数控机床数控系统的发展趋势

数控机床是现代加工车间最重要的设备。它的发展是信息技术和制造技术相结合的结果。近20年来，信息技术的飞速发展极大地刺激和增加了制造系统的上层智能功能。未来20年，智能化将延伸到工厂底层，数控系统性能更高，功能更多；由于数控系统的灵活性，单个机床会变得更加灵活和精致；可以广泛传播；方便集成和重新配置；测量过程，预测结果，诊断故障，避免事故；并按照科学的方式进行加工，以达到最佳的生产效率。以下是关于数控系统的一些最新进展。

1.数控机床数控系统进一步改进，功能更多

1.1多坐标多系统控制

比如FANUC最新的高档数控系统11S30i—MODEL A系统，控制系统最大数量为10个系统(通道)，最大轴数和最大轴数配置为40轴，其中进给轴为32轴，主轴为8轴，最大同时控制轴数为24轴/系统。最大PMC系统是3个系统。最大I/o点数为4096/4096，PMC的基本命令速度为25ns。最大预读程序段:1000段。这是世界上配置最高的数控系统。多轴多系统配置，特别适合大型自动化机床、复合机床、多头机床等的需要。

1.2高精度和高速加工功能

这是数控系统最重要的功能。有了这一功能，制造技术有了很大的发展。数控机床由计算机控制，可以保证加工出的零件具有较高的精度和重复性。但是为了得到某种功能，输入到数控系统的信号要经过一系列的处理，不可避免的会产生失真和延迟。因此，在高速加工中，为了保持较高的加工精度，必须采取一定的措施来减少变形和时间延迟。高精高速加工，除了机械设计制造要保证目标能够实现外，对数控系统的要求主要是高加工速度和高控制精度。采用前馈控制补偿伺服滞后引起的误差，提高加工精度。通过控制进给速度和采用合适的加减速曲线，可以减小加减速滞后引起的误差。“前瞻”控制在程序执行前对运动数据进行计算、处理和缓冲，从而控制刀具高速运动，误差很小。对于机床平稳运行的高精度轮廓控制，指令形式的实时识别可以最好地控制速度、加速度和加加速度，使加工始终保持在最佳状态。为了防止干扰，采用数字滤波技术消除机械谐振，提高伺服系统的位置增益。高精度进给和主轴伺服系统对高速、高精度和高效率至关重要。目前主要从以下几个方面提升其性能。减小电机、驱动器和控制单元的尺寸，提高编码器的分辨率；直线运动轴可以由直线伺服电机驱动；减少机械传动链，提高刚性和精度。当主轴电机采用同步电机时，非常适用于齿轮机床。齿轮机床有时需要很低的主轴转速，但精度很高。例如，FANUC伺服电机被设计成具有小体积和高增益控制。伺服电机是一个无齿槽电机，带有1.6 X10 '脉冲/旋转分辨率编码器。伺服控制采用交流数字伺服控制，电流检测精度高。采用相应的硬件可以产生所谓的“纳米控制”，即当系统的探测分辨率为1脊m时，插值分辨率可以达到1nm；它最大限度地减少了数控机床中的计算误差，每次内部计算都以纳米或更小的单位进行，大大提高了加工质量。为了控制直线电机，设计了数字滤波器以避免直接驱动电机引起的多点谐振。结合这些功能，机床的运动可以准确地按照指令进行。加工具有自由曲面的模具时，程序段之间会出现条纹。为了解决这个问题，FANUC开发了“纳米平滑”功能，将数控机床指令的公差四舍五入，以“纳米”为单位评估原始曲线，并用NURBS进行插值。这些性能符合机床“高速高精”和“低速高精”的要求。

1.3五轴加工和复杂加工功能

由于五轴加工工艺合理，与三维曲面加工相比，可以充分利用刀具的最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中可以提高效率和平整度。因此应用越来越广泛。5.轴类加工机械的配置主要包括刀具旋转模式、工作台旋转模式以及这两种模式的混合。因此，5轴加工功能应该能够满足各种配置的要求。根据五轴加工的特点，将TCP(刀具中心控制)和刀具半径补偿等功能应用于不同机械配置的五轴加工机床。

1.4 数控机床复杂功能

为了提高生产率，开发和制造数控复合加工机床已成为数控机床的发展趋势。复合机床是指在同一台机床上可以加工多道工序，如车、铣、锤等。在一台机床上。比如要在圆柱体的表面上车削一个圆柱体，锤打L，在圆柱面上铣凹槽，这些都要求在同一台数控机床上完成。这将大大提高生产率。因此，对于数控复合机床，白线需要增加可用于复合加工功能的控制系统。比如铣床需要增加螺旋锥线功能、螺旋线功能、三维圆弧功能、刀具中心点控制等。此外，刀具补偿功能还需要车削和铣削两种功能。此外，这种机床经常需要高速加工。

