【正文】 絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操 作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國的 NGC(The Next Generation WorkStation/Machine Control)、和復(fù)合加工機(jī)床 en System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的 ONC(Open Numerical Control System)等。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個(gè)新亮點(diǎn)。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在 EMO2021 展中，日本山崎馬扎克（ Mazak）公司展出的“ CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC）；日本大隈（ Okuma）機(jī)床公 司展出“ IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱 IT 廣場）；德國西門子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱 OME）等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。我國在 2021 年也開始進(jìn)行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而在新標(biāo)準(zhǔn)下， NC 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。 目前，歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計(jì)劃( ～ ) 。美國的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級模型 (Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。 5. 柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)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(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。 (4)實(shí)時(shí)智能化 早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。例如在數(shù)控 系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測和預(yù)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(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)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(xiàn)。可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具 有重要意義。 (3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、 2D+2 螺旋插補(bǔ)、 NANO 插補(bǔ)、 NURBS 插補(bǔ) (非均勻有理 B 樣條插補(bǔ) )、樣條插補(bǔ) (A、 B、 C 樣條 )、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。 (4)內(nèi)裝高性能 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。 (5)多媒體技術(shù)應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。 8. 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 (1)集成化 采用高度集成化 CPU、 RISC 芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐?FPGA、 EPLD、 6 CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，成為和 CRT 抗衡的新興顯示技術(shù)，是21 世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。通過提高集成電路密度、減少互連長度 和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機(jī)封閉式開環(huán)控制模式提出的。加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)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(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，將編制好的零件加工數(shù)控程序，輸入到數(shù)控裝置中，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟停、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的啟、停等動(dòng)作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán) 格地按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。 與常規(guī)加工相比，數(shù)控加工具有如下特點(diǎn) ： （ 1）適應(yīng)性強(qiáng) 數(shù)控加工是根據(jù)零件要求編制的數(shù)控程序來控制設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各種動(dòng)作，當(dāng)數(shù)控工作要求改變時(shí)，只要改變數(shù)控程序軟件，而不需改變機(jī)械部分和控制部分的硬件，就能適應(yīng)新的工作要求。 （ 2）精度高，質(zhì)量穩(wěn)定 數(shù)控加工本身的加工精度較高，還可以利用軟件進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償；數(shù)控機(jī)床加工零件是按數(shù)控程序自動(dòng)進(jìn)行，可以避免人為的誤差。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。還有自動(dòng)換速、自動(dòng)換刀和其它輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)與測量，故使輔助時(shí)間大為縮短。 （ 5）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件 因數(shù)控加工是自動(dòng)完成，許多動(dòng)作不需操作者進(jìn)行，故勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度大為改善。 8 第二章 數(shù)控加工 （一）數(shù)控加工概述 一 數(shù)控設(shè)備的工作原理與組成 1．?dāng)?shù)控設(shè)備的工作原理 操作者根據(jù)數(shù)控工作要求編制數(shù)控程序，并將數(shù)控程序記錄在程序介質(zhì)（如穿孔紙帶、磁帶、磁盤等）上。圖 01 是數(shù)控設(shè)備的一般工作原理圖。 (1)輸入輸出裝置 輸入輸出裝置主要用于零件數(shù)控程序的編譯、存貯、打印和顯示等。一般的輸入輸出裝置除了人機(jī)對話編程鍵盤和 CRT外，還包括紙帶、磁帶或磁盤輸入機(jī)、穿孔機(jī)等。 (2)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控設(shè)備的核心。 (3) 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，并與設(shè)備的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控設(shè)備的進(jìn)給系統(tǒng)。 (4) 受控設(shè)備 控設(shè)備是被控制的對象，是數(shù)控設(shè)備的主體，一般都需要對它進(jìn)行位移、角度和各種開關(guān)量的控制。 二 數(shù)控設(shè)備的分類 數(shù)控 設(shè)備的種類很多，各行業(yè)都有自己的數(shù)控設(shè)備和分類方法。 1．按工藝用途分類 按其工藝用途可以劃分為以下四大類： （ 1）金屬切削類 指采用車、銑、鏜、鉆、鉸、磨、刨等各種切削工藝的數(shù)控機(jī)床。普通數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完成。在加工中心上，可使零件一次裝夾后，實(shí)現(xiàn)多道工序的集中連續(xù)加工。加工中心由于減少了多次安裝造成的定位誤差，所以提高了零件各加工面的位置精度，近年來發(fā)展迅速。 （ 3）特種加工類 主要有數(shù)控電火花線切割機(jī)、數(shù)控電火花成形機(jī)、數(shù)控激光與火焰切割機(jī)等。 2．按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類 （ 1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖床等。 （ 3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床有數(shù)控車床、銑床、磨床和加工中心等。一般適用于中、小型經(jīng)濟(jì)型