【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu) 為專用的軟硬件 ， 遠(yuǎn)落后于 PC的主流技術(shù) 。 升級(jí)困難 ， 各廠 家產(chǎn)品不兼容 ， 成本高 。 ? 用戶界面不靈活 ， 網(wǎng)絡(luò)功能弱 ， 系統(tǒng)維護(hù)培訓(xùn)昂貴 。 2. 發(fā)展情況： ? 美國： OMAC 1981年 ， 國防部為了減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依 賴性 ， 開始了一項(xiàng)名為 ? 下一代控制器 （ NGC） ? 的計(jì)劃 ， 并成立了 ? 美國國家科學(xué)制造中心 ? ， 該計(jì)劃于 1991年終 止 ， 完成了 ? 開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) （ SOSAS） ? 。 1995年 ， 在 NGC的基礎(chǔ)上 ， 由 美國國防部資助又開始了由 20個(gè)公司合作的 ? OASAY? 計(jì)劃 ， 目的是建立 8個(gè)控制器并 在 6個(gè)不同的系統(tǒng)平臺(tái)上測試這 8個(gè)控制器 。 1994年 美國汽車工業(yè)為了解決自身發(fā)展過程中碰到的一系 列問題 ， 由克萊斯勒 、 福特和通用三家大汽車公司 開始了一 項(xiàng)名為： ? 開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器（ OMACOpen Modular Architecture Controls） ? 的計(jì)劃。 ? 歐洲 ： OSACA 1992年 在歐洲，啟動(dòng)了一項(xiàng)? 自動(dòng)化系統(tǒng)中控制器的開放 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（ OSACAOpen System Architecture for Controls within Automation Systems） ? 的聯(lián)合計(jì)劃。由 22家 歐州的機(jī)床生產(chǎn)商、控制開發(fā)商、控制集成商和研究機(jī)構(gòu)參 加，后來擴(kuò)大到 27名會(huì)員。 ? 日本： OSEC 1995年日本六家公司 :東芝機(jī)器制造公司、豐田機(jī)器廠、 MAZAK公司、日本 IBM、三菱電子公司和 SML公司共同實(shí) 施了 ?控制器開放系統(tǒng)環(huán)境 計(jì)劃。 OSECOpen System Environment for Controllers? 的計(jì)劃。 OMAC、 OSACA、 OSEC是在當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi) 有很大影響的三個(gè)計(jì)劃。這 幾大開放數(shù)控系統(tǒng)計(jì)劃正在執(zhí)行 中，已有了自己的標(biāo)準(zhǔn)和樣機(jī)產(chǎn)品。 開放性 ： 開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化 (用戶界 面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊 )， 而且對實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高。其特點(diǎn)： ①可 移植性：在保持應(yīng)用模塊功能的情況下，不需任何變化就 可以應(yīng)用到不同的平臺(tái)上。 ②可 擴(kuò)展性：不同的模塊能運(yùn)行于一個(gè)平臺(tái)，而不出現(xiàn)沖突。 ③ 互操作性：模塊在一起工作時(shí)，表現(xiàn)為相互協(xié)調(diào)，可以根據(jù) 定義相互交換數(shù)據(jù)。 ④ 可維護(hù)性：用戶修方便。 ⑤ 統(tǒng)一的人機(jī)界面 。 結(jié)構(gòu) ： 目前開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有 3種： ① 基于 PC的 CNC系統(tǒng) （ 軟數(shù)控 ： Soft CNC） ： 以 PC機(jī)為平臺(tái)，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要決實(shí)時(shí)性的 問題。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo) 軸電機(jī)。 全方位開放。 ① 基于 PC的 CNC系統(tǒng) （ 軟數(shù)控 ： Soft CNC） ： 以 PC機(jī)為平臺(tái)，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要決實(shí)時(shí)性的 問題。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo) 軸電機(jī)。 全方位開放。 ② PC嵌入式 :把一塊多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插入傳統(tǒng)的 PC中，運(yùn)動(dòng)卡 運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制（作為數(shù)控功能運(yùn)行）。 PC作為人機(jī)接口平臺(tái) 。 易實(shí)現(xiàn)，研究單位和高校。 ③ PC + CNC （融合系統(tǒng)）： 專業(yè)廠家認(rèn)為 CNC系統(tǒng)最主要功 能是高速、高精加工和可靠性，向 PC在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許 的。已生產(chǎn)的大量 CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可 靠性不利。