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數控系統發展趨勢

從1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統,到現在已走過了半個世紀歷程。隨著電子技術和控制技術的飛速發展,當今的數控系統功能已經非常強大,與此同時加工技術以及一些其他相關技術的發展對數控系統的發展和進步提出了新的要求。

趨勢之一:數控系統向開放式體系結構發展

20世紀90年代以來,由于計算機技術的飛速發展,推動數控技術更快的更新換代。世界上許多數控系統生產廠家利用PC機豐富的軟、硬件資源開發開放式體系結構的新一代數控系統??攀教逑到峁故故叵低秤懈玫耐ㄓ瞇?、柔性、適應性、可擴展性,并可以較容易的實現智能化、網絡化。近幾年許多國家紛紛研究開發這種系統,如美國科學制造中心(NCMS)與空軍共同領導的“下一代工作站/機床控制器體系結構”NGC,歐共體的“自動化系統中開放式體系結構”OSACA,日本的OSEC計劃等??攀教逑到峁箍梢源罅坎捎猛ㄓ夢⒒際?,使編程、操作以及技術升級和更新變得更加簡單快捷??攀教逑到峁溝男亂淮叵低?,其硬件、軟件和總線規范都是對外開放的,數控系統制造商和用戶可以根據這些開放的資源進行的系統集成,同時它也為用戶根據實際需要靈活配置數控系統帶來極大方便,促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛應用,開發生產周期大大縮短。同時,這種數控系統可隨CPU升級而升級,而結構可以保持不變。

趨勢之二:數控系統向軟數控方向發展

現在,實際用于工業現場的數控系統主要有以下四種類型,分別代表了數控技術的不同發展階段,對不同類型的數控系統進行分析后發現,數控系統不但從封閉體系結構向開放體系結構發展,而且正在從硬數控向軟數控方向發展的趨勢。

傳統數控系統,如FANUC 0系統、MITSUBISHI M50系統、SINUMERIK 810M/T/G系統等。這是一種專用的封閉體系結構的數控系統。目前,這類系統還是占領了制造業的大部分市場。但由于開放體系結構數控系統的發展,傳統數控系統的市場正在受到挑戰,已逐漸減小。

“PC嵌入NC”結構的開放式數控系統,如FANUC18i、16i系統、SINUMERIK 840D系統、Num1060系統、AB 9/360等數控系統。這是一些數控系統制造商將多年來積累的數控軟件技術和當今計算機豐富的軟件資源相結合開發的產品。它具有一定的開放性,但由于它的NC部分仍然是傳統的數控系統,用戶無法介入數控系統的核心。這類系統結構復雜、功能強大,價格昂貴。

“NC嵌入PC”結構的開放式數控系統 它由開放體系結構運動控制卡和PC機共同構成。這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU,具有很強的運動控制和PLC控制能力。它本身就是一個數控系統,可以單獨使用。它開放的函數庫供用戶在WINDOWS平臺下自行開發構造所需的控制系統。因而這種開放結構運動控制卡被廣泛應用于制造業自動化控制各個領域。如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC-NC數控系統、日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC 64構造的MAZATROL 640 CNC等。

SOFT型開放式數控系統 這是一種最新開放體系結構的數控系統。它提供給用戶最大的選擇和靈活性,它的CNC軟件全部裝在計算機中,而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡和相應的驅動程序一樣。用戶可以在WINDOWS NT平臺上,利用開放的CNC內核,開發所需的各種功能,構成各種類型的高性能數控系統,與前幾種數控系統相比,SOFT型開放式數控系統具有最高的性能價格比,因而最有生命力。通過軟件智能替代復雜的硬件,正在成為當代數控系統發展的重要趨勢。其典型產品有美國MDSI公司的Open CNC、德國Power Automation公司的PA8000 NT等。

趨勢之三:數控系統控制性能向智能化方向發展

智能化是21世紀制造技術發展的一個大方向。隨著人工智能在計算機領域的滲透和發展,數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經網絡的控制機理,不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等功能,而且人機界面極為友好,并具有故障診斷專家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置,能自動識別負載并自動優化調整參數。

世界上正在進行研究的智能化切削加工系統很多,其中日本智能化數控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。

趨勢之四:數控系統向網絡化方向發展

數控系統的網絡化,主要指數控系統與外部的其它控制系統或上位計算機進行網絡連接和網絡控制。數控系統一般首先面向生產現場和企業內部的局域網,然后再經由因特網通向企業外部,這就是所謂Internet/Intranet技術。

隨著網絡技術的成熟和發展,最近業界又提出了數字制造的概念。數字制造,又稱“e-制造”,是機械制造企業現代化的標志之一,也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術的大量采用,越來越多的國內用戶在進口數控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。

數控系統的網絡化進一步促進了柔性自動化制造技術的發展,現代柔性制造系統從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網絡集成制造系統)的方向發展。柔性自動化技術以易于聯網和集成為目標,同時注重加強單元技術的開拓、完善,數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結,向信息集成方向發展,網絡系統向開放、集成和智能化方向發展。

趨勢之五:數控系統向高可靠性方向發展

隨著數控機床網絡化應用的日趨廣泛,數控系統的高可靠性已經成為數控系統制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言,如果要求在16小時內連續正常工作,無故障率在P(t)=99%以上,則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對某一臺數控機床而言,如主機與數控系統的失效率之比為10:1(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統的MTBF就要大于33333.3小時,而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。如果對整條生產線而言,可靠性要求還要更高。

當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上,驅動裝置達30000小時以上,但是,可以看到距理想的目標還有差距。

趨勢之六:數控系統向復合化方向發展

在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上,為了盡可能降低這些無用時間,人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上,因此,復合功能的機床成為近年來發展很快的機種。

柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后,機床便能按照數控加工程序,自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工,以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。

普通的數控系統軟件針對不同類型的機床使用不同的軟件版本,比如Siemens的810M系統和802D系統就有車床版本和銑床版本之分。復合化的要求促使數控系統功能的整合。目前,主流的數控系統開發商都能提供高性能的復合機床數控系統。

趨勢之七:數控系統向多軸聯動化方向發展

由于在加工自由曲面時,3軸聯動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削,進而對工件的加工質量造成破壞性影響,而5軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比較簡單,并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速,從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率,因此,各大系統開發商不遺余力地開發5軸、6軸聯動數控系統,隨著5軸聯動數控系統和編程軟件的成熟和日益普及,5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發熱點。

最近,國外主要的系統開發商在6軸聯動控制系統的研究上已經取得和很大進展,在6軸聯動加工中心上可以使用非旋轉刀具加工任意形狀的三維曲面,且切深可以很薄,但加工效率太低一時尚難實用化。

電子技術、信息技術、網絡技術、模糊控制技術的發展使新一代數控系統技術水平大大提高,促進了數控機床產業的蓬勃發展,也促進了現代制造技術的快速發展。數控機床性能在高速度、高精度、高可靠性和復合化、網絡化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長足的進步。現代制造業正在迎來一場新的技術革命。

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