數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

    從1952年第一臺數(shù)控機床在美國問世，至今已有40多年的歷史，計算機數(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算機、微電子工業(yè)及電力電子工業(yè)的迅速發(fā)展，微型計算機與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)被越來越多的自動化裝備生產(chǎn)廠所掌握。因此，就當今全世界范圍來說，CNC技術(shù)已經(jīng)不再被少數(shù)幾個國家的幾個CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠所壟斷。到80年代末，幾乎每個工業(yè)發(fā)達的國家都有了自己的數(shù)控設備生產(chǎn)廠，生產(chǎn)滿足各自國家數(shù)控機床及其他機械裝備所需要的數(shù)控系統(tǒng)。甚至很多大型的數(shù)控機床生產(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)展進入了新的階段。
    當代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展具有下述特點：
    1．廣泛地應用微機資源
    近年來被稱為個人計算機（PC）的微型計算機發(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的運行速度越來越高。IPC386的主頻是33MHz，IPC486、586的主頻可達50～120MHz，新近Intel奔騰處理器（Pentium），主頻已達450MHz。存儲器容量也很大，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、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設備著稱的公司，也都把采用PC資源，作為其發(fā)展的一個重要方向。他們都強調(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兼容的平板式計算機）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)控設備廠采用超大規(guī)模集成電路并采用表面安裝工藝（SMT），實現(xiàn)了三維立體裝配，將整個CNC裝置做得很小，以適應機械制造業(yè)機電一體化的要求。
    日本三菱電機株式會社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及實用型CNC MELDAS 520A系列，這兩個系列都采用了32位RISC微處理器，實現(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）。這個系統(tǒng)的微小線段加工能力提升至64m/min，最大快速進給速度為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個通道，可實現(xiàn)直線及圓弧插補、螺旋線插補、5軸螺旋線插補及樣條插補、圓柱插補等，共可控制32個軸，并有多種校正及補償功能，體積僅為50mm×316mm×207mm。
    3．改善人機接口，方便用戶使用
    為了使操作者能很容易地掌握數(shù)控機床的操作，數(shù)控設備生產(chǎn)廠努力地改善人機接口，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系統(tǒng)，簡化程序的編輯，用簡要的表格編輯程序，利用藍圖建立程序。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，即可實現(xiàn)半自動或全自動加工。如果面板上的各種自動操作都沒有被選上，則該CNC系統(tǒng)只顯示坐標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床的各個軸進行手動操作，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、主軸及進給伺服驅(qū)動裝置，以及主軸電動機、進給電動機和與其相關的檢測反饋元件。一個數(shù)控系統(tǒng)性能的好壞是與上述各個環(huán)節(jié)的性能密切相關的。為了滿足機床用戶廠的需要，數(shù)控設備生產(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)濟型的O-TD、O-MD CNC裝置，與之相適應也開發(fā)了經(jīng)濟型的αC系列的效流伺服電動機及控制系統(tǒng)。日本大隈（OKUMA）公司，是一個傳統(tǒng)的機床廠，現(xiàn)在也開發(fā)、生產(chǎn)并銷售數(shù)控系統(tǒng)，作為一個機床廠生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，所以更重視機電一體化及產(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、無刷伺服電動機、交流主軸電動機、光柵尺等元件，同時還提供機床控制面板及控制柜、自動編程裝置，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。當時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)存儲在系統(tǒng)中的知識庫的經(jīng)驗，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的信息，以增強制造者取得最佳產(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)展的一個方向，另一方面開發(fā)適銷對路的數(shù)控產(chǎn)品也是適應市場發(fā)展的需要。我國是發(fā)展中國家，經(jīng)濟型數(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)濟型數(shù)控機床每年需要量約為8000～10000臺。雖然有幾十個廠家在生產(chǎn)，價格也很便宜，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，通過軟件鍵來進行轉(zhuǎn)換。采用15.24cm（6in）彩色液晶顯示，并采用兩臺步進電動機作為驅(qū)動單元，驅(qū)動力矩為3.5～12N.m，價格在3萬元左右。這是西門子公司為占領中國市場所做的努力。
    7．開發(fā)新的數(shù)控產(chǎn)品
    隨著機械加工技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機床的性能要求越來越高，迫切地需要開發(fā)一些新的機電一體化數(shù)控產(chǎn)品來適應及滿足這些要求。
    例如，鋁合金材料的大量采用，要求進行高速切削，以實現(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)的機械傳動是很難實現(xiàn)的。因此，將電動機的電樞直接與機床的主軸做成一體的“電動主軸”，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，為了實現(xiàn)高速移動，要求開發(fā)“直線電動機”，用以直接帶動工作臺直線運動。日本FANUC公司生產(chǎn)的直線電動機，移動速度可以達到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)代計算機技術(shù)、電子技術(shù)發(fā)展同步的，同時也是根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要而發(fā)展的。現(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)將會使機械更好用，更便宜。