与国内外数控系统的比较.doc

数控系统的国内外发展及应用现状数控技术是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。一、数控系统的发展趋势1.高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。4. 重视新技术标准、规范的建立（1） 关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。（2） 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。二、国内外数控系统功能及应用分析 1、华中数控系统基于嵌入式PC，具有5轴4联动控制功能，具有脉冲输出接口、模拟量输出接口；数字量输入输出点数可达40/32个；系统最小分辨率1m，最大移动速度：16m/min；系统具有直线、圆弧、螺旋线、正弦线插补，自动加减速控制；支持小线段连续加工功能，适用于复杂模具加工；系统支持反向间隙补偿，多达5000点的双向螺距误差补偿功能； 8MB Flash程序断电存储，8MBRAM加工缓冲区，可选配硬盘支持2GB数控程序存储；可采用RS232接口传输数控代码，可选配以太网接口；系统具有刀具半径补偿、刀尖半径补偿和刀具长度补偿等。2、广州数控系统具有4轴3联动控制功能，可扩展至7轴4联动控制；支持直线、圆弧、样条曲线插补；最快进给速度可达60m/min；系统具有256点输入输出点；，支持梯形图编程；具有99组刀具长度补偿和刀具半径补偿；直线坐标轴具有反向间隙及螺距误差补偿；系统支持刚性攻丝；系统采用4级密码控制系统操作权限；采用电子盘，用户程序容量可达32MB；系统可通过RS232接口实现与PC机通信，用于传输程序、参数和梯形图。支持U盘存储。3、Fanuc-16i高档数控系统该系统最多支持3个通道，20个轴控制功能；系统具有直线插补、圆弧插补、指数插补、圆柱插补、极坐标插补、螺旋线插补、光顺插补、虚拟轴插补、圆锥/螺旋插补、渐开线插补等插补功能；系统具有刀具长度、刀具半径及磨损量、间隙、螺距误差、直线度、倾斜度等各项补偿功能；系统在分辨率为1m时最大进给速度可达240m/min；分辨率为0.1m时最大进给速度可达100m/min；在分辨率为0.01m时最大进给速度可达10m/min；PMC的指令处理速度可达33s/1000步，PMC用户程序存储容量可达2MB；PMC输入输出点数最多2048/2048点。 系统在硬件上采用两种数字总线：在轴控制部分采用FANUC专用的FSSB串行伺服总线联接所有的伺服驱动器；在机床面板等机床外围设备部分采用Fanuc I/O Link总线联接。通过两种总线将实时性要求不同的数据分离开。4、西门子数控系统西门子数控系统功能极为丰富，例如5个数字驱动轴，其中任意4个都可以作为联动轴进行插补运算，另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴（模拟主轴即将推出）作为一个变型使用, 在带C 轴功能时，可以采用3个数字轴，一个数字主轴，一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。新一代的西门子驱动技术平台SINAMICS S120伺服系统通过已经集成在元件级的DRIVE-CLiQ来对错误进行识别和诊断，从操作面板就可以进行操作，使用的标准闪存卡（CF）可以非常方便的备份全部调试数据文件和子程序，通过闪存卡（CF）可以对加工程序进行快速处理，通过连接端子使用两个电子手轮，216 个数字输入和144 个数字输出（0.25A），RCS802 - 远程诊断和远程控制（NC 和 PLC），RCSEvent（通过电子邮件进行远程诊断），USB口。三、国内外数控系统的比较与差距国内外数控系统总体来说差距还是有。最近几年，普及型、中、高档数控系统的国产市场完全被外国公司垄断，国外一些知名厂家采用技术封锁和低价倾销的双重策略，利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢占中国市场，扼杀中国的数控民族工业。但随着时间的迁移，国内用户已逐渐领略到使用国外系统的弊端：不能及时维修及高昂的维修费用；不便于系统的更新；难于进行二次开发；由于国外厂家技术封锁，国外系统难于作二次开发，而许多用户要求系统的开放性，以便根据实际情况扩展功能；在低端市场，价格较国内的昂贵，性价比低。但是随着国内一些公司不断地科研创新，在高端市场也取得了跨越式的进展。这里以华中数控系统为例，介绍我国数控系统的快速发展以及与国外数控系统的比较。 由于华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台，DOS、 Windows及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，使主控制系统具有质量好，性能价格比高，新产品开发周期短，系统维护方便，系统更新换代和升降快，系统配套能力强，系统开放性好，便于用户二次开发和集成等许多优点。华中数控系统在其操作界面，操作习惯和编程语言上按国际通用的数控系统设计。国外系统所运行的G代码数控程序，基本不需修改，可在华中数控系统上使用。但是，华中数控系统采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，便于用户学习和使用。系统提供类似高级语言的宏程序功能。具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。操作、使用方便容易。与SIMENSE和FANUC的普及型数控系统相比较，华中数控系统在功能上毫不逊色，在价格上更为低廉，在维护和更新换代方面更为方便，但在外观和可靠性方面略差。 纵观国际上数控技术的发展的趋势，PC数控(即华中数控系统采用了以工业PC机为硬件平台)的技术路线是目前的主要潮流。SIMENSE和FANUC也不得不开始转向PC数控。国外PC-NC主要在原NC上增扩PC，用于图形、通讯和大容量存储，如FANUC 160、西门子840、和美国AB9360 等；另一种在PC上扩充带DSP处理器的控制卡，如FANUC open 4、美国DeltaTau 的PMAC等。 相比之下，华中数控系统比较彻底地贯彻了PC-NC的技术路线，以PC+软件完成全部的NC功能，因而以国外低档数控系统的价格，实现了国外高档系统的功能，具有优良的性能/价格比。因此，由国家组织的专家鉴定会认为，华中数控系统是具有我国特色的高性能数控系统，是一项重大的科研成果，具有国际先进水平。此外，华中数控系统的SDI算法在PC上实现了复杂曲面直接插补。而国外目前还只有三轴的类似研究，且需高速硬件支持。如苏黎世大学使用小型机和高速浮点阵列；日本铃木裕使用PC+15个Transputer 处理器；三菱公司认为需要2000个6802068881 。而华中I型已经实现了SDI算法，并成功地运用于3轴、4轴、5轴联动加工。所以，由机械部组织的专家鉴定会认为该技术“属国际首创”，“具有当前国际先进水平”。 在中国，在“六.五”、“七.五”和“八.五”计划的支持下，我国先后研制成功华中I型、中华I型、蓝天I型、航天I型四个基本型数控系统。国内各系统均实现了高档多轴多过程控制。四、总结综上所述，我国的数控系统与国外有一定的差距，但是正不断减少。一些国内的数控厂商，如广州数控、凯恩帝、华中数控，正在积极发展自己的核心技术，希望早日进入数控系统的领先行业。但是数控系统的发展，同时也需要其他行业的配合发展，