數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

    從1952年第一臺數(shù)控機(jī)床在美國問世，至今已有40多年的歷史，計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）從70年代中期出現(xiàn)，到現(xiàn)在也已有20多年了，數(shù)控技術(shù)日趨成熟。特別是近幾年來微型計(jì)算機(jī)、微電子工業(yè)及電力電子工業(yè)的迅速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)與CNC技術(shù)的緊密結(jié)合，使得開發(fā)和生產(chǎn)CNC系統(tǒng)的技術(shù)被越來越多的自動(dòng)化裝備生產(chǎn)廠所掌握。因此，就當(dāng)今全世界范圍來說，CNC技術(shù)已經(jīng)不再被少數(shù)幾個(gè)國家的幾個(gè)CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠所壟斷。到80年代末，幾乎每個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都有了自己的數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠，生產(chǎn)滿足各自國家數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械裝備所需要的數(shù)控系統(tǒng)。甚至很多大型的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠都有自己的產(chǎn)品，并部分出售數(shù)控系統(tǒng)。因此，CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠之間的競爭為激烈，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。
    當(dāng)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展具有下述特點(diǎn)：
    1．廣泛地應(yīng)用微機(jī)資源
    近年來被稱為個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的微型計(jì)算機(jī)發(fā)展很快，大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的高速發(fā)速，使得PC的硬件結(jié)構(gòu)做得很小。主CPU的運(yùn)行速度越來越高。IPC386的主頻是33MHz，IPC486、586的主頻可達(dá)50～120MHz，新近Intel奔騰處理器（Pentium），主頻已達(dá)450MHz。存儲(chǔ)器容量也很大，體積很小，由于是大批量生產(chǎn)，使成本下降，可靠性提高。
    在軟件方面，操作系統(tǒng)的發(fā)展，特別是Windows的應(yīng)用，使得PC的操作更為簡便直觀。CAD/CAM的軟件大量地由小型機(jī)、工作站向PC移植，三維圖顯示及工藝數(shù)據(jù)庫在PC上建立。再加上PC的開放性，吸引大量技術(shù)人員投入了軟件的開發(fā)，使得PC的軟件資源極為豐富。
    因此，更好地利用PC的軟、硬件資源，就成為各國數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠發(fā)展CNC系統(tǒng)十分重要的一種方法。1992～1993年，首先是在美國及歐洲的一些小型的數(shù)控設(shè)備廠推出，例如美國的ANILAN公司推出的1100、1200、1400系列，意大利FIDIA公司的10/20/30系列，都采用了PC作為基板來開發(fā)自己的數(shù)控系統(tǒng)�，F(xiàn)在連日本FANUC、三菱公司，德國的SIEMENS公司這些以生產(chǎn)專用CNC設(shè)備著稱的公司，也都把采用PC資源，作為其發(fā)展的一個(gè)重要方向。他們都強(qiáng)調(diào)自己系統(tǒng)的“開放”。日本FANUC公司把采用PC的CNC系統(tǒng)稱之為開放型CNC系統(tǒng)，有150、160、180及210等系列，并正發(fā)展一種將FANUC智能終端（一種與IBM PC兼容的平板式計(jì)算機(jī)）通過高速光纜與CNC裝置連接的模式。
    我國中國珠峰數(shù)控公司“八五”攻關(guān)成果“中華Ⅰ型（CME988）”也采用PC作為主控板，使該系統(tǒng)能充分利用PC的資源，跟隨PC的發(fā)展而升級。
    2．小型化以滿足機(jī)電一體化的要求
    隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度越來越高，體積越來越小。數(shù)控設(shè)備廠采用超大規(guī)模集成電路并采用表面安裝工藝（SMT），實(shí)現(xiàn)了三維立體裝配，將整個(gè)CNC裝置做得很小，以適應(yīng)機(jī)械制造業(yè)機(jī)電一體化的要求。
    日本三菱電機(jī)株式會(huì)社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及實(shí)用型CNC MELDAS 520A系列，這兩個(gè)系列都采用了32位RISC微處理器，實(shí)現(xiàn)超小型化的CNC裝置，較原來的M310及L3、L3A，體積大為減�。℉168mm×W76mm×D135mm），安裝面積減小了一半，功能還有所提高。采用了超薄型顯示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。這個(gè)系統(tǒng)的微小線段加工能力提升至64m/min，最大快速進(jìn)給速度為240m/min，其同步攻螺紋精度較M310提高了3倍，主軸定位時(shí)間縮短了30%。德國SIEMENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控組件選用386DX或486DX，具有1～4個(gè)通道，可實(shí)現(xiàn)直線及圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、5軸螺旋線插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)等，共可控制32個(gè)軸，并有多種校正及補(bǔ)償功能，體積僅為50mm×316mm×207mm。
    3．改善人機(jī)接口，方便用戶使用
    為了使操作者能很容易地掌握數(shù)控機(jī)床的操作，數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠努力地改善人機(jī)接口，簡化編程，盡量采用對話方式，使用戶使用方便，如西班牙FAGOR公司生產(chǎn)的FAGOR 8050系列，采用交互式編輯程序指導(dǎo)系統(tǒng)，簡化程序的編輯，用簡要的表格編輯程序，利用藍(lán)圖建立程序。其8050TC型數(shù)控系統(tǒng)，被稱為高檔傻瓜式數(shù)控系統(tǒng)（FAGOR800系列CNC系統(tǒng)），其操作面板使用了符號鍵，用戶可以根據(jù)所需加工零件，選擇加工程序，輸入圖形數(shù)據(jù)后，即可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)加工。如果面板上的各種自動(dòng)操作都沒有被選上，則該CNC系統(tǒng)只顯示坐標(biāo)軸的位置值和主軸轉(zhuǎn)速，操作者可以用搖柄或電子手輪對機(jī)床的各個(gè)軸進(jìn)行手動(dòng)操作，使用極為方便。
    4．提高數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的成套性
    數(shù)控系統(tǒng)包括CNC裝置、主軸及進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，以及主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和與其相關(guān)的檢測反饋元件。一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)性能的好壞是與上述各個(gè)環(huán)節(jié)的性能密切相關(guān)的。為了滿足機(jī)床用戶廠的需要，數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠都非常重視數(shù)控產(chǎn)品的成套性，使系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能很好地匹配，使用戶獲得最好的使用效果。
    例如，日本FANUC公司開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型的O-TD、O-MD CNC裝置，與之相適應(yīng)也開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型的αC系列的效流伺服電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)。日本大隈（OKUMA）公司，是一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)床廠，現(xiàn)在也開發(fā)、生產(chǎn)并銷售數(shù)控系統(tǒng)，作為一個(gè)機(jī)床廠生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，所以更重視機(jī)電一體化及產(chǎn)品成套性。該公司生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在軟件上更結(jié)合機(jī)械加工的工藝要求，硬件上還自行開發(fā)了絕對位置編碼器、無刷伺服電動(dòng)機(jī)、交流主軸電動(dòng)機(jī)、光柵尺等元件，同時(shí)還提供機(jī)床控制面板及控制柜、自動(dòng)編程裝置，為用戶提供交鑰匙工程。
    5．研究開發(fā)智能型數(shù)控系統(tǒng)
    所謂智能型的數(shù)控系統(tǒng)，早在80年代初期已經(jīng)開始研究。當(dāng)時(shí)FANUC公司推出的FS15系列，就稱之為AI（人工智能）CNC系統(tǒng)，主要是在故障診斷方面采用了專家系統(tǒng)。系統(tǒng)利用所謂的推理軟件，根據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的知識庫的經(jīng)驗(yàn)，分析及查找故障原因。最近FANUC公司又在開展被稱為面向21世紀(jì)的課題—IMS（Intelligent Manufacturing Systems），將無縫地（Seamless）把世界范圍熟練工人的技術(shù)竅門（Know how）組合進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)中去。
    隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展，要求制造過程更快、更容易，以適應(yīng)生產(chǎn)需要，一種被稱為智能閉環(huán)加工（Intelligent Closed-Loop Processes ICLP）技術(shù)被采用。這種技術(shù)是利用傳感器獲得適時(shí)的信息，以增強(qiáng)制造者取得最佳產(chǎn)品的能力。圖29就是智能閉環(huán)加工模型。

