CNC控制器的發(fā)展趨勢

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摘要：數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。本文概述數(shù)控機(jī)床控制器的發(fā)展趨勢。隨著信息技術(shù)(1T)和制造技術(shù)(MT)的發(fā)展，出現(xiàn)了更多功能、更高性能的控制器，諸如多坐標(biāo)、多系統(tǒng)(通道)的控制；具有高精、高速、5軸加工功能和復(fù)雜加工、數(shù)控復(fù)合機(jī)床、進(jìn)網(wǎng)通信、高可靠性和安全性等功能。為了增加操作和使用系統(tǒng)的可操作性和可移植性，控制器開放已經(jīng)成為潮流。數(shù)字制造要求數(shù)控系統(tǒng)建立在一個(gè)全新的信息技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上，容易利用網(wǎng)絡(luò)傳遞加工制造信息，進(jìn)行CAD／CAM與CNC一體化的加工制造。這就出現(xiàn)了STEP—NC新型的數(shù)控系統(tǒng)。
 

   數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術(shù)(1T)與制造技術(shù)(MT)結(jié)合發(fā)展的結(jié)果。最近20年來，信息技術(shù)的急劇發(fā)展大大激發(fā)和增加了制造系統(tǒng)的上層智能功能；下一個(gè)20年，智能將延伸到工廠的車間底層，控制器將具有更高性能和更多功能；由于控制器的柔性，單臺機(jī)床將變得更加靈活和精巧；可以廣泛地進(jìn)行通信；方便地進(jìn)行集成和重構(gòu)；對過程進(jìn)行測量，預(yù)示結(jié)果，診斷故障，避免事故；并按照科學(xué)的模式進(jìn)行加工，達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率。下面是一些關(guān)于控制器最新的發(fā)展情況。fficeffice" />

1.CNC控制器的性能進(jìn)一步提高、具有更多功能1．1 多坐標(biāo)、多系統(tǒng)控制

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   比如FANUC最新的高檔控制器11S30i—MODEL A系統(tǒng)，最大控制系統(tǒng)數(shù)為10個(gè)系統(tǒng)(通道)，最多軸數(shù)和最大主軸配置數(shù)為40軸，其中進(jìn)給軸32軸，主軸為8軸，最大同時(shí)控制軸數(shù)為24軸／系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)為3個(gè)系統(tǒng)。最大I／O點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn)／4096點(diǎn)，PMC基本命令速度為25ns。最大可預(yù)讀程序段：1000段。這是當(dāng)前世界配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。由于具有多軸多系統(tǒng)配置，因此特別適合大型自動機(jī)床，復(fù)合機(jī)床，多頭機(jī)床等的需要。
1．2 高精、高速加工功能

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   這是CNC系統(tǒng)最重要的功能，由于有了這個(gè)功能，使制造技術(shù)(MT)大大地向前發(fā)展了。數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制，可以保證加工的零件具有很高的精度重復(fù)性。但為了得到一定的功能，輸入控制器的信號要經(jīng)過一系列處理，不可避免地要失真、延時(shí)。因此在高速加工時(shí)，要保持高的加工精度就要采取一定的措施減少失真、延時(shí)。高精、高速的加工，除了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造要保證能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外，對CNC系統(tǒng)的要求主要是處理速度快、控制精度高。采用前饋控制，以補(bǔ)償由于伺服滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。“前瞻”控制在程序執(zhí)行前對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運(yùn)動，而且誤差很小。對于機(jī)床平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制，采用對指令形式的實(shí)時(shí)識別，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在最佳狀態(tài)。為了防止擾動，開發(fā)數(shù)字濾波器的技術(shù)，以消除機(jī)械的諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精進(jìn)給和主軸的伺服系統(tǒng)對高速、高精和高效十分重要。目前主要從以下幾方面提高其性能。減少電機(jī)和驅(qū)動器以及控制單元的大小，提高編碼器的分辨率；直線移動軸可以來用直線伺服電機(jī)驅(qū)動；減少機(jī)械傳動鏈，提高剛度，提高精度。當(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)時(shí)，它非常適用于齒輪機(jī)床的系統(tǒng)，齒輪機(jī)床有時(shí)需要很低的主軸速度，但精度很高。比如，FANUC伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)體積小，采用高增益控制，伺服電機(jī)是無齒槽效應(yīng)的電機(jī)，帶有1．6xlo’脈沖／轉(zhuǎn)分辨率的編碼器。伺服控制采用交流數(shù)字伺服控制，具有很高電流檢測精度，采用相應(yīng)的硬件，可以產(chǎn)生所謂“納米控制”，也就是在系統(tǒng)檢測分辨率為1嶺m時(shí)，插補(bǔ)分辨率可以達(dá)到1nm；它使在CNC內(nèi)部的計(jì)算誤差最小化，每次內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位，大大提高了加工的質(zhì)量。對于控制直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動機(jī)械帶來的多點(diǎn)諧振特性，聯(lián)合這些功能，機(jī)床刀具的運(yùn)動就可以準(zhǔn)確地按照著指令執(zhí)行。對于加工具有自由曲面的模具，會在程序段之間出現(xiàn)條紋，為了解決這個(gè)問題，FANUC開發(fā)了“納米平滑”功能，圓整CNC指令的公差，以“納米”為單位評估原始曲線，并對其進(jìn)行NURBS插補(bǔ)。這些性能滿足了機(jī)床“高速高精”以及“低速高精”的要求。
1．3 5軸加工和復(fù)雜加工功能

