08-CIMS

CNCFMSCIMS穆瑞[e-mail]数控技术的发展动向产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：•自动机床；•组合机床；•专用自动生产线。数控机床的发展动向这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：•初始投资大；•准备周期长；•柔性差。数控技术的发展动向数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。数控机床的发展数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测及精密机械等多学科的最新技术成果而发展起来的完全新型的机床，标志着机械制造业进入了数字化的时代。数控系统经历了从硬件数控到计算机数控两个阶段；从电子管到基于个人计算机平台的数控六代的发展；控制轴数已由单轴的点位控制，两轴联动发展到五轴以上联动。数控机床正向高速化、高精度化和高智能化方向发展，数控系统必须能够高速计算和处理伺服系统的位移量并做出快速相应。一、数控关键技术的发展历程1.电子元件技术的发展1947年美国贝尔实验室诞生了晶体管，1958年美国德克萨斯仪器公司发明了集成电路，从此微电子技术突飞猛进。微处理器性能(按芯片上的晶体管数量定义)每18个月翻一番；不断缩小特征尺寸，以增加芯片上晶体管的数量，从而也提高了电路的处理速度。60年代每块晶片(10cm2)有1O个晶体管，70年代后每10年增加10OO倍。集成电路发明后40年晶体管的尺寸降低了100万倍。数控技术的发展已有5O年历史，它是在多种技术交叉的基础上发展起来的。1956年：采用电子管开始研究NC。1959年：采用锗晶体管组成NC。1963年：采用硅晶体管研制出FS22、FS24O等。1969年：采用中小规模IC更新了FSS22O、FS240等。70年代：采用大规模IC推出了一系列CNC系统。1996年：采用最新专用芯片352Pin的微电子工艺BGA(BallGridArray)封装及采用MCM(MultiChipModule)工艺生产的微处理器推出小型化高性能的i系列数控系统。大小只有原有系统的1/4,大大减少了占有的空间，提高了系统的可靠性，也提高了性能。日本FANUC公司2.软件的应用采用存贮器存贮加工零件程序可代替穿孔纸带程序进行加工，这种程序容易显示、检查、修改和编辑。另外，采用软件控制大大增加了系统的柔性，降低系统的制造成本。目前NC系统的软件还外延到CAD/CAM。通过CAD/CAM生成的软件直接送到CNC系统控制机床的运动。数控系统软件完成管理和控制两种工作。管理工作：输入、I/O处理、通信、显示和诊断等。控制工作：译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。3.数控标准的引入NC技术的发展，形成了多个国际通用的标准：ISO（国际标准化组织标准）IEC（国际电工委员会标准）EIA（美国电子工业协会标准）NC技术的发展也要求NC标准不断更新。随着新技术的发展，新的标准也不断出现。八十年代ISO对于DNC定义为“directnumericalcontrol(直接数控)”。其概念为：“此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存贮器发生联系。一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床。九十年代ISO对于DNC定义为“distributednumericalcontrol(分布式数控)”。这样，其概念也发生了本质的变化，具体意义为在生产管理计算机和多个数控系统之问分配数据的分组系统。最近，ISO基于用户的需要和未来信息技术的预测，又在酝酿推出新标准“CNC控制器的数据结构”。它把AMT(先进制造技术)的内容集中在两个主要的级别和它们间的连接；第一级是CAM，为车间和它的生产机械。第二级是上一级，为数据生成系统，由CAD、CAPP、CAE和NC编程系统及相关的数据库组成。自动编程的采用美国空军设计了一种专门用于机械零件数控加工的自动编程语言APT（AutomaticallyProgrammedTools），APT语言用专用语句书写源程序，将其输入计算机，由APT处理程序经过编辑和运算，输出刀具中心轨迹，然后再经过后置处理，把通用的刀位数据转换成数控机床所要求NC程序段格式。从70年代开始出现的图像数控编程技术有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等，从而推动了CAD和CAM向一体化方向发展。图像数控编程系统实质上就是一个集成化的CAD/CAM系统。6.DNC概念的引入及发展DNC概念从“直接数控”到“分布式数控”其本质也发生了变化。“分布式数控”表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模式可扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。在CNC系统增加DNC接口，形成制造通信网络。可以实现：(1)对零件程序的上传或下传；(2)读、写CNC的数据；(3)PLC数据的传送；(4)存贮器操作控制；(5)系统状态采集和远程控制等。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起，使用户与NC生产厂直接通信，大大提高服务质量和效率。7.可编程控制器的采用在7O年代以前，NC控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行。1969年美国DEC公司研制出世界第一台可编程序控制器PLC（ProgrammableLogicController）。