数控系统发展趋势分析.doc

数控系统发展趋势分析目前国产数控品牌整体提升较快， 国产数控系统在某些关键技术上已获得了突破。自主研发成功的高档数控系统具备了总线接口、五轴功能、多通道控制功能等高档功能，并且开始应用于主机配套。此外，国产数控系统的应用领域已经从单一的普通金属加工发展到覆盖木材加工、玻璃加工、板金加工、模具加工、特种加工、柔性加工等更多领域， 其技术水平已达到了较高的层次。围绕数控系统的高速高精的发展趋势，国产数控系统的技术进步和产业规模仍然面临巨大的压力与挑战。一、数控系统体系结构1基于PC的体系结构生命力旺盛基于PC是为了充分使用PC机丰富软硬件资源， 无论是老牌的系统厂商和该领域内的新秀，均直接采用PC机作为人机界面或直接采用PC作为控制。如西门子840di系统、HEIDENHAIN公司的iTNC530等，是基于PC技术的数控系统。而FANUC SIMENS等公司的其他系统，也引入了PC技术，使用Pc作为操作界面。国内的华中数控、大连光洋、广州数控数控系统也是基于PC技术的。2采用多CPU结构是高档数控系统的必然对于高性能系统， 由于分辨率的增高、控制算法复杂性的增加以及处理能力要求苛刻，对CPU的处理能力提出了很高的要求 为了满足这一要求，对于高端系统，均采用了多个高性能的处理器。采用多处理器的结构后，各CPU分工合作提高了系统的计算速度、插补速度及对现场输入输出设备。 3 总线结构是数控系统实现高速的保证随着数控机床速度和精度的不断提升，传统脉冲和模拟接口相形见绌， 难以满足信息高速传输的要求。而总线技术是解决这一瓶颈的必由之路。通过总线技术实现数据以纯数字的方式在各模块间传递，避免了模拟量的零漂以及脉冲串的高频干扰，提高了传输的效率和可靠性。二、高性能运动控制技术为了适应高效、高精的加工需求，高精、高速平滑运动控制技术一直是系统厂商研究的热点。在数控装置中， 通过增加系统分辨率、平滑轨迹、进行速度和加减速的箝制等措施来减少加工过程中的冲击、抑制机床激振来获得平滑的加工表面是该技术的一个发展趋势。其中采用样条插补、增强前瞻性能等手段是目前国内系统厂商采用的技术手段。如国内高档系统把样条插补，前瞻段数等作为比较重要的指标。三 五轴加工技术采用5轴联动对三维曲面零件加工，可使用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度值低，而且效率也大幅度提高。一般，1台5轴联动机床的效率等于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轴联动加工比3轴联动加工能发挥更高的效益。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，由于电主轴的应用，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，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。1RTCP功能传统五轴加工时， 受旋转轴的影响控制中心不在刀尖，会产生较大的非线性误差。采用刀具中心位置控制功能(RTCP功能)后。不管刀具的方向怎么变换，刀尖的路径以及速度都按照程序指定的路径及速度进行自动控制， 可以提高五轴加工精度。2 倾斜面加工在对工件上的某个倾斜面进行钻孔或铣槽等形状加工时， 通过指定加工面为XY平面，编程工作就会变得很简单。倾斜面加工命令可以实现这种指定方式， 同时，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于倾斜的加工面的方式自动地定位刀具。这个功能使在倾斜的加工面上的编程变得很简单。四CADCAM集成技术1对话式编程操作的简单和傻瓜化一直是主流数控系统厂商努力的方向， 为了能更加简化车间级的编程过程，以及为了未来和更高级的加工编程理念相靠近， 目前国际高档、主流数控系统制造商已经明确地将图形化、集成式的编程系统，作为数控系统功能的扩展。国内的华中数控等中高档系统均支持对话式编程。23D防碰动态碰撞监测功能(DCM)能为机床操作人员提供全面支持，一旦有碰撞危险， 系统立即中断加工 提高操作人员和机床的安全性，防止机床的损坏，避免代价高昂的停机损失，使无人职守生产模式更安全可靠。机床制造商需定义机床部件，所应用的几何形状，如平面、立方体、圆柱，描述工作区和碰撞对象还可组合多个几何体构成复杂的机床部件，系统自动考虑刀具半径圆柱体，对倾斜设备，机床制造商可用机床运动特性定义碰撞对象。3多通道协同控制近年来， 多通道技术的不断发展，在柔性生产线、复合机床及多轴控制等方面得到了广泛应用。如在多刀架车削中心中，两个通道的程序可同时对一个零件加工，大大提高了效率。在自动柔性生产线上， 装卸机械手采用一个通道控制， 零件的加工采用另一个控制，实现全自动化加工； 在高精度自动磨削机床上，一个通道对零件在线测量， 另一通道对零件进行加工，极大地提高了效率。五 图形化界面功能和水平进一步提高高档数控系统发展对图形化界面的功能和水平要求进一步提高，用户希望看到更丰富、更形象、更直观的界面， 以此减少用户编程难度，提高编程和加工效率。图形化界面包括两个方面的内容，一是界面控件的图形化。二是界面内容， 主要指加工过程的三维实时仿真。界面控件的图形化方面，FiYang、光洋及其它凡采用WINDOWS平台的系统都采用了图形化控件。华中数控21OC、HNC32数控系统都具备图形化控件。六在线测量功能集成数控系统在线测量与编程、加工的进一步集成是高档数控系统发展的一个趋势。数控系统自动对刀， 或加工过程中的自动测量是数控系统中需要集成的一个重要功能，在现实中也有很迫切的应用需求，例如高档数控磨床、车铣复合加工机床等。七对我国数控技术及其产业发展的基本估量我国数控技术始于1958年，发展历程大致有3个阶段：第1阶段从19581979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第2阶段是在国家的“六五”、“七五”期间及“八五”的前期。引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第3阶段在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。此阶段我国国产数控装备的产业化取得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50 ，配国产数控系统(普及型)也达到了10 。纵观我国数控技术近50年的发展历程，尤其是经过4个5年计划的攻关，取得了以下成绩：奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。即从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上。建立了诸如华中数控、航天数控等具有批最生产能力的数控系统生产厂和产业基地。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了长足的进步，但我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求有较大的差距。从纵向看我国的发展速度很快，但横向比(与国外对比)技术水平有差距，即一些高精尖的数控装备技术水平差距有扩大趋势。从国际来看，我国数控技术水平和产业化水平情况大致是：技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年。在高精尖技术方面则更大 产业化水平上，市场占有率低。品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高。商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。八对我国数控技术和产业化发展的思考我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅是世界新经济格局中的国际。“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心地位，这将严重影响我国现代制造业发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先，从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展可提高人民的生活水平，还可缓解我国的就业压力，保障社会稳定；其次，从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品列为国家的战略物质，对我国实行禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。在数控技术和产业化发展的问题上，应从我国的基本国情出发，以国家战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的主要内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，用整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模的中国数控装备最终难以有