方面（1）加工控制高速、高精、高效和高可靠性速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RlSC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化性能已大大提高。加工速度和加工精度是衡量CNC系统性能的主要指标。随着现代微电子技术的发展，当今先进的CNC系统都已完成了由16位处理器向32位微处理器的过渡。不少系统通过配置多微处理器实现分散处理，采用实时多任务操作系统进行并行处理等措施，进一步提高系统的数据处理速度，为高速高精度加工控制指标的实现创造了必要的条件，使得高速进给运动控制中的自适应平滑升降速控制、自由曲线加工的内部矢量精插补等复杂算法得以实现，系统的控制指标大幅度提高。由于数控系统采用模块化设计，采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路，多CPU分布式控制结构以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，大大提高了系统的集成度、柔性化和软硬件运行速度，保证系统满足高速、高精、复合加工和多轴化的要求。数控机床加工的输入信息主要是刀具的轨迹和刀具相对工件运动的速度，其输出是机械零件。为了避免输入信息在传递过程中受阻塞、失真、延时，保证整个信息流高速而不畸变的流动和转化成刀具或工作台运动，就要采取一定的措施。主要在CNC系统内采用了最新电子及控制技术：为了防止扰动，集中开发数字滤波器技术，以消除机械的谐振，提高伺服系统的位置增益；采用前馈控制，补偿由于伺服滞后所产生的误差；适当地控制进给率和采用恰当的加减速曲线以减小加减速滞后所产生的误差；减少电动机和控制单元的大小，提高编码器的分辨率；主轴电动机采用同步电动机（较适应于齿轮机床）；伺服控制采用交流数字控制技术，具有很高的电流检测精度，采用相应的硬件可以产生所谓“纳米控制”（也就是在系统检测分辨率为1mm时，插补分辨率可以提高到1nm）。数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性，衡量可靠性重要的量化指标是平均无故障工作时间（MeantimeBetweenFailures，MTBF）。高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级上。但也并非可靠性越高越好，仍要适度可靠。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到3000h以上，表现出非常高的可靠性。（2）体系结构智能化、柔性化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程，简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断与维修等。为实现控制系统的智能化，必须引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等智能控制技术，实施系统和人工智能相互结合，数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和大局自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测、动态前馈功能，在位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能提高。目前制造业中使用的CNC系统，大多是基于专用计算机设计而成的，这给系统的使用维护、更新换代、系统集成带来很多不便。随着PC技术的引入以及PC文化的启迪，越来越多的系统开发商以及工业界认识到基于模块化、标准化、开放化的柔性化结构体系对CNC技术发展的重大意义。这有利于共享通用的硬软件资源和集中一致的测试服务，节省开发与维护的费用。当使用环境变更或技术变更时，能通过扩展、升级和增强的方法迅速满足新的需求。因而是一种最富活力的体系结构，代表了CNC的发展方向。控制系统柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能根据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。因此，数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：一方面从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面注重向应用性和经济性发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术，其重点以提高系统的可靠性、实用性为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单元向高精度、高速度、高柔性方向发展；数控机床及其柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS连接，向信息集成方面发展；网络系统向开放、集成和智能化方面发展。3.数控系统的发展趋势——功能方面（1）用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包括非专业用户的使用。高档数控系统发展对图形化界面的功能和水平要求进一步提高，用户希望看到更丰富、更形象、更直观的界面，人们可以通过窗口和菜单进行操作，提高编程和加工效率。图形化界面包括两个方面的内容：一是界面控件的图形化；二是界面内容，主要指加工过程的三维实时仿真。Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体技术对实现用户界面图形化提供了实现的技术，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真。（2）科学计算可视化信息交流不再局限用文字和语言表达，科学可视化技术的应用，使得数据处理和解释数据变得更为高效，使信息交流可以直接使用图形、动画等各种可视化信息。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD／CAM、自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿及加工过程的可视化和仿真演示。（3）插补或补偿多样化将可视化技术和虚拟技术结合起来，使得其应用范围进一步拓宽，从而大大提高了数控系统的通用性。多种直线、曲线、曲面插补技术的应用，如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲线插补、螺纹插补、极坐标插补、NURBS（非均匀有理0样条插补）、样条插补（A，B，C样条）等，以及多种补偿技术，如垂直度补偿、温度补偿、误差补偿、前馈补偿、间隙补偿等方法的应用，使得系统能够高效处理数据和解释数据。（4）工序和功能复合化数控机床的发展已模糊了粗、细加工工序的概念。为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。比如一个圆柱体要进行圆柱表面的车削、镗中心孔，以及在圆柱表面上铣沟槽。将这些加工都安排在同一台数控机床上完成，能大大提高生产率。因此，对于复合数控机床，首先需要增加可以用于复合加工的功能，比如铣床需要增加螺锥线功能、螺旋线功能、三维圆弧功能、刀具中点控制。另外，刀具补偿功能也需要既有车加工又有铣加工的功能。除此之外，这种机床还经常需要高速加工。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控技术的进步提供了多轴和多轴联动控制，如FANUC15系统的可控轴数和联动轴数为2~15轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。4.数控系统的发展趋势——功能方面（1）集成化和模块化对于高性能系统，由于分辨率的增高、控制算法复杂性的增加以及处理能力要求苛刻，对CPU的处理能力提出了很高的要求。为了满足这一要求，对于高端系统均采用了多个高性能的处理器。采用多处理器的结构后，各CPU分工合作提高了系统的计算速度、插补速度及对现场输入输出设备、各种控制信息等的管理、处理速度，提高了数控系统的整体性能，而且数控设备也变得更加灵活和精巧。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路及专用集成电路芯片，提高数控系统的集成电路密度和软硬件运行速度及系统的可靠性。而且，将CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通信等模块做成标准的系列化产品，构成不同档次的数控系统，从而实现数控系统的集成化和标准化。（2）串行总线接口随着数控机床速度和精度的不断提升，传统脉冲和模拟接口