數控技術(shù)發(fā)展趨勢-智能化數控系統

1　國內外數控系統概況
隨著(zhù)機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各發(fā)達國家投入巨資，對制造技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式。在現代制造系統中，數控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微、計算機、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著(zhù)舉足輕重的作用。，數控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專(zhuān)用型封閉式開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數控系統實(shí)現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)等多學(xué)術(shù)，數控系統實(shí)現了高速、高精、高效控制，加工過(guò)程中可以自動(dòng)修正、調節與補償各項參數，實(shí)現了在線(xiàn)診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò )化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現了中央集中控制的群控加工。
長(cháng)期以來(lái)，我國的數控系統為傳統的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據經(jīng)驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò)CAD/CAM及自動(dòng)編程系統進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒(méi)有反饋控制環(huán)節，整個(gè)制造過(guò)程中CNC只是一個(gè)封閉式的開(kāi)環(huán)執行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過(guò)程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長(cháng)、加工余量等加工參數，無(wú)法在現場(chǎng)環(huán)境下根據外部干擾和隨機因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調整，更無(wú)法通過(guò)反饋控制環(huán)節隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見(jiàn)，傳統CNC系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應日益復雜的制造過(guò)程，因此，對數控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。
　
2　數控技術(shù)發(fā)展趨勢
2.1　性能發(fā)展方向
(1)高速高精高效化　速度、精度和效率是機械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時(shí)采取了改善機床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化　包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統的效能。
(3)工藝復合性和多軸化　以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復合加工，正朝著(zhù)多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數控技術(shù)軸，西門(mén)子880系統控制軸數可達24軸。
(4)實(shí)時(shí)智能化　早期的實(shí)時(shí)系統通常針對相對簡(jiǎn)單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務(wù)，以確保任務(wù)在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實(shí)現人類(lèi)的各種智能行為。技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統和人工智能相互結合，人工智能正向著(zhù)具有實(shí)時(shí)響應的、更現實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統也朝著(zhù)具有智能行為的、更加復雜的發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應用正沿著(zhù)幾個(gè)主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、專(zhuān)家控制、控制、前饋控制等。例如在數控系統中配備編程專(zhuān)家系統、故障診斷專(zhuān)家系統、參數自動(dòng)設定和刀具自動(dòng)管理及補償等自適應調節系統，在高速加工時(shí)的綜合運動(dòng)控制中引入提前預測和預算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數控系統的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。
2.2　功能發(fā)展方向
(1)用戶(hù)界面圖形化　用戶(hù)界面是數控系統與使用者之間的對話(huà)接口。由于不同用戶(hù)對界面的要求不同，因而開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面的工作量極大，用戶(hù)界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前INTERNET、虛擬現實(shí)、科學(xué)計算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶(hù)界面提出了更高要求。圖形用戶(hù)界面極大地方便了非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的使用，人們可以通過(guò)窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現。

(2)可視化　科學(xué)計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語(yǔ)言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)等可視信息�？梢暬�技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結合，進(jìn)一步拓寬了領(lǐng)域，如無(wú)圖紙設計、虛擬樣機技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動(dòng)編程設計、參數自動(dòng)設定、刀具補償和刀具管理數據的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過(guò)程的可視化仿真演示等。
(3)插補和補償方式多樣化　多種插補方式如直線(xiàn)插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D 2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計算的刀具半徑補償等。
(4)內裝高性能PLC　數控系統內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語(yǔ)言編程，具有直觀(guān)的在線(xiàn)調試和在線(xiàn)幫助功能。編程工具中包含用于車(chē)床銑床的標準PLC用戶(hù)程序實(shí)例，用戶(hù)可在標準PLC用戶(hù)程序基礎上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。
(5)多媒體技術(shù)應用　多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術(shù)領(lǐng)域，應用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監控系統和生產(chǎn)現場(chǎng)設備的故障診斷、生產(chǎn)過(guò)程參數監測等方面有著(zhù)重大的應用價(jià)值。
2.3　體系結構的
(1)集成化　采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規�？删幊碳�成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專(zhuān)用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21世紀顯示技術(shù)的主流。應用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過(guò)提高集成電路密度、減少互連長(cháng)度和數量來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統的可靠性。
(2)模塊化　硬件模塊化易于實(shí)現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，通過(guò)積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。
(3)化　機床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠程控制和無(wú)人化操作。通過(guò)機床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機床上對其它機床進(jìn)行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫(huà)面可同時(shí)顯示在每一臺機床的屏幕上。
(4)通用型開(kāi)放式閉環(huán)控制模式　采用通用計算機組成總線(xiàn)式、模塊化、開(kāi)放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類(lèi)型、不同集成程度的數控系統。閉環(huán)控制模式是針對傳統的數控系統僅有的專(zhuān)用型單機封閉式開(kāi)環(huán)控制模式提出的。由于制造過(guò)程是一個(gè)具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過(guò)程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動(dòng)、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實(shí)現加工過(guò)程的多目標優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實(shí)時(shí)加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)調整加工過(guò)程變量。加工過(guò)程中采用開(kāi)放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計算機實(shí)時(shí)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動(dòng)態(tài)數據管理及動(dòng)態(tài)刀具補償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構成嚴密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化。
　
3　智能化新一代PCNC數控系統
當前開(kāi)發(fā)適應于復雜制造過(guò)程的、具有閉環(huán)控制體系結構的、智能化新一代PCNC數控系統已成為可能。
智能化新一代PCNC數控系統將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動(dòng)態(tài)數據管理及動(dòng)態(tài)刀具補償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系。

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