1.5网络接入通信功能

为了通过PC机或数控系统本身集中监控和管理多台机床，系统需要通过网络进行通信。以便传送程序并监控处理状态。此外，网络功能还可以传输维护数据，对系统进行远程控制、操作和诊断。传输CAD/CAM数据。通过现场通信网络功能，数控机床可以在数控机床和伺服装置之间、数控机床和I/O数控系统之间传输控制、监测和诊断数据。目前主要采用以太网和现场总线。随着科技的发展，无线技术的应用也出现了。

无线技术可以让信息到达几乎任何地方。

1.6高可靠性和安全特性

数控系统和数控机床一起工作在底层车间，承受着温度、湿度、振动、油雾、粉尘等恶劣环境，同时要求连续工作；所以对可靠性的要求特别高。现代数控系统的可靠性除了可靠性设计和制造技术的措施外，主要采取以下措施:①采用光纤，减少电缆连接。例如，FANUC的数控系统通过光纤连接数控和伺服放大器，以串行高速的方式将大量数据从数控传输到多个伺服放大器。②利用ECC(纠错码)传输数据，随着软件高速处理大量数据，对微处理器、存储器、LSI的处理速度也要求大大提高。当这些安装在数控机床印制板上的高速电子元件高速读写和传输数据时，ic驱动的信号波形变得滞后。在这种情况下，如果不采用模拟电路处理，数字信号就不能正确传输。此外，当最新的电子元件由低电压供电时，电路的低噪声电阻的工作范围减小。因此，数控电路将采用更先进的纠错码来传输数据。ECC是领先的高可靠性技术。通过向数据添加ECC来传输各种类型的数据，系统更加可靠。②采用双重止回安全(双重止回Sa缸Y)措施。“双重检测安全”符合欧洲安全标准(EN 954-1)。其原理是在数控机床中嵌入多个处理器，对伺服电机、主轴电机和与安全相关的I/O信号进行冗余监控，利用紧急停止和相关I/O电路使系统安全运行和停止。

2数控系统的开启

数控机床出现后，厂家希望能打开数控系统的黑匣子，部分或完全替代机床设计者和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能输入数控系统。同时，他们也希望它能具有图形交互、诊断等功能。这就要求商用数控系统具有友好的人机界面和面向用户的开发平台。要求数控数控系统是透明的，以便机床制造商和最终用户可以自由地执行自己的想法。因此，开放式数控系统应运而生。

IEEE开放系统技术委员会将“开放架构”定义为:“开放系统执行的应用程序可以运行在许多厂商的不同平台上；它可以与其他系统的应用程序进行互操作，并与用户进行交互和协作(1EEElo03.0)。”以下性能指标也可用于评估数控系统的开放性。比如应用模块为AM: ①可移植性:在保持应用模块(AM)功能的同时，无需任何改动即可应用于不同平台。②扩展性:不同的am可以在一个平台上运行，不会发生冲突。③互操作性:AM相互协作工作，可以根据定义相互交换数据。④可扩展性:根据用户的需求，可以对AM的功能、性能和硬件规模进行扩展和收缩。

开放式结构数控系统(oAC)使数控系统供应商、机床制造商和最终用户能够从灵活敏捷的生产中获得更多利润。

易。其主要目标是在标准化环境中采用开放接口，以方便操作、降低成本和增加灵活性。这种系统能力被广泛接受。软件可以重复使用，用户可以根据给定的配置设计数控系统。

控制系统的开放式体系结构是一个高度复杂的系统，因为它对实时性和可靠性有严格的要求。其特点是基于PC，互联的关键结构是系统组件和接口。系统组件由软件模块和硬件模块组成。在一个开放的系统中，每个组件和接口也可以实现制造过程中增加智能的优势。对于控制的复杂性，这些系统的硬件和软件是基本的工具。控制接口可以分为两组:内部接口和外部接口。

①外部接口:这些接口将系统与监控单元、子单元和用户连接起来。它们可以分为编程接口和通信接口。与NC PI' C的编程接口采用国家或国际标准，如RS-274、DIN66025或IEC6L131-3。通信接口也受到标准的强烈影响。现场总线系统，如SERCOS、P凹肋us或Device Net，用作传动和I/O的接口。I、AN (LocalArea Network)网络主要是基于以太网和TCP/IP接口与监控系统。

