數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展

引言

    數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)的自動化產(chǎn)品主要是為數(shù)控機(jī)床配套。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透而形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數(shù)控的工作母機(jī)是國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

    數(shù)值控制(簡稱“數(shù)控”或“NC”)的概念是把被加工的機(jī)械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)指令信號傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅(qū)動機(jī)床刀具的運(yùn)動而加工出零件。而在傳統(tǒng)的手動機(jī)械加工中，這些過程都需要經(jīng)過人工操縱機(jī)械而實(shí)現(xiàn)，很難滿足復(fù)雜零件對加工的要求，特別對于多品種、小批量的零件，加工效率低、精度差。

    1952年，美國麻省理工學(xué)院與帕森斯公司進(jìn)行合作，發(fā)明了世界上第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床。控制裝置由 2000多個電子管組成，約一個普通實(shí)驗(yàn)室大小。伺服機(jī)構(gòu)采用一臺小伺服馬達(dá)改變液壓馬達(dá)斜盤角度以控制液動機(jī)速度。其插補(bǔ)裝置采用脈沖乘法器。這臺NC 機(jī)床的研制成功標(biāo)志著NC技術(shù)的開創(chuàng)和機(jī)械制造的一個新的、數(shù)值控制時代的開始。

    現(xiàn)代CNC系統(tǒng)的功能、性能大大提高，故障率已降至 0.01次/(月·臺)。以FANUC公司為例，1991年開發(fā)成功的FS15系統(tǒng)與1971年開發(fā)的FS220系統(tǒng)相比，體積只有后者的十分之一，而加工精度提高了10倍，加工速度提高了20倍，可靠性提高了30倍以上�，F(xiàn)在，NC技術(shù)已成為先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。

    NC技術(shù)的發(fā)展已有50多年歷史，它是在多種技術(shù)交叉的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這里主要介紹十種關(guān)鍵技術(shù)。

1 電子元件技術(shù)的發(fā)展

    微電子技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控技術(shù)起著極大的推動作用。日本FANUC公司在1956年開始采用電子管研究NC，1959年就采用鍺晶體管組成NC，1963年采用硅晶體管研制出FS220、FS240等系統(tǒng)，1969年又采用中小規(guī)模IC更新了FS220、FS240等系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代，開始采用3SI 推出了FS5、FS7、FS3、FS6、FS0、FS18、FS16、FS20、FS21、FS15等一系列CNC系統(tǒng)，從4位的位片機(jī)(FS7)到16 位的8086(FS6)和32位的80486(FS0)。1996年，F(xiàn)ANUC采用最新專用芯片352Pin的微電子工藝BGA封裝及采用MCM工藝生產(chǎn)的微處理器，推出了小型化高性能的i系列數(shù)控系統(tǒng)，大小只有原有系統(tǒng)的1/4，大大減小了占用的空間，提高了系統(tǒng)的性能及可靠性。

2 軟件的應(yīng)用

    在1970 年的芝加哥展覽會上，首次展出了由小型機(jī)組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)。大約在同時，英特爾公司發(fā)明了微處理器。1974年，美、日等國相繼研制出以微處理器為核心的CNC，有時也稱為MNC。它運(yùn)用計算機(jī)存貯器里的程序完成數(shù)控要求的功能。其全部或部分控制功能由軟件實(shí)現(xiàn)，包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制等。采用半導(dǎo)體存貯器存貯零件加工程序，可以代替打孔的零件紙帶程序進(jìn)行加工，這種程序便于顯示、檢查、修改和編輯，因而可以減少系統(tǒng)的硬件配置，提高系統(tǒng)的可靠性。采用軟件控制大大增加了系統(tǒng)的柔性，降低了系統(tǒng)的制造成本。

