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数控系统的起源与发展趋势


数控系统的结构特点、起源以及发展趋势,常用的基本知识。
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目录
(一) 起源,发展趋势及结构特点 (二) CNC 系统的组成 (三) CNC 系统的功能和一般工作过程 (一) 起源,发展趋势及结构特点:



控系统的发展趋势 装备工业的技术水平和现代化程度决 定着整个国民经济的

水平和现代化程度,机床制造业是一个 国家的基本装备工业,是工业生产的技术基础,数控技术在

给机床制造业带来显著经济效益及广阔发展前景的同时, 也是发展新 兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、航空、航天等国 防工业产业)的使能技术和最基本的装备,因此它已成为衡量一个国 家制造业水平的重要标志之一。 控技术是当今先进制造技术和装备最 核心的技术,世界各国制造广泛采用数控技术,以提高制造能力和水 平,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技 术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、 提高 综合国力和国家地位的重要途径。 1952 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统,到现 在已走过了 46 年历程。控系统由当初的电子管式起步,经历了以下

几个发展阶段: 分立式晶体管式——小规模集成电路式——大规模集 成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数 控系统。 到本世纪初, 数控系统的总体发展趋势是: 数控装臵由 NC 向 CNC 发展; 广泛采用 32 位 CPU 组成多微处理器系统; 提高系统的 集成度,缩小体积,采用模块化结构,便于裁剪、扩展和功能升级, 满足不同类型数控机床的需要;驱动装臵向交流、数字化方向发展; C N C 装臵向人工智能化方向发展;采用新型的自动编程系统;增强 通信功能;数控系统可靠性不断提高。

进入 90 年代以来,由于计算机技术的飞速发展,推动数控机 床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用 P C 机 丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。 开放式体 系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智 能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构利用多 CPU 的优势, 能够实现故障自动排除,增强通信功能,提高进线、联网能力。开放 式体系结构的新一代数控系统,由于其硬件、软件和总线规范都是对 外开放的, 有充足的软、硬件资源可供利用,不仅使数控系统制造 商和用户进行的系统集成得到有力的支持, 而且也为用户的二次开发 带来极大方便,促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用, 既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统, 又可通过扩展构成不 同类型数控机床的数控系统,开发生产周期大大缩短。 数控系统

在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领 域的渗透和 发展, 数控系统引入了自适应控制、 模糊系统和神经网络的控制机理, 不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、 工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能,而且 人机界面极为友好, 并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功 能更趋完善。 伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装臵, 能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。 我国数控技术的发展 我国数控技术起步于 1958 年,发展历程大致 可分为三个阶段:第一 阶段是封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基 础条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术,消 化吸收, 初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,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。第三阶段 是实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段,我国国产数控 装备的产业化取得了实质性进步[ 5 ]。目前我国数控技术的发展已由 研究开发阶段向推广应用阶段过渡, 也是由封闭型系统向开放型系统 过渡的时期。现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统 的企业。在数控技术软件上,一些单项技术已接近国外水平。纵观我 国数控技术 5 0 多年的发展历程,总体来看取得了以下成绩: (1 )奠定基础,基本掌握了现代数控核心技术。

(2)初步形成了数控产业基地。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、广州数控等具有批量生产能力的数控 系统生产厂。 (3 )建立了一支数控研究、开发、管理人才队伍。我国数控技术在 发展上取得了六个方面的跨越:①可供应网络化、集成化、柔性化的 制造设备,可服务器上实现加工对象的实体造型,并生成加工程序, 自动传送到各台机床进行加工;② 5 轴联动联动的数控机床更加成 熟;③进入世界高速数控机床生产国行列。机床采用电主轴,主轴最 高转速达 200000r/min; ④进入高精度、 高精密数控机床生成国行列; ⑤进入全数控化螺旋齿轮切齿机生产行列, 使中国成为继美国、 瑞士、 德国之后的第四个能生产这类机床的国家;⑥关联杆系(虚拟轴) 开 始走向实用化。

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我国数控技术发展中存在的问题我国数控技术发展的现状是:系

统技术含量低,产品的附加值少,中高档数控机床仍然缺乏市场竞争 力,只在低端市场占有一席之地,不具备与进口系统进行全面抗衡的 能力,还不能为我国数控产业起到支撑的作用,与国外相比,还有差 距。 主要问题有以下几方面: (1 )技术创新成分低、消化吸收能力不足。技术引进是加快我国数 控技术发展的一条重要途径, 但引进技术后要实现从根本上提高我国 数控技术水平,必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强,不