   由于5軸加工工藝合理，相對于3維曲面加工，它可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進(jìn)行切削，在復(fù)雜形狀的高速高精加工中可以提高效率，提高光潔度。因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。5軸加工的機(jī)械其配置主要有刀具旋轉(zhuǎn)方式、工作臺旋轉(zhuǎn)方式和這兩種的混合方式。因此5軸加工功能要能滿足各種配置的要求。根據(jù)5軸加工的特點(diǎn)，把它們，比如TCP(刀具中心控制)，刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ埽瑧?yīng)用到不同機(jī)械配置的5軸加工機(jī)床。
1．4 數(shù)控復(fù)臺功能

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   為了提高生產(chǎn)率，數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床的開發(fā)和制造已變成數(shù)控機(jī)床的一種發(fā)展趨勢。復(fù)合加工機(jī)床是指在同一機(jī)械上可以進(jìn)行多種工藝的加工，如在一臺機(jī)床上可以進(jìn)行車加工、銑加工、錘加工等，比如，一個(gè)圓柱體要進(jìn)行圓柱表面的車削、錘子L、還要求在圓柱面上銑溝槽，這些加工都要求在同一臺數(shù)控機(jī)床上完成。這樣就能大大提高生產(chǎn)率。因此，對于數(shù)控復(fù)合機(jī)床，百先需要增加可以用于進(jìn)行復(fù)合加工功能的控制系統(tǒng)，比如銑床需要增加螺錐線功能、螺旋線功能、3維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等，另外，刀具補(bǔ)償功能也需要既有車加工又有銑加工的功能。除此以外，這種機(jī)床還經(jīng)常需要高速加工。
1．5 進(jìn)網(wǎng)通信功能

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   為了通過PC或數(shù)控系統(tǒng)本身對多臺機(jī)床進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。以便傳遞程序，監(jiān)控加工狀態(tài)。除此以外，網(wǎng)絡(luò)功能還可以傳送維修數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、操作和診斷；傳送CAD／CAM數(shù)據(jù)。CNC具有現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)功能，就可以在CNC與伺服裝置之間，CNC與I／o控制之間傳遞控制、監(jiān)控和診斷數(shù)據(jù)。目前主要采用以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無線技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)。
無線技術(shù)可以使信息到達(dá)幾乎是任何地方。
1．6 高可靠性和安全性功能

   CNC系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床一起，工作在底層車間，經(jīng)受惡劣的環(huán)境，如：溫度，濕度，振動，油霧，粉塵的影響，同時(shí)又要求連續(xù)工作；因此對可靠性要求特別高，除了可靠性設(shè)計(jì)、制造工藝等措施外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的可靠性主要采取以下措施：①采用光纖，減少電纜連接，比如FANUC的數(shù)控系統(tǒng)通過光纖連接CNC和伺服放大器，以串行高速的方式從CNC到多個(gè)伺服放大器傳遞大量的數(shù)據(jù)。②采用糾錯(cuò)碼(ECC：EnorCorrecting Code)傳送數(shù)據(jù)，隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)，也要求對微處理器、存儲器和LSI的處理速度大大提高。由于這些安裝在CNC的印刷板上的高速電子元器件進(jìn)行高速讀、寫和傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，由IC驅(qū)動的信號波形變?yōu)闇螅谶@樣的狀況下，不采用模擬電路處理的方法時(shí)，導(dǎo)致不能正確地傳遞數(shù)字信號。另外，在最新電子元件低壓供電時(shí)，降低了電路低抗噪音的運(yùn)行范圍。為此，CNC電路將采取更先進(jìn)的糾錯(cuò)碼傳遞數(shù)據(jù)。ECC是一種領(lǐng)前的高可靠性技術(shù)，通過把ECC加到數(shù)據(jù)上以傳送各種不同型式的數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)更可靠。②采用雙檢安全(Dual Check Sa缸y)措施。“雙檢安全”與歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)(EN954—1)一致。它的原理是在CNC內(nèi)嵌人多個(gè)處理器冗余地監(jiān)控伺服電機(jī)和主軸電機(jī)以及與安全相關(guān)的I／0信號并使用急停與相關(guān)的I／0電路使系統(tǒng)安全地運(yùn)行和停止。