3 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的引入

    隨著NC成為機(jī)械自動化加工的重要設(shè)備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術(shù)語、技術(shù)要求、符號和圖形，即有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便進(jìn)行世界性的技術(shù)交流和貿(mào)易。NC技術(shù)的發(fā)展，形成了多個國際通用的標(biāo)準(zhǔn)：即ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)、IEC國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)和EIA美國電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)等。最早制訂的標(biāo)準(zhǔn)有NC機(jī)床的坐標(biāo)軸和運(yùn)動方向、NC機(jī)床的編碼字符、NC機(jī)床的程序段格式、準(zhǔn)備功能和輔助功能、數(shù)控紙帶的尺寸、數(shù)控的名詞術(shù)語等。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立，對NC技術(shù)的發(fā)展起到了規(guī)范和推動作用。最近，ISO基于用戶的需要和對下一個5年間信息技術(shù)的預(yù)測，又在醞釀推出新標(biāo)準(zhǔn)“CNC控制器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。它把AMT(先進(jìn)制造技術(shù))的內(nèi)容集中在兩個主要的級別和它們之間的連接上：第一級CAM，為車間和它的生產(chǎn)機(jī)械：第二級是上一級，為數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，由CAD、CAP、 CAE和NC編程系統(tǒng)及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫組成。

4 伺服技術(shù)的發(fā)展

    伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。20世紀(jì)50年代初，世界第一臺NC機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動采用液壓驅(qū)動。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的力(約為20:1)，慣性小、反應(yīng)快，因此當(dāng)時很多 NC系統(tǒng)的進(jìn)給伺服為液壓系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機(jī)，加上液壓對環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發(fā)出直流大慣量伺服電動機(jī)，靜力矩和起動力矩大，性能良好，F(xiàn)ANUC公司很快于1974年引進(jìn)并在NC機(jī)床上得到了應(yīng)用。從此，開環(huán)的系統(tǒng)逐漸被閉環(huán)的系統(tǒng)取代，液壓伺服系統(tǒng)逐漸被電氣伺服系統(tǒng)取代。

    電伺服技術(shù)的初期階段為模擬控制，這種控制方法噪聲大、漂移大。隨著微處理器的采用，引入了數(shù)字控制。它有以下優(yōu)點(diǎn)：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)對系統(tǒng)設(shè)定，調(diào)整減少。④容易做成ASIC電路。對現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)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、或者稱為軟件控制取代硬件控制。20世紀(jì)90年代，許多公司又研制了直線電動機(jī)，由全數(shù)字伺服驅(qū)動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。

5 自動編程的采用

    編程的方法有手工編程和自動編程兩種。據(jù)統(tǒng)計分析，采用手工編程，一個零件的編程時間與機(jī)床加工之比，平均約為30:1。為了提高效率，必須采用計算機(jī)或程編機(jī)代替手工編程。自動編程需要有自動化編程語言，其中麻省理工學(xué)院研制的APT語言是最典型的一種數(shù)控語言，它大大地提高了編程效率。從70年代開始出現(xiàn)的圖象數(shù)控編程技術(shù)有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示、交互設(shè)計、修改及刀具軌跡生成、走刀過程的仿真顯示、驗(yàn)證等，從而推動了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。

6 DNC概念的引入及發(fā)展

    DNC 概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”的變化，其內(nèi)涵也發(fā)生了變化。“分布式數(shù)控”表明可用一臺計算機(jī)控制多臺數(shù)控機(jī)床。這樣，機(jī)械加工從單機(jī)自動化的模式擴(kuò)展到柔性生產(chǎn)線及計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。從通信功能而言，可以在CNC系統(tǒng)中增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)是資源共享，通過DNC功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)：①對零件程序的上傳或下傳。②讀、寫CNC的數(shù)據(jù)。③PLC數(shù)據(jù)的傳送。④存貯器操作控制。⑤系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。

7 可編程控制器的采用

    在20 世紀(jì)70年代以前，NC控制器與機(jī)床強(qiáng)電順序控制主要靠繼電器進(jìn)行。60年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體邏輯元件，1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺可編程序控制器PLC。PLC很快就顯示出優(yōu)越性：設(shè)計的圖形與繼電器電路相似，形象直觀，可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存貯和傳送：PLC沒有繼電器電路那種接觸不良，觸點(diǎn)熔焊、磨損、線圈燒斷等缺點(diǎn)。因此很快在NC機(jī)床上得到應(yīng)用。目前，在NC機(jī)床上指令執(zhí)行時間可達(dá)到0.085µs/步，最大步數(shù)為32000步。而且，使用PLC還可以大大減少系統(tǒng)的占用空間，提高系統(tǒng)的快速性和可靠性。