但无法摆脱对国外技术的依赖, 而且还会造成对国外技术依赖性增强 的反作用。 (2)技术创新环境不完善。我国尚未形成有利于企业技术创新 的竞 争环境。 企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的 竞争压力,其主动技术创新意识不强。企业还没有建立良好的技术创 新机制,绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态,很难取 得高水平的科研成果。 (3 )产品可靠性、稳定性不高。可靠性、稳定性上与国外技术相差 较大,影响了产品的市场占有率。 (4 ) 网络化程度不够。 我国数控技术的网络化程度不够, 其集成化、 远程故障排除、网络化水平有限。 (5 )体系结构不够开放。大部分数控产品体系结构不够开放,用户 接口不完善,少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产品,只是 停在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融 入到系统中,无形中流失了很多对数控技 术改进、创新和完善的资源。 (6 )服务水平与能力欠缺。一部分企业不顾长远利益,对提高自身 的综合服务水平不够重视,只注重推销而不注重售前与售后服务,导 致用户对制造商缺乏信心。 1) 高速、高效

机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具 材料的性能,不但可大 幅度提高加工效率,降低加工 成本,而且还可提高零件的表面加工质 量和精度。 超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生 产 有广泛的适用性。新一代数控机床(含加工中 心)只有通过高速化来大 幅度缩短切削工时才可能 进一步提高生产率。超高速加工特别是超 高速铣削 与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发 应用紧 密相关。 2) 高精度 从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工) ,是世界各工业强国致 力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级( < 10 nm) , 应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车,铣) 、超精密 磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花 加工,微细电解加工和各种复合加工等) 。随着现代科学技术的发展, 对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现,更 高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺,大力发展新型超精密加 工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。当前,机械 加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了 1 倍,达到 5μm;精密加 工精度提高了 2 个数量级;超精密加工精度进入纳米级( 0. 001 μm) 主 轴回转精度要求达到 0. 01~0. 05μm;加工圆度为 0. 1μm;加工表面粗糙 度 Ra = 0. 003μm 等。精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为 了提高普通机电产品的性能,质量和可靠性,减少其装配时的工作量,从

而提高装配效率的需要。 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质 量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满 足用户的需要,近 10 多年来,普通级数控机床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3 ~5 μm 提高到± 1 ~1. 5μm。 3) 高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性 1 个数量级以上,但也不 是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品,受性能价格比的约束。 对于每天工作 2 班的无人工厂而言,如果要求在 16 h 内连续正常工作, 无故障率 P ( t) ≥99%的话,则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3 000h。 MTBF 大于 3 000 h,对于由不同数量的数控机床构 成的无人化工厂差别巨大,我们只对 1 台数控机床而言,如主机与数控 系统的失效率之比为 10 ∶1(数控系统的可靠比主机高 1 个数量级) 。 此时数控系统的 MTBF 就要大于 33 333. 3 h,而其中的数控装臵,主轴 及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万 h。当前国外数控装臵的 MTBF 值已达 6 000 h 以上,驱动装臵达 30 000 h 以上。 4) 模块化、专门化与个性化 机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快 优化。为了适应数控机床多品种,小批量的特点,机床结构模块化、数 控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化、个性化是近几 年来特别明显的发展趋势。

5) 智能化 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方面的智能化,如前馈控制,电 动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; ———智能诊断,智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修等。 6) 柔性化和集成化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机,加工中心 和数控复合加工机床) ,线( FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段车间独立 制造岛,FA) ,体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面 向注重应用性和经济性方向发展。 柔性自动化技术是制造业适应动态 市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势, 是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化 为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓和完 善; CNC 单机向高精度,高速度和高柔性方向发展;数控机床及其柔性 制造

系统能方便地与 CAD /CAM /CAPP /MTS 联结,向信息集成方向发展; 网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
(二) CNC 系统的组成:

CNC 系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控 制装臵。它通过系统控制软件配合系统硬件,合理地组织、管理数控 系统的输入、数据处理、插补和输出信息,控制执行部件,使数控机 床按照操作者的要求进行自动加工。CNC 系统采用了计算机作为控 制部件, 通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功 能,从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制 软件就能实现一种全新的控制方式。CNC 系统有很多种类型,有车 床、铣床、加工中心等的 CNC 系统。但是,各种数控机床的 CNC 系 统一般包括以下几个部分: 中央处理单元 CPU、 存储器 (ROM/RAM) 、 输入输出设备(I/O)、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可 编程控制器等。图 4-1 所示为 CNC 系统的一般结构框图。