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2 控制器的開放
   當(dāng)出現(xiàn)NC機(jī)床以后，制造廠家就希望能打開NC系統(tǒng)這個(gè)黑盒子，部分或全部地代替機(jī)床設(shè)計(jì)師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能放進(jìn)NC系統(tǒng)，同時(shí)也希望它具有圖形交互、診斷等功能。這就需要商用的數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和提供給用戶的開發(fā)平臺。要求NC控制器透明以使機(jī)床制造商和最終用戶可以自由地執(zhí)行自己的思想。于是產(chǎn)生了開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。
   IEEE“開放系統(tǒng)技術(shù)委員會”定義“開放結(jié)構(gòu)”為：“開放系統(tǒng)所執(zhí)行的應(yīng)用可以運(yùn)行在多家制造者不同的平臺；并可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用具有互操作性，且呈現(xiàn)與用戶交互協(xié)同(1EEElo03．0)。”也可以用下列的性能指標(biāo)評估控制器的開放性。比如應(yīng)用模塊為AM：①移植性：在保持應(yīng)用模塊(AM)的功能下，不需任何變化就可以應(yīng)用到不同的平臺。②擴(kuò)展性：不同的AM能運(yùn)行在一個(gè)平臺而不出現(xiàn)沖突。③互操作性：AM在一起工作時(shí)表現(xiàn)為相互協(xié)同，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。④縮放性：按照用戶的需要，AM的功能、性能和硬件的規(guī)模可以伸縮。
   開放結(jié)構(gòu)的控制器(oAC)使控制器銷售商、機(jī)床制造商和最終用戶可以從柔性和敏捷生產(chǎn)中獲得較大利
益。其主要目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境下采用開放的接口使操作方便，成本降低和柔性增加。這樣的系統(tǒng)能力被廣泛接受。軟件可以重復(fù)使用，用戶可以按照給定的配置設(shè)計(jì)他們的控制器。
   控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)由于考慮到對實(shí)時(shí)和可靠性要求很嚴(yán)格，因此是高度復(fù)雜的系統(tǒng)。其特點(diǎn)是基于PC，相互鏈接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)組件和接口，系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊所組成。在開放系統(tǒng)中，各個(gè)組件和接口還可以在制造過程中實(shí)現(xiàn)增加智能的優(yōu)點(diǎn)。對于控制的復(fù)雜性，這些系統(tǒng)的硬件和軟件是基本的工具。控制的接口可以分成兩組：內(nèi)部和外部的接口。①外部接口：這些接口連接系統(tǒng)和監(jiān)控單元以及子單元、用戶。它們可以分為編程接口和通信接口。NC與PI‘C編程接口采用國家或國際標(biāo)準(zhǔn)，如RS一274、DIN66025、或IECffice:smarttags" />6l131—3。通訊接口也強(qiáng)烈地受標(biāo)準(zhǔn)的影響。現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如SERCOS，P凹肋us或Device Net用作驅(qū)動和I／O的接口。I，AN(局網(wǎng)LocalArea Network)網(wǎng)絡(luò)主要基于以太網(wǎng)和TCP／IP與監(jiān)控系統(tǒng)連系的接口。②內(nèi)部接口：用于組件間的互相作用和數(shù)據(jù)交換，以形成控制系統(tǒng)的核心。在這方面，一個(gè)重要的性能是支持實(shí)時(shí)機(jī)構(gòu)。為了得到可重構(gòu)和白適應(yīng)的控制，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于平臺的概念。由于軟件組件中無法知道專用硬件的詳情，因而主要的目標(biāo)是建立一個(gè)可定義的但是在軟件組件間進(jìn)行柔性的通訊方法。應(yīng)用編程接口(APl)保證了這些需要。控制系統(tǒng)的全部功能被分為幾個(gè)包，模塊化的軟件組件通過被定義的API互相作用。
   根據(jù)1999年美國機(jī)器人工業(yè)論壇的資料，當(dāng)年美國機(jī)器人全部裝機(jī)的系統(tǒng)是機(jī)器人本身價(jià)值的3—5倍，也就是如果有lo億美元機(jī)器人的市場，等于增加20到40億美元的附加值，如果其中25％歸因于軟件集成的原因引起的，再認(rèn)為如果通過標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)和應(yīng)用，采用開放體系結(jié)構(gòu)的控制器使其中降低50％；那么在采用開放控制器后，每年潛在的價(jià)值就可以節(jié)省2億5千萬到5億美元。
   目前，開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有3種形式：①基于PC的CNC系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以PC機(jī)為平臺，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過伺服卡傳送數(shù)據(jù)，控制坐標(biāo)軸電機(jī)的運(yùn)動。這類系統(tǒng)有時(shí)也稱為Soft NC，這樣的系統(tǒng)容易做到全方位開放。②PC嵌入式：這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)為：CNC十PC主板，即把一塊CNC板插入傳統(tǒng)的PC機(jī)器中，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動為主的實(shí)時(shí)控制，或且CNC作為數(shù)控功能運(yùn)行，而PC板作為用戶的人機(jī)接口平臺。③PC十CNC：目前主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為NC系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，像PC機(jī)存在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。而系統(tǒng)功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上這些廠家長期已經(jīng)生產(chǎn)大量的NC系統(tǒng)；體系結(jié)構(gòu)的變化會對他們原系統(tǒng)的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良的影響。因此不把開放結(jié)構(gòu)作為主要的產(chǎn)品，仍然大量生產(chǎn)原結(jié)構(gòu)的NC系統(tǒng)。為了增加開放性，主流NC系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在一起，大大提高了人機(jī)界面的功能，比較典型的如FANUC的150i／160i／180i／210j系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusion system)。由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機(jī)床制造商的歡迎。成為NC技術(shù)的發(fā)展

