高速數(shù)控技術應用及未來發(fā)展趨勢研究

    工業(yè)發(fā)達國家通過發(fā)展數(shù)控技術，建立數(shù)控機床產業(yè)，促使制造業(yè)跨入一個新的發(fā)展階段，給國民經濟結構帶來了巨大的變化。數(shù)控機床是世界第三次產業(yè)革命的重要內容，它不但是機電工業(yè)的重要基礎裝備，還是汽車、石化、電子和現(xiàn)代醫(yī)療裝備等產業(yè)現(xiàn)代化的主要手段。特別是數(shù)控技術在制造業(yè)的擴展與延伸所產生的輻射作用和波及效果，足以給機械制造業(yè)的產業(yè)結構、產品結構、制造方式及管理模式等帶來深刻的變化。

    一、數(shù)控技術發(fā)展的3個階段

    1946年第一臺計算機在美國誕生，1952年第一臺數(shù)控機床也在美國誕生。自此，數(shù)控技術緊跟著電子技術和計算機技術的發(fā)展而發(fā)展。近50多年來，數(shù)控技術經歷了3個階段、6個時代的發(fā)展歷程。

    數(shù)控技術發(fā)展的第一個階段稱為NC階段，這個階段的數(shù)控技術發(fā)展又經歷了3個時代，即電子管時代、晶體管時代和中小規(guī)模集成電路時代。

    第二個發(fā)展階段稱為CNC階段。1970年小型計算機開始用于數(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)。

    第三個發(fā)展階段稱為ONC階段。從20世紀90年代開始，在美國首先出現(xiàn)了在PC機平臺上開發(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)的特點是計算機的專用性。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，其最大特點就是計算機的專用性，一套數(shù)控系統(tǒng)就是一臺專用計算機，里面有十幾塊甚至幾十塊專用芯片，與標準的計算機不兼容，它們之間也互相不兼容。

    第6代數(shù)控系統(tǒng)的特點是計算機的開放性與兼容性。技術特點為：PC技術，Win操作平臺(并能在最短的時間內采用計算機發(fā)展的新成果)；技術支持為：大量的硬件板卡廠商，大量的應用軟件開發(fā)公司。

    3、數(shù)控技術的發(fā)展趨勢

    從目前來看，針對機械加工的要求，數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要有5個方面：①基于PC的開放式；②網絡化(采用TCP／IP通訊協(xié)議)；③數(shù)字化；④多軸聯(lián)動；⑤高速高精度。

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

    4、采用第6代數(shù)控技術的典型系統(tǒng)介紹

    4.1 FANUC的新系統(tǒng)

    日本FANUC的控制器具有PC機及個人計算機功能，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：納米插補產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床展和2006年3月的上海國際機床展上，F(xiàn)ANUC展示了30i與31i兩款納米級數(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)，建立在標準的微軟新操作系統(tǒng)和帶奔騰處理器(P2)的個人計算機基礎之上，CNC控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運行，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)包含大量的標準化部件，如帶接口卡的工業(yè)PC機、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。應用領域更廣，包括各種機床以及木制品、建材等機械，而且可靠性更高，向智能化前進了一大步。

    4.4 我國應積極采用第6代數(shù)控技術

    計算機的迅速發(fā)展給中國數(shù)控產業(yè)帶來了巨大的希望和前所未有的機遇。就采用計算機技術發(fā)展的新成果而論，我們和世界上最先進的數(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)控新產品，積極運用先進計算機技術，會給企業(yè)帶來生機。如南京四開公司成功地開發(fā)出了具有自主知識產權的基于標準計算機平臺的數(shù)控系統(tǒng)，設計制造出多種型號的數(shù)控機床，滿足了市場的需求。

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

    5、高速數(shù)控技術

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

    高速加工機床不僅要有高的主軸轉速，也應具備與主軸轉速相匹配的高進給速度。為了保證加工輪廓的高精度，機床還必須具備高的進給加速度。因為一臺高速機床沒有足夠高的進給加速度，是無法高速地進行高精度復雜曲面輪廓的加工，所以要求高速加工的機床在加工復雜曲面時，根據不同的曲率半徑，在最短的時間內不斷地調整進給速度。

    5.1 高速加工對數(shù)控系統(tǒng)的要求

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

    2)要求系統(tǒng)對高速采樣截尾誤差的精確預估，保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。

    為了保證直線電機高速運行時的高精度，數(shù)控系統(tǒng)必須具有高速采樣插補功能。

    3)要求系統(tǒng)具有高的抑制外部擾動力的能力即魯棒性。