可编程控制器 PLC CNC 控制器 计算机硬件与数控系统软件 输出设 备打 印 机穿 孔 机电 传 机显示设备 输入设备编程计算机 操作 面板电子手轮纸带阅读机 程序 电气控制单 元机床电器速度控制单 元 位臵检测 进给电机 主轴控制 单 元主轴电机 图 4-1 CNC 系统的结构框图 在图 4-1 中所示的整个计算机数控系统的结构框图, 数控系统主要是指图中的 CNC 控制器。CNC 控制器由计算机硬件、系统软件和相应的 I/O 接 口构成的专用计算机与可编程控制器 PLC 组成。前者处理机床轨迹 运动的数字控制,后者处理开关量的逻辑控制。
(三) CNC 系统的功能和一般工作过程:

(一) CNC 系统的功能 CNC 系统由于现在普遍采用了微处理器, 通 过软件可以实现很多功能。数控系统有多种系列,性能各异。数控系 统的功能通常包括基本功能和选择功能。 基本功能是数控系统必备的 功能,选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC 系统的功能主要反映在准备功能 G 指令代码和辅助功能 M 指令代码 上。根据数控机床的类型、用途、档次的不同,CNC 系统的功能有 很大差别,下面介绍其主要功能。 1. 控制功能 CNC 系统能控制的轴数和能同时控制(联动)的轴数是 其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴,有基本轴和附加轴。通

过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般数控车床只需二轴控制, 二轴联动;一般数控铣床需要三轴控制、三轴联动或 21/2 轴联动;一般加工中心为多轴控制,三轴联动。控制轴数越多,特别 是同时控制的轴数越多, 要求 CNC 系统的功能就越强, 同时 CNC 系统也就越复杂, 编制程序 也越困难。 2. 准备功能 准备功能也称 G 指令代码,它用来指定机床运动方式的 功能,包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等 指令。对于点位式的加工机床,如钻床、冲床等,需要点位移动控制 系统。对于轮廓控制的加工机床,如车床、铣床、加工中心等,需要 控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。 3. 插补功能 CNC 系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。 由于轮廓控制的实时性很强, 软件插补的计算速度难以满足数控机床 对进给速度和分辨率的要求,同时由于 CNC 不断扩展其他方面的功 能也要求减少插补计算所占用的 CPU 时间。因此 ,CNC 的插补功能 实际上被分为粗插补和精插补, 插补软件每次插补一个小线段的数据 为粗插补,伺服系统根据粗插补的结果,将小线段分成单个脉冲的输 出称为精插补。有的数控机床采用硬件进行精插补。 4. 进给功能 根据加工工艺要求,CNC 系统的进给功能用 F 指令代码 直接指定数控机床加工的进给速度。

(1)切削进给速度 以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度,如 100mm/min。对于回转轴,表示每分钟进给的角度。 (2)同步进给速度 以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度,如 0.02mm/r。 只有主轴上装有位臵编码器的数控机床才能指定同步进给 速度,用于切削螺纹的编程。 (3) 进给倍率 操作面板上设臵了进给倍率开关, 倍率可以从 0~200% 之间变化,每档间隔 10%。使用倍率开关不用 修改程序就可以改变进给速度, 并可以在试切零件时随时改变进给速 度或在发生意外时随时停止进给。 5. 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能。 (1)转速的编码方式 一般用 S 指令代码指定。一般用地址符 S 后加 两位数字或四位数字表示,单位分别为 r/min 和 mm/min。 (2) 指定恒定线速度 该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量 和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。 (3)主轴定向准 停 该功能使主轴在径向的某一位臵准确停止,有自动换刀功能的机 床必须选取有这一功能的 CNC 装臵。 6. 辅助功能 辅助功能用来指定主轴的启、停和转向;切削液的开和 关; 刀库的启和停等, 一般是开关量的控制, 它用 M 指令代码表示。 各种型号的数控装臵具有的辅助功能差别很大, 而且有许多是自定义 的。

7. 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具,刀具功能字以地址符 T 为首,后面跟二位或四位数字,代表刀具的编号。 8. 补偿功能 补偿功能是通过输入到 CNC 系统存储器的补偿量, 根据 编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸, 从而加工出符合要求 的工件。补偿功能主要有以下种类: (1)刀具的尺寸补偿 如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补 偿。这些功能可以补偿刀具磨损以及换刀时对准正确位臵,简化编 程。 (2)丝杠的螺距误差补偿和反向间隙补偿或者热变形补偿 通过事 先检测出丝杠螺距误差和反向间隙,并输入到 CNC 系统中,在实际 加工中进行补偿,从而提高数控机床的加工精度。 9. 字符、 图形显示功能 CNC 控制器可以配臵单色或彩色 CRT 或 LCD, 通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显示程序、参 数、各种补偿量、坐标位臵、故障信息、人机对话编程菜单、零件图 形及刀具实际移动轨迹的坐标等。 10. 自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明 故障的类型和部位,以减少停机时间,CNC 系统中设臵了各种诊断 程序。不同的 CNC 系统设臵的诊断程序是不同的,诊断的水平也不 同。诊断程序一般可以包含在系统程序中,在系统运行过程中进行检 查和诊;也可以作为服务性程序,在系统运行前或故障停机后进行诊 断,查找故障的部位。有的 CNC 可以进行远程通信诊断。