②内部接口:用于部件之间的交互和数据交换，构成控制系统的核心。在这方面，一个重要的表现就是支持实时机制。为了获得可重构和自适应的控制，控制系统的内部结构基于平台的概念。因为特殊硬件的细节在软件组件中是无法知道的，所以主要目标是在软件组件之间建立一个可定义但灵活的通信方法。应用编程接口(APl)确保了这些需求。控制系统的所有功能被分成几个包，模块化软件组件通过定义的API相互交互。

根据1999年美国机器人产业论坛的信息，美国机器人的总装机系统是机器人本身价值的3-5倍，即如果有一个1亿美元的机器人市场，相当于增加了20-40亿美元的附加值，如果其中25%是因为软件集成的原因，则认为如果通过标准化开发和应用采用开放式架构数控系统，将减少50%。那么，采用开放式数控系统后，每年可以节省2.5亿到5亿美元的潜在价值。

目前，开放式数控系统结构主要有三种形式:

①基于PC的数控系统，以PC为基础，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传输数据，控制坐标轴电机的运动。这种系统有时被称为软NC，易于全方位开放。

②嵌入式PC:这种系统的基本结构是:数控机床十PC主板，即在传统PC机上插入一块数控机床板，数控机床主要运行基于坐标轴运动的实时控制，或者数控机床作为数控功能运行，PC板作为用户的人机界面平台。

③PC X 数控机床:目前主流数控系统厂商认为数控系统最重要的性能是可靠性，不允许出现PC死机的现象。系统功能首先追求的还是高精高速加工。此外，这些厂商长期以来生产了大量的数控系统；系统结构的改变将对其原有系统的维护服务和可靠性产生不良影响。所以开放式结构并不是主要产品，原来的数控系统还是大量生产的。为了增加开放性，主流数控系统厂商往往在不改变原系统基本结构的情况下增加一块PC板，并提供键盘使用户能够将PC与数控机床连接起来，大大提高了人机界面的功能，如FANUC的150i/160i/180i/210J系统。一些制造商也称这种装置为融合系统。由于其工作可靠、接口开放，越来越受到机床厂商的青睐。成为数控技术的发展方向

3步数控

它以STEP为基础，将STEP扩展到NC，形成“STEP-NC”。开发和推广该标准的主要目的是通过标准的个性文件实现不同CAx系统之间的数据交换。目前，企业之间的专业分工越来越明显。一个汽车装配厂往往有数百个零件供应商。这些企业可能采用不同的CAD系统，数据交换的工作量非常大。CAD系统之间不宜采用点对点的交换方式。只有把数据用统计表表示，用统计表文件格式输入输出数据，才有可能实现大量的数据交换。STEP的架构可以概括为ExPRESS的语言(ExPRESS是一种信息建模语言)，有三层(应用层、逻辑层、物理层)。也可以认为STEP的核心是工程定义的数据库。这些定义可以形成不同的应用协议，用于各行业所需的产品模块。数据库包括几何、拓扑、公差、关系、属性、装配、配置和其他特征。并且在需要时可以不断添加新的产品模块。

数控数控系统数据模型(以下简称STEP-NC)是数控从CAM到数控机床的数据模型，解决了目前数控程序缺乏通用性和可移植性的问题。使用“STEP-NC”产品模型数据作为直接机床的输入已经具有实际意义。这个“step-NC”是一个没有g代码和M代码，没有后置处理的NC。ISol4649标准的目标是:(1)改善CAD/CAM系统与数控机床数控系统之间的连接；确保“step-NC”可以在CAD/CAM之间传输数据。采用面向对象的工作步骤概念代替刀具运动，改进IS06893的不足。步骤对应于过程的高级特征和参数。数控机床可以把工作步骤分析成坐标的移动和刀具的动作。(2)数据模块必须包括所有复杂程度(从加工期间指示的CAD几何数据到具有离散值的简单轴运动)。(3)数控程序可以放在新开发的数控数控系统上，但也可能放在支持和改进现有数控数控系统的单独的高级系统(包括各种网络)上。(4)数控程序新标准将为机床操作人员提供更多的灵活性、功能、统计表的编程定义以及相关控制和几何过程的修正。(5)新标准允许山地车的操作员由于其特殊的机床和技术而执行特殊的功能。(6)为最终用户的新标准提供统一的编程，更快更便宜的程序准备，以及由于统一的编程格式而带来的低成本。(7)后处理少，标准化多。在数控编程层面，CAD/CAM系统与数控系统之间的数据交换将更加方便。