圖29 智能閉環(huán)加工模型

    6．根據(jù)市場需要，開發(fā)適銷對路的數(shù)控產(chǎn)品
    高新技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方向，另一方面開發(fā)適銷對路的數(shù)控產(chǎn)品也是適應(yīng)市場發(fā)展的需要。我國是發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)在我國有著廣闊的市場。因此，開發(fā)性能優(yōu)良、價(jià)錢便宜的數(shù)控系統(tǒng)，滿足我國市場需要是很有意義的。目前，我國的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床每年需要量約為8000～10000臺。雖然有幾十個(gè)廠家在生產(chǎn)，價(jià)格也很便宜，但是多年來技術(shù)發(fā)展不快，性能及可靠性方面還存在一些問題，不能滿足市場的需求。
    德國SIEMENS公司在我國建立的合資企業(yè)—西門子數(shù)控（南京）有限公司，在1997年推出了SINUMERIK 802S。這種系統(tǒng)除采用G代碼編程外，還有圖形循環(huán)支持功能，通過軟件鍵來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用15.24cm（6in）彩色液晶顯示，并采用兩臺步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)力矩為3.5～12N.m，價(jià)格在3萬元左右。這是西門子公司為占領(lǐng)中國市場所做的努力。
    7．開發(fā)新的數(shù)控產(chǎn)品
    隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的性能要求越來越高，迫切地需要開發(fā)一些新的機(jī)電一體化數(shù)控產(chǎn)品來適應(yīng)及滿足這些要求。
    例如，鋁合金材料的大量采用，要求進(jìn)行高速切削，以實(shí)現(xiàn)高的精度及低的表面粗糙度的要求，數(shù)控車床及加工中心主軸轉(zhuǎn)速要求提高到10000～20000r/min，這對采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，將電動(dòng)機(jī)的電樞直接與機(jī)床的主軸做成一體的“電動(dòng)主軸”，就成為生產(chǎn)中急需的產(chǎn)品。目前，日本的FANUC公司、NSK公司，瑞士的IBAG公司，意大利的GANFIOR公司都在開發(fā)生產(chǎn)這種新產(chǎn)品。
    同樣，為了實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)，要求開發(fā)“直線電動(dòng)機(jī)”，用以直接帶動(dòng)工作臺直線運(yùn)動(dòng)。日本FANUC公司生產(chǎn)的直線電動(dòng)機(jī)，移動(dòng)速度可以達(dá)到100m/min。日本的THK公司，德國的INDRAMAT公司、SIEMENS公司都在開發(fā)及生產(chǎn)這類產(chǎn)品。
    綜上所述，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展是與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)發(fā)展同步的，同時(shí)也是根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要而發(fā)展的�，F(xiàn)在數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成熟，發(fā)展將更深更廣更快。未來的CNC系統(tǒng)將會(huì)使機(jī)械更好用，更便宜。