數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

從1952年美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過了半個世紀歷程。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經(jīng)非常強大，與此同時加工技術(shù)以及一些其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和進步提出了新的要求。

趨勢之一：數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展

20世紀90年代以來，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴展性，并可以較容易的實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站/機床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級和更新變得更加簡單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進行的系統(tǒng)集成，同時它也為用戶根據(jù)實際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。

趨勢之二：數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展

現(xiàn)在，實際用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控系統(tǒng)主要有以下四種類型，分別代表了數(shù)控技術(shù)的不同發(fā)展階段，對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)進行分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)不但從封閉體系結(jié)構(gòu)向開放體系結(jié)構(gòu)發(fā)展，而且正在從硬數(shù)控向軟數(shù)控方向發(fā)展的趨勢。

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC0系統(tǒng)、MITSUBISHIM50系統(tǒng)、SINUMERIK810M/T/G系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。目前，這類系統(tǒng)還是占領(lǐng)了制造業(yè)的大部分市場。但由于開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場正在受到挑戰(zhàn)，已逐漸減小。

“PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC18i、16i系統(tǒng)、SINUMERIK840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)、AB9/360等數(shù)控系統(tǒng)。這是一些數(shù)控系統(tǒng)制造商將多年來積累的數(shù)控軟件技術(shù)和當(dāng)今計算機豐富的軟件資源相結(jié)合開發(fā)的產(chǎn)品。它具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強大，價格昂貴。

“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)它由開放體系結(jié)構(gòu)運動控制卡和PC機共同構(gòu)成。這種運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制能力。它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨使用。它開放的函數(shù)庫供用戶在WINDOWS平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種開放結(jié)構(gòu)運動控制卡被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化控制各個領(lǐng)域。如美國DeltaTau公司用PMAC多軸運動控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL640CNC等。

SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標準化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣。用戶可以在WINDOWSNT平臺上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)所需的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)，與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，因而最有生命力。通過軟件智能替代復(fù)雜的硬件，正在成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。其典型產(chǎn)品有美國MDSI公司的OpenCNC、德國PowerAutomation公司的PA8000NT等。

趨勢之三：數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展

智能化是21世紀制造技術(shù)發(fā)展的一個大方向。隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。

世界上正在進行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。

趨勢之四：數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，主要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet技術(shù)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱“e-制造”，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當(dāng)今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國內(nèi)用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務(wù)等功能。

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進一步促進了柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，同時注重加強單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。

趨勢之五：數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展

隨著數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的日趨廣泛，數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在P(t)＝99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對某一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1(數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級)。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于10萬小時。如果對整條生產(chǎn)線而言，可靠性要求還要更高。

當(dāng)前國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000小時以上，驅(qū)動裝置達30000小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。

趨勢之六：數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展

在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復(fù)合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。

柔性制造范疇的機床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。

普通的數(shù)控系統(tǒng)軟件針對不同類型的機床使用不同的軟件版本，比如Siemens的810M系統(tǒng)和802D系統(tǒng)就有車床版本和銑床版本之分。復(fù)合化的要求促使數(shù)控系統(tǒng)功能的整合。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商都能提供高性能的復(fù)合機床數(shù)控系統(tǒng)。

趨勢之七：數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動化方向發(fā)展

由于在加工自由曲面時，3軸聯(lián)動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，進而對工件的加工質(zhì)量造成破壞性影響，而5軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā)5軸、6軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，隨著5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及，5軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個開發(fā)熱點。

最近，國外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在6軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得和很大進展，在6軸聯(lián)動加工中心上可以使用非旋轉(zhuǎn)刀具加