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3 STEP-NC

   它基于STEP，并把STEP擴(kuò)展到NC，形成“STEP—NC”。開發(fā)和推廣這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的首要目的是實(shí)現(xiàn)不同的CAx系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性文件來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前，企業(yè)之間的專業(yè)分工趨向越來越明顯。一個(gè)汽車總裝廠往往有好幾百個(gè)零部件供應(yīng)商，這些企業(yè)可能采用不同的CAD系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換的工作量非常大。采用CAD系統(tǒng)之間點(diǎn)對點(diǎn)的交換方式是不可取的。只有通過一種統(tǒng)計(jì)表的方式來表達(dá)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)表的文件格式來輸入和輸出數(shù)據(jù)才有可能實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換。STEP體系結(jié)構(gòu)可歸納為采用ExPRESS的語言(ExPRESS是一種信息建模語言)，具有三層結(jié)構(gòu)(應(yīng)用層、邏輯層、物理層)。也可以認(rèn)為STEP的核心是一個(gè)工程定義的數(shù)據(jù)庫，這些定義可以組成不同的應(yīng)用協(xié)議，引1用于各產(chǎn)業(yè)需要的產(chǎn)品模塊。數(shù)據(jù)庫包括幾何、拓?fù)洹⒐睢㈥P(guān)系、屬性、裝配、配置和其他的特性。而新的產(chǎn)品模塊在需要增加時(shí)可以不斷加入。
   “CNC控制器的數(shù)據(jù)模型”(以下稱STEP—NC)是NC的數(shù)據(jù)從CAM到CNC的數(shù)據(jù)模型，它解決現(xiàn)行的NC程序缺乏通用性及移植性的問題。使“STEP—NC”產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)用作直接機(jī)床的輸人已經(jīng)發(fā)展成具有實(shí)際的意義。這種“STEP—NC”是無G和M代碼，無后置處理的NC。ISol4649標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)為：(1)改進(jìn)CAD／CAM系統(tǒng)與CNC控制器間的聯(lián)接；保證“STEP—NC”能在CAD／CAM之間傳遞數(shù)據(jù)。不是采用刀具的運(yùn)動，而是采用工作步驟面向?qū)ο蟮母拍睿愿倪M(jìn)IS06893的缺點(diǎn)。工作步驟相應(yīng)于高級特征和過程的參數(shù)。CNC可以對工作步驟解析為坐標(biāo)的運(yùn)動和刀具的動作。(2)數(shù)據(jù)模塊必須包括所有的復(fù)雜級別(從加工時(shí)指令的CAD幾何數(shù)據(jù)到帶離散值的簡單軸運(yùn)動)。(3)NC程序設(shè)想可以放在新開發(fā)的CNC控制器上，但是它也可能放在分離的支持和改進(jìn)現(xiàn)有NC控制器的高級系統(tǒng)上(包括各種網(wǎng)絡(luò))。(4)對于NC程序的新標(biāo)準(zhǔn)將提供機(jī)床操作者更多的柔性、功能、統(tǒng)計(jì)表的編程定義和相關(guān)控制和幾何過程的修正。(5)新標(biāo)準(zhǔn)允許MTB的操作者由于他的專用機(jī)床和技術(shù)而執(zhí)行專門的功能。(6)對于最終用戶新的標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的編程，更快、更廉價(jià)的程序準(zhǔn)備和由于統(tǒng)一的編程格式導(dǎo)致的低成本。(7)較少的后置處理而且更標(biāo)準(zhǔn)化。在NC編程級，CAD／CAM系統(tǒng)和NC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換將更方便