1987年IEC把它定义为：“可编程序控制器是一种数字运算电子系统，专为在工业环境下运用而设计。它采用可编程序的存贮器，用于存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类机械或生产过程。可编程序控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计”。8.传感器技术的发展闭环系统的控制精度主要取决于传感器，特别是位置和速度传感器；世界上第一台数控铣床的位置测量元件采用旋转变压器，系统的脉冲当量为O.0125mm；传感器由光学、精密机械、电子部件组成，一般分辨率为0.01mm-0.001mm，测量精度为±0.002mm-0.02mm/m。随着对机床精度要求的不断提高、也对传感器的分辨率和精度提出更高的要求。于是出现了具有“细分”电路高分辨率的传感器，可以构成高精度NC系统，这就为超精控制及加工创造了条件。除此以外，少数高精度机床也应用了激光传感器。9.开放技术的产生1987年美国空军在里根政府支持下，发表了著名的“NGC(下一代控制器)”的计划，首先提出了开放体系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格(SOSAS)”。自1990年开始，在美国海军支持下，国家标准技术研究院提出了“EMC(增强型机床控制器)”由通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出了“OMAC(开放模块体系结构控制器)”，它相似于欧洲的“OSACA(对于自动化系统的开放体系结构)”，等等。NGC计划的目的是建立一个体系模型，并定义模型中各模块的控制功能和接口，确定它们的内部关系规则。NGC的特征是：(1)是否基于工业标准硬件平台和总线结构?(2)对于运动控制软件是否采用工业标准的开放操作系统?(3)能否采用流行的硬件和软件与工厂网络相联结?(4)能否运转流行的软件而不降低机床的性能?(5)能否安装从不同的商家得到的流行硬件?(6)设计或第三方开发者能否应用标准工具和文件格式、编程接口建立用户实时的应用?(7)能否访问和修改所有级别的控制软件?(8)控制商家能否提供文件格式的开发工具，允许访问系统的所有级别?(9)对与I/O的接口，是否控制器使用标准的现场总线?(10)是否可以把控制器与不同厂家的伺服装置相接口?(11)控制器是否可以与多用户广控制的网络相连接?(12)所有的编程是不是采用标准的流行的编程工具?10.制造技术的发展CNC机床的发展建立在NC技术、机械构造技术和制造技术的基础上。这三种技术的进步和发展也互相推动。NC本身的发展也是建立在机械发展的基础上，(1)机械加工速度和精度的提高，要求NC系统的功能不断扩大、改进，完善。(2)机械结构简化与改进及新加工功能的完善，要求NC的软件功能越来越复杂、元部件性能越来越高。(3)机械加工的连续运行，连续、协调，要求NC系统可靠性不断提高。加工和系统信息不但可以控制、管理而且可以通过网络共享。这样就使NC发展到可以进网，连网。二、我国数控产业：1.数控产业我国数控机床生产厂共有100多家，其中能批量生产的企业有42多家；数控系统生产企业约50家；生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统是“一花独秀”。进入90年代以来，我国数控系统的各方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京—法那科、西门子数控(南京)有限公司等合资企业的基本力量。80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统2个阶段，为数控机床的产业化奠定了良好基础。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300个。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平。2.技术状况我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1μm当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。柔性制造技术传统的专用机床和“刚性”自动生产线虽然有很高的生产效率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变，这对于大批大量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更新换代周期短的要求，20世纪70年代以来，随着微电子技术，特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。柔性制造技术柔性制造技术(FlexibleManufacturingTechnology)简称FMT。一、柔性制造技术中“柔性”的概念“柔性”主要是指制造系统对内部及外部环境的一种适应能力。它主要表现为以下几个方面：1．设备柔性指制造系统中能加工不同类型零件所具备的转换能力2．工艺柔性能以多种工艺方法加工某一零件组的能力。3．工序柔性能自动改变零件加工工序的能力。4．路径柔性能自动更变零件加工路径。5．产品柔性产品改变时能经济、迅速的转产。6．批量柔性能在不同批量下运行都能获取经济效益。7．扩展柔性能根据生产的需要组建和扩展生产能力。柔性制造系统(flexibleManufacturingsystem)柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。自20世纪60年代以来，为多品种、小批量生产的需要而兴起的柔性自动化制造技术得到了迅速的发展，作为这种技术具体应用的柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）和柔性制