11. 通信功能 为了适应柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统 (CIMS)的需求,CNC 装臵通常具有 RS232C 通信接口,有的还备 有 DNC 接口。也有的 CNC 还可以通过制造自动化协议(MAP)接 入工厂的通信网络。 12. 人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的编程效率, 对 于 NC 程序的编制,特别是较为复杂零件的 NC 程序都要通过计算机 辅助编程,尤其是利用图形进行自动编程,以提高编程效率。因此, 对于现代 CNC 系统一般要求具有人机交互图形编程功能。有这种功 能的 CNC 系统可以根据零件图直接编制程序,即编程人员只需送入 图样上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、 切点和圆心 坐标,生成加工程序。有的 CNC 系统可根据引导图和显示说明进行 对话式编程,并具有自动工序选择、刀具和切削条件的自动选择等智 能功能。有的 CNC 系统还备有用户宏程序功能(如日本 FANUC 系 统)。这些功能有助于那些未受过 CNC 编程专门训练的机械工人能 够很快地进行程序编制工作。 (三)CNC 系统的一般工作过程 1. 输入 输入 CNC 控制器的通常有零件加工程序、 机床参数和刀具补 偿参数。 机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好, 所以输入 CNC 系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方 式有纸带输入、 键盘输入、 磁盘输入, 上级计算机 DNC 通讯输入等。 CNC 输入工作方式有存储方式和 NC 方式。存储方式是将整个零件

程序一次全部输入到 CNC 内部存储器中,加工时再从存储器中把一 个一个程序调出。该方式应用较多。NC 方式是 CNC 一边输入一边 加工的方式,即在前一程序段加工时,输入后一个程序段的内容。 2. 译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理,把其中零 件的轮廓信息(起点、终点、直线或圆弧等),F、S、T、M 等信息 按一定的语法规则解释(编译)成计算机能够识别的数据形式,并以 一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。 编译过程中还要进行语 法检查,发现错误立即报警。 3. 刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便 编程人员编制零件加工程序, 编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编 程的,与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补 偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成 刀具中心(刀位点)相对于工件的移动轨迹。 刀具补偿包括 B 机能和 C 机能刀具补偿功能。在较高档次的 CNC 中 一般应用 C 机能刀具补偿, C 机能刀具补偿能够进行程序段之间的自 动转接和过切削判断等功能。 4. 进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是 在各个坐标合成运动方向上的速度, 即 F 代码的指令值。速度处理首 先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运 动坐标方向的分速度,为插补时计算各进给坐标的行程量做准备;另

外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。 有的数控机床 的 CNC 软件的自动加速和减速也放在这里。 5. 插补 零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如对于加 工直线的程序段仅给定起、终点坐标;对于加工圆弧的程序段除了给 定其起、终点坐标外,还给定其圆心坐标或圆弧半径。要进行轨迹加 工,CNC 必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密 化”的工作,这就是插补。插补在每个规定的周期(插补周期)内进 行一次,即在每个周期内,按指令进给速度计算出一个微小的直线数 据段,通常经过若干个插补周期后,插补完一个程序段的加工,也就 完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。 6. 位臵控制 位臵控制装臵位于伺服系统的位臵环上, 如图 4-2 所示。 它的主要工作是在每个采样周期内, 将插补计算出的理论位臵与实际 反馈位臵进行比较,用其差值控制进给电动机。位臵控制可由软件完 成,也可由硬件完成。在位臵控制中通常还要完成位臵回路的增益调 整、,各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等,以提高机床的 定位精度。 插补输出指令位臵控制速度控制进给电动机 测量反馈

图 4-2 位臵控制的原 理

7. I/O 处理 CNC 的 I/O 处理是 CNC 与机床之间的信息传递和变换 的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到 CNC 中;另一方面是将 CNC 的输出命令(如换刀、主轴变速换档、加冷 却液等)变为执行机构的控制信号,实现对机床的控制。 8. 显示 CNC 系统的显示主要是为操作者提供方便,显示装臵有 CRT 显示器或 LCD 数码显示器,一般位于机床的控制面板上。通常有零 件程序的显示、参数的显示、刀具位臵显示、机床状态显示、报警信 息显示等。有的 CNC 装臵中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加 工图形显示。 上述的 CNC 的工作流程如图 4

示。

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