高速數(shù)控技術(shù)應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢研究

    工業(yè)發(fā)達(dá)國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù)，建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，促使制造業(yè)跨入一個(gè)新的發(fā)展階段，給國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。數(shù)控機(jī)床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容，它不但是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，還是汽車、石化、電子和現(xiàn)代醫(yī)療裝備等產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的主要手段。特別是數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)的擴(kuò)展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果，足以給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方式及管理模式等帶來深刻的變化。

    一、數(shù)控技術(shù)發(fā)展的3個(gè)階段

    1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在美國誕生，1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床也在美國誕生。自此，數(shù)控技術(shù)緊跟著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。近50多年來，數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了3個(gè)階段、6個(gè)時(shí)代的發(fā)展歷程。

    數(shù)控技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)階段稱為NC階段，這個(gè)階段的數(shù)控技術(shù)發(fā)展又經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)代，即電子管時(shí)代、晶體管時(shí)代和中小規(guī)模集成電路時(shí)代。

    第二個(gè)發(fā)展階段稱為CNC階段。1970年小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng)，這是第4代數(shù)控系統(tǒng)；1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第5代。迄今為止，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都是第5代數(shù)控系統(tǒng)。

    第三個(gè)發(fā)展階段稱為ONC階段。從20世紀(jì)90年代開始，在美國首先出現(xiàn)了在PC機(jī)平臺(tái)上開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，就是所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)，即第6代數(shù)控系統(tǒng)。

    2、第5、第6代數(shù)控系統(tǒng)的比較

    第5代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)的專用性。目前市場上第5代數(shù)控系統(tǒng)的代表是日本的FANUC-0系統(tǒng)和德國的西門子810系統(tǒng)等，其最大特點(diǎn)就是計(jì)算機(jī)的專用性，一套數(shù)控系統(tǒng)就是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，里面有十幾塊甚至幾十塊專用芯片，與標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)不兼容，它們之間也互相不兼容。

    第6代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)的開放性與兼容性。技術(shù)特點(diǎn)為：PC技術(shù)，Win操作平臺(tái)(并能在最短的時(shí)間內(nèi)采用計(jì)算機(jī)發(fā)展的新成果)；技術(shù)支持為：大量的硬件板卡廠商，大量的應(yīng)用軟件開發(fā)公司。

    3、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢

    從目前來看，針對(duì)機(jī)械加工的要求，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要有5個(gè)方面：①基于PC的開放式；②網(wǎng)絡(luò)化(采用TCP／IP通訊協(xié)議)；③數(shù)字化；④多軸聯(lián)動(dòng)；⑤高速高精度。

    目前世界上一些先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)都采用Windows平臺(tái)，如：FANUC 300i、西門子840Di、海德漢TNCi 530等。

    4、采用第6代數(shù)控技術(shù)的典型系統(tǒng)介紹

    4.1 FANUC的新系統(tǒng)

    日本FANUC的控制器具有PC機(jī)及個(gè)人計(jì)算機(jī)功能，如：150i／160i／180i／210i等，解決了第5代系統(tǒng)的封閉性、不兼容性的問題。

    4.2 FANUC的納米數(shù)控系統(tǒng)30i和31i

    納米插補(bǔ)：納米插補(bǔ)產(chǎn)生以納米為單位的指令給數(shù)字伺服控制器，使數(shù)字伺服控制器的位置指令平滑，因而提高了加工表面的平滑性。

    2004年11月的日本東京國際機(jī)床展和2006年3月的上海國際機(jī)床展上，F(xiàn)ANUC展示了30i與31i兩款納米級(jí)數(shù)值控制器，其最小輸入單位為千分之一微米，日本安田工業(yè)已率先采用，目前一般的控制器精度約在0.1μm。

    4.3 西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)

    840Di是全PC集成的更加靈活的開放式數(shù)控系統(tǒng)，建立在標(biāo)準(zhǔn)的微軟新操作系統(tǒng)和帶奔騰處理器(P2)的個(gè)人計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上，CNC控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運(yùn)行，可以省略傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中所需的NC處理單元。這種控制系統(tǒng)包含大量的標(biāo)準(zhǔn)化部件，如帶接口卡的工業(yè)PC機(jī)、PROFIBUS-DP、Windows NT操作系統(tǒng)、OPC(用于過程控制的OLE)用接口和NC控制軟件等。應(yīng)用領(lǐng)域更廣，包括各種機(jī)床以及木制品、建材等機(jī)械，而且可靠性更高，向智能化前進(jìn)了一大步。

    4.4 我國應(yīng)積極采用第6代數(shù)控技術(shù)

    計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展給中國數(shù)控產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的希望和前所未有的機(jī)遇。就采用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新成果而論，我們和世界上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)廠家的差距不太大或基本是平等的，開發(fā)數(shù)控新產(chǎn)品，積極運(yùn)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，會(huì)給企業(yè)帶來生機(jī)。如南京四開公司成功地開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制造出多種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床，滿足了市場的需求。

    我國應(yīng)積極采用第6代數(shù)控系統(tǒng)，這樣可以大大縮小與國際先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展之間的差距。

    5、高速數(shù)控技術(shù)

    高速加工是指主軸的高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度以及高進(jìn)給加速度，還有高的加速度變化率。

    高速加工機(jī)床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速，也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高進(jìn)給速度。為了保證加工輪廓的高精度，機(jī)床還必須具備高的進(jìn)給加速度。因?yàn)橐慌_(tái)高速機(jī)床沒有足夠高的進(jìn)給加速度，是無法高速地進(jìn)行高精度復(fù)雜曲面輪廓的加工，所以要求高速加工的機(jī)床在加工復(fù)雜曲面時(shí)，根據(jù)不同的曲率半徑，在最短的時(shí)間內(nèi)不斷地調(diào)整進(jìn)給速度。

    5.1 高速加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求

    1)需要前瞻預(yù)處理，要求系統(tǒng)具有足夠的超前路徑加減速優(yōu)化預(yù)處理的能力。在高速加工中，為了保證機(jī)床在高速運(yùn)動(dòng)條件下的精度和平穩(wěn)性，系統(tǒng)必須估計(jì)到將要執(zhí)行的一系列空間待加工路徑，并根據(jù)速度預(yù)計(jì)得足夠遠(yuǎn)。

    2)要求系統(tǒng)對(duì)高速采樣截尾誤差的精確預(yù)估，保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

    為了保證直線電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的高精度，數(shù)控系統(tǒng)必須具有高速采樣插補(bǔ)功能。

    3)要求系統(tǒng)具有高的抑制外部擾動(dòng)力的能力即魯棒性。