8 傳感器技術(shù)的發(fā)展

    一臺NC系統(tǒng)與機(jī)械連結(jié)在一起時，它能控制的幾何精度除受機(jī)械因素的影響外，閉環(huán)系統(tǒng)還主要取決于所采用的傳感器，特別是位置和速度傳感器，如可測量直線位移和旋轉(zhuǎn)角度的直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器、直線和圓光柵、磁尺、利用磁阻的傳感器等。這些傳感器由光學(xué)、精密機(jī)械、電子部件組成，一般分辨率為 0.01～0.001mm，測量精度為±0.02～0.002mm/m，機(jī)床工作臺速度為20m/min以下。隨著機(jī)床精度的不斷提高，對傳感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于是出現(xiàn)了具有“細(xì)分”電路的高分辨率傳感器，比如FANUC公司研制的編碼器通過細(xì)分可做到分辨率為10-7r。利用它構(gòu)成的高精度數(shù)控系統(tǒng)為超精控制及加工創(chuàng)造了條件。

9 開放技術(shù)的產(chǎn)生

    1987 年美國空軍發(fā)表了著名的“NGC(下一代控制器)”計劃，首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)的控制器概念。這個計劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(SOSAS)”。美國空軍把開放的體系結(jié)構(gòu)定義為：在競爭的環(huán)境中允許多個制造商銷售可相互交換和相互操作的模塊。機(jī)床制造商可以在開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。當(dāng)前在市場上開放系統(tǒng)基本上有兩種結(jié)構(gòu)：①CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要運(yùn)行非實(shí)時控制，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動為主的實(shí)時控制。②PC+運(yùn)動控制板：把運(yùn)動控制板插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實(shí)時控制用，而PC機(jī)主要作非實(shí)時控制。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用方案①，即在不改變原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(jī)界面的功能。典型的如FANUC公司的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(jī)床制造商的歡迎，成為NC技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

10 制造技術(shù)的發(fā)展

    CNC 機(jī)床的發(fā)展建立在NC技術(shù)、機(jī)械構(gòu)造技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，這三種技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也互相推動。而且，NC本身的發(fā)展也是建立在機(jī)械的發(fā)展基礎(chǔ)上。①機(jī)械加工速度和精度的提高，要求NC系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)大、改進(jìn)和完善，特別是高速高精加工的要求產(chǎn)生了高速高精控制系統(tǒng)，包括快速程序輸入、高速高精插補(bǔ)、控制及輸出。②機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化與改進(jìn)及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來越復(fù)雜，元部件性能越來越高。比如，采用寬調(diào)速、高速、大轉(zhuǎn)矩的進(jìn)給系統(tǒng)和大功率的主軸系統(tǒng)以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)和提高機(jī)床的加工效率及精度。③機(jī)械加工的連續(xù)運(yùn)行、連線、協(xié)調(diào)，要求NC系統(tǒng)可靠性不斷提高，加工和系統(tǒng)信息不但可以控制、處理、傳送、管理而且通過網(wǎng)絡(luò)可以共享。

結(jié)語

    目前，我國的機(jī)床工業(yè)正從生產(chǎn)大國逐漸變?yōu)闄C(jī)床強(qiáng)國，主要體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量不斷發(fā)展及提高。其中，特別是數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的可靠性不斷提高。由于對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，新的數(shù)控產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如多坐標(biāo)聯(lián)動、高速、高精等數(shù)控機(jī)床的研制成功。北京發(fā)那科機(jī)電有限公司作為一家中國國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)制造和銷售企業(yè)，有必要為我國機(jī)床工業(yè)的發(fā)展提供更加可靠、功能更多的數(shù)控產(chǎn)品以滿足我國機(jī)床工業(yè)的需要。