技術

摘要：數(shù)控技術對傳統(tǒng)機械制造業(yè)的滲透產(chǎn)生了機電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機床。本文介紹當前國內(nèi)外NC技術的現(xiàn)狀，包括開放體系結(jié)構(gòu)的采用、高精高速高效功能的提高、軟件數(shù)字伺服技術以及網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展等。然后介紹NC技術在集成化、網(wǎng)絡化、智能化及數(shù)字化等的發(fā)展趨勢。為了把我國NC產(chǎn)業(yè)搞上去，本文提出發(fā)展NC產(chǎn)業(yè)要注重系統(tǒng)配套、可靠性、重視創(chuàng)新和加強服務的一些對策。

    數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品；其技術范圍復蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術：(3)自動控制技術；(4)伺服驅(qū)動技術；(5)傳感器技術：(6)軟件技術等。計算機對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。

一，數(shù)控技術國內(nèi)外現(xiàn)狀：

1 開放結(jié)構(gòu)的發(fā)展 
    數(shù)控技術從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近50年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為五個發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模IC數(shù)控，小型計算機數(shù)控，微處理器數(shù)控；從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可分為以硬件及連線組成的硬數(shù)控系統(tǒng)、計算機硬件及軟件組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)，后者也稱為軟數(shù)控系統(tǒng)：從伺服及控制的方式可分為步進電機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)和伺服電機驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)裝備的機床大大提高了加工精度、速度和效率。人類發(fā)明了機器，延長和擴展人的手腳功能：當出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)以后，制造廠家逐漸希望數(shù)控系統(tǒng)能部分代替機床設計師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能放進數(shù)控系統(tǒng)， 同時也希望系統(tǒng)具有圖形交互、診斷功能等。首先就要求數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機界面和開發(fā)平臺，通過這個界面和平臺開放而自由地執(zhí)行和表達自己的思路。這就產(chǎn)生了開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。機床制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。

目前，開放系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)：

    (1)CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，PC板主要運彳¨F實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。(2)PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實時控制。開放結(jié)構(gòu)在90年代初形成；對于許多熟悉計算機應用的系統(tǒng)廠家，往往采用第(2)方案。但目前主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認為數(shù)控系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，象PC機存在的死機現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經(jīng)生產(chǎn)大量的數(shù)控系統(tǒng)：體系結(jié)構(gòu)的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服務和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開放結(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用(1)方案，即在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機界面的功能比較典型的如FANUC的150/160／180／210系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusion system)。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎。

2 軟件伺服驅(qū)動技術 

    伺服技術是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，采用計算機控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為“軟件伺服”。它有以下優(yōu)點：(1)無溫漂，穩(wěn)定性好。(2)基于數(shù)值計算，精度高。(3)通過參數(shù)對設定，調(diào)整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了直流力矩伺服電機，從此開始大量采用直流電機驅(qū)動。開環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。但直流電機存在以下缺點：(1)電動機容量、最高轉(zhuǎn)速、環(huán)境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護不方便。交流異步電機雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，但早期由於控制性能差，所以很長時間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應用。隨著電力電子技術的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應用微理器的矢量控制的研究中取得進展，使矢量控制實用化。從70年代末，·數(shù)控機床逐漸采用異步電機為主軸的驅(qū)動電機。如果把直流電機進行“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，這就構(gòu)成了永磁無刷電機。這種電機具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應用在數(shù)控系統(tǒng)的進給驅(qū)動裝置上。為了實現(xiàn)更高的加工精度和速度，90年代，許多公司又研制了直線電機。它由兩個非接觸元件組成，即磁板和線卷滑座：電磁力直接作用于移動的元件而無需機械連接，沒有機械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴于直線反饋系統(tǒng)和分級的支承，由全數(shù)字伺服驅(qū)動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。但由于它的推力還不夠大，發(fā)熱，漏磁及造價也影響了它的廣—泛應用。對現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動取代直流驅(qū)動、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，應用在數(shù)控機床的伺服進給和主軸裝置。由于電力電子技術及控制理論、微處理器等微電子技術的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，特別是DSP的應用，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。這些技術的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強。大大推動了高精高速加工技術的發(fā)展。

3 CNC系統(tǒng)的連網(wǎng) 

    數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺機床到控制多臺機床的分級式控制需要網(wǎng)絡進行通信；網(wǎng)絡的主要任務是進行通信，共享信息。這種通信通常分三級：(1)工廠管理級。一般由以太網(wǎng)組成。(2)車間單元控制級。一般由DNC功能進行控制。通過DNC功能形成網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對零件程序的上傳或·F傳：讀、寫CNC的數(shù)據(jù)： PLC數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM/CAPP以及CNC的程序進行傳送和分級管理。CNC與通信網(wǎng)絡連系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信：進而，把制造廠家連系一起，構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡。(3)現(xiàn)場設備級?，F(xiàn)場級與車間單元控制級及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設備單機及工／0控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備生產(chǎn)、運行數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務，并將現(xiàn)場設備生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級是實現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎。傳統(tǒng)的現(xiàn)場級大多是基于PLC的分布式系統(tǒng)。其主要特點是現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一，即一個I/0點對設備的一個測控點。所謂工／0接線方式為傳遞4—20ma(模擬量信息)或24VDC(開關量信息)。這種系統(tǒng)的缺點是：信息集成能力不強、系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強、可靠性不易保證、可維護性不高。現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。因此，現(xiàn)場總線是面向：f廠底層自動化及信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡技術。現(xiàn)場總線技術的主要特點為：它是數(shù)控系統(tǒng)通信向現(xiàn)場級的延伸、數(shù)字化通信取代4—20ma模擬信號、應用現(xiàn)場總線技術，要求現(xiàn)場設備智能化(可編程或可參數(shù)化)：它集現(xiàn)場設備的遠程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體：由于現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、互換性、可集成性，因此是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)設備層信息集成的關鍵技術。它對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本非常重要。目前在工業(yè)上采用的現(xiàn)場總線有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbus—S，Marco等。有的公司還有自己的總線，比如FANUC的FSSB，工／OLINK(相當于JPCN—1)，YASKAW^的MOTIONLINK等。目前比較活躍的是Prof主bus-DP，為了允許更快的數(shù)據(jù)傳送速度，它由0S工的七層結(jié)構(gòu)省去3-7層構(gòu)成。西門子最新推出802D的伺服控制就是由Profibus-DP控制的。

4 功能不斷發(fā)展和擴大 

    NC技術經(jīng)過50年的發(fā)展，已經(jīng)成為制造技術發(fā)展的基礎。這里以FANUC最先進的CNC控制系統(tǒng)15i／150i為例說明系統(tǒng)功能的發(fā)展。這是一臺具有開放性，4通道、最多控制軸數(shù)為24軸、最多聯(lián)動軸數(shù)為24軸、最多可控制4個主軸的CNC系統(tǒng)。其快移速度與分辨率關系如下表。