故采取了：增加一塊 PC板，提供鍵盤，使 PC與 CNC 聯(lián)系在一起的方案?？山缑骈_放，提高人機(jī)界面的功能 。 專業(yè) CNC系統(tǒng)廠家（如 fanuc， siemens等）現(xiàn)在都這樣做。 4. 4 CNC控制器的發(fā)展趨勢 、多通道控制。 FANUC 30iMODEL A： ?十個(gè)通道， 40個(gè)軸（ 32個(gè)進(jìn)給軸、 8個(gè)主軸） ?聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 24/每通道 。 ?3個(gè) PMC通道。最大 I/O點(diǎn)數(shù) 4096/4096 ? PMC基本命令速度 25ns。 ?最大預(yù)讀程序段： 1000段。 (適合作為大型自動(dòng)機(jī)床、復(fù)合機(jī)床、多頭機(jī)床的控制器 ) 高速高精、低速高精加工功能 ? 前饋控制。 補(bǔ)償由于反饋滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。 ? 進(jìn)給率和加減速曲線控制。 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(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和多段 緩沖，從而控制刀具以很小的誤差進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)。 ? 平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制。 對指令的實(shí)時(shí)識(shí)別，最佳的控 制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳狀態(tài)。 ? 數(shù)字濾波器技術(shù)。 用以消除機(jī)械諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置 增益。 ? 高精高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)、高精高速 主軸 伺服系統(tǒng)。 ? 高增益的驅(qū)動(dòng)器、控制單元、電機(jī)； ? 提高編碼器的分辨率， 1600萬 /轉(zhuǎn)； ? 直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高進(jìn)給剛度；對于直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù) 字濾波器以避免直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械帶來的多點(diǎn)諧振。 ? 主軸采用交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，高增益控制、無齒槽效 應(yīng)高分辨率電機(jī)，使主軸低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、精度高；采用交流 異步高分辨率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，高速度高精度。 ? 納米控制 ： 在系統(tǒng)檢測分辨率為 1? m時(shí)，插補(bǔ)分辨率為 1nm。 采取措施： CNC內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位計(jì)算，使誤最 小化；高精度的交流數(shù)字伺服控制；很高的電流檢測精度； 相應(yīng)的硬件（ RISC芯片）。 ? 納米平滑功能：以納米為單位評(píng)估原始曲線，圓整指令公差。 使加工自由曲面時(shí)，減小或消除程序段之間出現(xiàn)的條紋。 ? NURBS插補(bǔ)。 2. NURBS插補(bǔ)簡介 1）概述 ? 高速加工 CNC控制器具有 NURBS插補(bǔ)功能，可以接受 CAM 軟件傳來的 BURBS格式的刀位軌跡數(shù)據(jù) ,進(jìn)行 BURBS插補(bǔ)加工。 ? 在 CAM軟件的刀位軌跡計(jì)算時(shí)，直接輸出定義 NURBS曲線的“控制點(diǎn)”、“權(quán)重”、“節(jié)點(diǎn)”，然后通過后處理譯成機(jī)床 CNC系統(tǒng)可識(shí)別的 G代碼， CNC以插補(bǔ)速率對原始的NURBS曲線進(jìn)行插補(bǔ)加工。 ? 常規(guī)的 CAM后置處理提供二種插補(bǔ)：直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，常用線性插補(bǔ)逼近。高速加工設(shè)備出現(xiàn)了 NURBS曲線插補(bǔ)，這使 CNC系統(tǒng)具備了能自動(dòng)進(jìn)行 NURBS格式定義的加工域生成的能力。各種插補(bǔ)比較如下： 圖 4. 4 1 NURBS曲線的插補(bǔ)方式 公差 CAD的 NURBS曲線 CAM的 直線插補(bǔ) 基于點(diǎn)集 的直線插補(bǔ) 基于 NURBS 的樣條插補(bǔ) 2） NURBS插補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)： ① 與線性插補(bǔ)相比 ， CAM輸出的 NURBS插補(bǔ)的刀位文件大為縮短 ， 只有其 1/10~1/100。 由于高速銑采用小的刀具 、 小的切削量和窄的公差帶 ， 如公差帶設(shè)置為 177。 ， 按照常規(guī)的插補(bǔ)方法 ， 這個(gè)程序的長度會(huì)很大 ， 可能達(dá)到 100MB以上 ， 許多機(jī)床的 CNC控制器不能接受 。 ② NURBS插補(bǔ)比采用近似分段的直線和圓弧插補(bǔ)更為準(zhǔn)確 ，刀位 軌跡更加平滑 。 ③ NURBS插補(bǔ)速率快 ， 精度高 。 例如： GE Fanuc NURBS插補(bǔ)采樣周期為 1ms， 加工處曲率半徑為 50mm， 產(chǎn)生的法向加速度為 ， 以 行加工 。 