高速數控技術應用及未來發展趨勢研究

    工業發達國家通過發展數控技術，建立數控機床產業，促使制造業跨入一個新的發展階段，給國民經濟結構帶來了巨大的變化。數控機床是世界第三次產業革命的重要內容，它不但是機電工業的重要基礎裝備，還是汽車、石化、電子和現代醫療裝備等產業現代化的主要手段。特別是數控技術在制造業的擴展與延伸所產生的輻射作用和波及效果，足以給機械制造業的產業結構、產品結構、制造方式及管理模式等帶來深刻的變化。

    一、數控技術發展的3個階段

    1946年第一臺計算機在美國誕生，1952年第一臺數控機床也在美國誕生。自此，數控技術緊跟著電子技術和計算機技術的發展而發展。近50多年來，數控技術經歷了3個階段、6個時代的發展歷程。

    數控技術發展的第一個階段稱為NC階段，這個階段的數控技術發展又經歷了3個時代，即電子管時代、晶體管時代和中小規模集成電路時代。

    第二個發展階段稱為CNC階段。1970年小型計算機開始用于數控系統，這是第4代數控系統；1974年微處理器開始用于數控系統，數控系統發展到第5代。迄今為止，在生產中使用的數控系統大多數都是第5代數控系統。

    第三個發展階段稱為ONC階段。從20世紀90年代開始，在美國首先出現了在PC機平臺上開發的數控系統，就是所謂開放式數控系統，即第6代數控系統。

    2、第5、第6代數控系統的比較

    第5代數控系統的特點是計算機的專用性。目前市場上第5代數控系統的代表是日本的FANUC-0系統和德國的西門子810系統等，其最大特點就是計算機的專用性，一套數控系統就是一臺專用計算機，里面有十幾塊甚至幾十塊專用芯片，與標準的計算機不兼容，它們之間也互相不兼容。

    第6代數控系統的特點是計算機的開放性與兼容性。技術特點為：PC技術，Win操作平臺(并能在最短的時間內采用計算機發展的新成果)；技術支持為：大量的硬件板卡廠商，大量的應用軟件開發公司。

    3、數控技術的發展趨勢

    從目前來看，針對機械加工的要求，數控機床的發展趨勢主要有5個方面：①基于PC的開放式；②網絡化(采用TCP／IP通訊協議)；③數字化；④多軸聯動；⑤高速高精度。

    目前世界上一些先進數控系統都采用Windows平臺，如：FANUC 300i、西門子840Di、海德漢TNCi 530等。

    4、采用第6代數控技術的典型系統介紹

    4.1 FANUC的新系統

    日本FANUC的控制器具有PC機及個人計算機功能，如：150i／160i／180i／210i等，解決了第5代系統的封閉性、不兼容性的問題。

    4.2 FANUC的納米數控系統30i和31i

    納米插補：納米插補產生以納米為單位的指令給數字伺服控制器，使數字伺服控制器的位置指令平滑，因而提高了加工表面的平滑性。

    2004年11月的日本東京國際機床展和2006年3月的上海國際機床展上，FANUC展示了30i與31i兩款納米級數值控制器，其最小輸入單位為千分之一微米，日本安田工業已率先采用，目前一般的控制器精度約在0.1μm。

    4.3 西門子840Di數控系統

    840Di是全PC集成的更加靈活的開放式數控系統，建立在標準的微軟新操作系統和帶奔騰處理器(P2)的個人計算機基礎之上，CNC控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運行，可以省略傳統控制系統中所需的NC處理單元。這種控制系統包含大量的標準化部件，如帶接口卡的工業PC機、PROFIBUS-DP、Windows NT操作系統、OPC(用于過程控制的OLE)用接口和NC控制軟件等。應用領域更廣，包括各種機床以及木制品、建材等機械，而且可靠性更高，向智能化前進了一大步。

    4.4 我國應積極采用第6代數控技術

    計算機的迅速發展給中國數控產業帶來了巨大的希望和前所未有的機遇。就采用計算機技術發展的新成果而論，我們和世界上最先進的數控系統廠家的差距不太大或基本是平等的，開發數控新產品，積極運用先進計算機技術，會給企業帶來生機。如南京四開公司成功地開發出了具有自主知識產權的基于標準計算機平臺的數控系統，設計制造出多種型號的數控機床，滿足了市場的需求。

    我國應積極采用第6代數控系統，這樣可以大大縮小與國際先進數控系統發展之間的差距。

    5、高速數控技術

    高速加工是指主軸的高轉速和高進給速度以及高進給加速度，還有高的加速度變化率。

    高速加工機床不僅要有高的主軸轉速，也應具備與主軸轉速相匹配的高進給速度。為了保證加工輪廓的高精度，機床還必須具備高的進給加速度。因為一臺高速機床沒有足夠高的進給加速度，是無法高速地進行高精度復雜曲面輪廓的加工，所以要求高速加工的機床在加工復雜曲面時，根據不同的曲率半徑，在最短的時間內不斷地調整進給速度。

    5.1 高速加工對數控系統的要求

    1)需要前瞻預處理，要求系統具有足夠的超前路徑加減速優化預處理的能力。在高速加工中，為了保證機床在高速運動條件下的精度和平穩性，系統必須估計到將要執行的一系列空間待加工路徑，并根據速度預計得足夠遠。

    2)要求系統對高速采樣截尾誤差的精確預估，保證系統運行的平穩性。

    為了保證直線電機高速運行時的高精度，數控系統必須具有高速采樣插補功能。

    3)要求系統具有高的抑制外部擾動力的能力即魯棒性。