數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢-文庫吧
2025-06-02 07:07 本頁面
【正文】 電子、計算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。 數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近50年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為五個發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模NC數(shù)控，小型計算機(jī)數(shù)控，微處理器數(shù)控；從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可分為以硬件及連線組成的硬數(shù)控系統(tǒng)、計算機(jī)硬件及軟件組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)，后者也稱為軟數(shù)控系統(tǒng)：從伺服及控制的方式可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)和伺服電機(jī)驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了加工精度、速度和效率。人類發(fā)明了機(jī)器，延長和擴(kuò)展人的手腳功能：當(dāng)出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)以后，制造廠家逐漸希望數(shù)控系統(tǒng)能部分代替機(jī)床設(shè)計師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能放進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，同時也希望系統(tǒng)具有圖形交互、診斷功能等。首先就要求數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和開發(fā)平臺，通過這個界面和平臺開放而自由地執(zhí)行和表達(dá)自己的思路。這就產(chǎn)生了開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。目前，開放系統(tǒng)有兩種基本結(jié)構(gòu)： (1)CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要運(yùn)行程序?qū)崟r控制，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動為主的實時控制。(2)PC+運(yùn)動控制板：把運(yùn)動控制板插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實時控制用，而PC機(jī)主要作非實時控制。開放結(jié)構(gòu)在90年代初形成；對于許多熟悉計算機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)廠家，往往采用第(2)方案。但目前主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為數(shù)控系統(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)大量的數(shù)控系統(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)的數(shù)控系統(tǒng)。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用(1)方案，即在不變化原系統(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150/160／180／210系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)(fusionsystem)。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。 伺服技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，采用計算機(jī)控制，控制法采用軟件的伺服裝置稱為“軟件伺服”。它有以下優(yōu)點：(1)無溫漂，穩(wěn)定性好。(2)基于數(shù)值計算，精度高。(3)通過參數(shù)對設(shè)定，調(diào)整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了直流力矩伺服電機(jī)，從此開始大量采用直流電機(jī)驅(qū)動。開環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。但直流電機(jī)存在以下缺點：(1)電動機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速、環(huán)境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護(hù)不方便。交流異步電機(jī)雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，但早期由于控制性能差，所以很長時間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，1971年，德國西門子的Blaschke發(fā)明了交流異步機(jī)的矢量控制法；1980年，德國人Leonhard為首的研究小組在應(yīng)用微處理器的矢量控制的研究中取得進(jìn)展，使矢量控制實用化。從70年代末，數(shù)控機(jī)床逐漸采用異步電機(jī)為主軸的驅(qū)動電機(jī)。如果把直流電機(jī)進(jìn)行“里翻外”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置，這就構(gòu)成了永磁無刷電機(jī)。這種電機(jī)具有良好的伺服性能。從80年代開始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動裝置上。為了實現(xiàn)更高的加工精度和速度，90年代，許多公司又研制了直線電機(jī)。它由兩個非接觸元件組成，即磁板和線圈滑座：電磁力直接作用于移動的元件而無需機(jī)械連接，沒有機(jī)械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴于直線反饋系統(tǒng)和分級的支承，由全數(shù)字伺服驅(qū)動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。但由于它的推力還不夠大，發(fā)熱，漏磁及造價也影響了它的廣泛應(yīng)用。對現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動取代直流驅(qū)動、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。這兩種突破的結(jié)果產(chǎn)生了交流數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運(yùn)算及處理能力的提高，特別是DSP的應(yīng)用，使系統(tǒng)的計算速度大大提高，采樣時間大大減少。這些技術(shù)的突破，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提
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