計(jì)算： 一個(gè)插補(bǔ)周期的輪廓步長 L = fT= 1000/min 60 1000 = 插補(bǔ)誤差 e = (Ft)2/8r = 50 = = m ④ 改變高速切削的表面質(zhì)量 。得到平滑精確的表面，如采用內(nèi)、外公差（ Intol/Outtol）會(huì)得到更加平滑的刀具軌跡。 ⑤ NURBS插補(bǔ)可縮短加工時(shí)間 。 由于機(jī)床存在慣性 ， 在用直線插補(bǔ)時(shí) ， 存在直線拐角處的拐角運(yùn)動(dòng) ， 為了避免沖擊 ， 機(jī)床一般按平滑規(guī)律進(jìn)行加減速處理 。 這樣每到一拐角就要降低速度 ，然后再加速 。 而 NURBS插補(bǔ)是光滑的 ， 能在加速度允許的范圍內(nèi)以最大速度進(jìn)行加工 。 有的專家認(rèn)為： 提高數(shù)控加工質(zhì)量 、 速度的最好辦法之一是高速加工技術(shù)和 NURBS插補(bǔ)的結(jié)合 3） NURBS格式輸出的系統(tǒng)模型 NURBS插補(bǔ)由 CADCAMCNC的過程見下圖： ? . 曲面模型 刀具軌跡曲線 NURBS曲線 NURBS格式輸出：控制點(diǎn) 、 矢量 、 權(quán)重 CNC機(jī)床 NURBS插補(bǔ) CAD CAM CNC 圖 NURBS格式輸出的系統(tǒng)模型 4） NURBS插補(bǔ)指令的格式： P? K? X????? Y????? Z????? R ?. 在 UG中 ， 如果選擇了 NURBS選項(xiàng)后 ， 要回答三個(gè)問題： ① 分段的 NURBS曲線是否聯(lián)接成一條曲線 。 ② 角度公差控制 。 兩個(gè) NURBS曲線的切線的夾角 ， 為了光滑選為 5176。 或更小 。 ③ 擬合公差控制 。 目前支持 NURBS功能的 CNC系統(tǒng)有： FANUC系統(tǒng)的 15B、 16C、16iMA、 18i、 Seimens、 Heidenhain、 Makino、 Fidia等 。 P4 K0. R1. NURBS插補(bǔ) G代碼 NURBS曲線的階數(shù) 控制點(diǎn)坐標(biāo) 控制點(diǎn)矢量 權(quán) 圖 67 FANUC系統(tǒng) NURBS指令格式 五軸加工和復(fù)雜加工功能； 五軸加工工藝合理，對三維曲面加工可充分利用刀具的 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。 五軸加工的機(jī)械配置有刀具旋轉(zhuǎn)方式、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方式 及它們的混合方式。五軸加工功能要滿足各種配置。 功能為： ? 刀具軸方向的長度補(bǔ)償。 ? 五軸加工刀具中心點(diǎn)控制 。 ? 五軸加工刀具半徑補(bǔ)償。 ? 三維圓弧插補(bǔ)，可以指定傾斜平面內(nèi)的圓弧。 ? 五軸加工刀具中心點(diǎn)控制 。 ? 傾斜加工指令。 ? 五軸加工用手動(dòng)進(jìn)刀。 、環(huán)保、安全技術(shù) 1. 智能 1） 智能技術(shù) 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展 ,數(shù)控系統(tǒng)的智能化將不斷提高。主要為： ① 應(yīng)用自適應(yīng)控制 （ Adaptive Control） 技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)檢測加工過程中的一些重要信息 ， 并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù) ， 達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的 。 ② 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn) ， 加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中 ， 以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐 ， 建立具有人工智能的專家系統(tǒng) 。 當(dāng)前已開發(fā)出模糊邏輯控制和帶自學(xué)習(xí)功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)和其它數(shù)控加工系統(tǒng) 。 ③ 引入故障診斷專家系統(tǒng) ④ 智能化伺服驅(qū)動(dòng)裝置 可以通過自動(dòng)識(shí)別負(fù)載而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行狀態(tài)。 2） 智能技術(shù)應(yīng)用 機(jī)床的智能化不僅可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷 、 遠(yuǎn)程服務(wù) ， 而且使機(jī)床融合了信息技術(shù)和管理技術(shù) 。 ① 日 本 Mazak公司的 Integrex e系列車銑中心為五軸聯(lián)動(dòng)（ X、 Y、 Z、 B、 C） 。 可通過開放式 CNC系統(tǒng)與公司的 e塔式信息中心交換數(shù)據(jù) ， 從局域網(wǎng)下載零件圖紙 、 加工程序 ， 對零件加工過程進(jìn)行監(jiān)控 、 錄像 ， 以便對加工中心出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢查分析 。 機(jī)床采用的信息技術(shù)為操作者和管理者提供了廣泛支持 。包括：顯示生產(chǎn)進(jìn)度 （ 用 CCD攝像頭和特有的結(jié)構(gòu)監(jiān)控 ） 、輔助操作者改善機(jī)床的操作 、 使機(jī)床由報(bào)警狀態(tài)快速恢復(fù)正常 、 顯示加工完成情況報(bào)告 （ 通過移動(dòng)