機(jī)床數(shù)字控制器經(jīng)歷了60多年的發(fā)展,，從初期由機(jī)床研制單位自行設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)的制造商批量生產(chǎn),，形成了專門的產(chǎn)品一數(shù)控系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)。數(shù)控技術(shù)從誕生到今天,，大致經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段,。
一、現(xiàn)狀與趨勢(shì)機(jī)床的控制精度,、加工速度和自動(dòng)化水平是機(jī)床控制技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力,。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控設(shè)備的功能和智能化水平要求也越來越高,。數(shù)控系統(tǒng)一般可分為低端,、中端和高端3個(gè)級(jí)別。
1)低端數(shù)控,。一般采用嵌入式單片機(jī),，以模擬量或脈沖信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制,，可完成基本的直線和圓弧插補(bǔ)功能,，實(shí)現(xiàn)2軸或3軸控制。主軸則采用變頻控制,，通常用于普及型數(shù)控車床和數(shù)控銑床,。2)中端數(shù)控。通常稱為全功能數(shù)控系統(tǒng),，可實(shí)現(xiàn)主要的插補(bǔ)功能,，具有豐富的圖形化界面和數(shù)據(jù)交換功能。3)高端數(shù)控,。具有5軸以上的控制能力,，多通道、全數(shù)字總線,，豐富的插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制功能，智能化的編程和遠(yuǎn)程維護(hù)診斷,。
隨著機(jī)床性能的提高,、電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及加工零件形狀日益復(fù)雜，數(shù)控系統(tǒng)的硬件,、軟件和客戶化應(yīng)用各自所占的價(jià)格比不斷地變化,，越來越多的控制功能依靠軟件來實(shí)現(xiàn)，特別是高端數(shù)控系統(tǒng)的軟件和客戶化應(yīng)用所占的價(jià)格比越來越高,，甚至超過了75%,。其中數(shù)控核心軟件始終是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的重中之重,。
近年來，出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品,，包括全系統(tǒng),、半成品和核心軟件。例如,，德國(guó)的ISG公司僅提供數(shù)控軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán),，由用戶自行配置或二次開發(fā)形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST及-開源組織可提供開源的LinuxCNC數(shù)控軟件,，用戶可免費(fèi)得到其源代碼,，并可在GNU共享協(xié)議下進(jìn)行開發(fā)。
德國(guó)的PA(PowerAutomatiorn)公司,、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái),，由用戶自行配置后形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品。美國(guó)DeltaTau公司提供PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和相關(guān)軟件,，由用戶開發(fā)組成自己的數(shù)控系統(tǒng)等,。
綜上所述，從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的軌跡來看,，在體系結(jié)構(gòu)上,，由原有的專用封閉式向通用開放式轉(zhuǎn)變。在系統(tǒng)規(guī)模方面,，硬件的數(shù)量逐漸增多,，甚至由2臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，且結(jié)構(gòu)更加緊湊,。同時(shí)借助現(xiàn)場(chǎng)總線連接更多的數(shù)字化傳感器,、執(zhí)行器和-數(shù)字化設(shè)備。在軟件方面,，集成越來越多的功能,，涵蓋了運(yùn)算、控制,、監(jiān)控和管理等,。在智能化方面，利用各種人工智能技術(shù),、監(jiān)測(cè)技術(shù)等,，實(shí)現(xiàn)加工過程中的各種誤差補(bǔ)償、自動(dòng)修正,、狀態(tài)監(jiān)測(cè),、設(shè)備故障預(yù)警與維護(hù)等。在信息化方面，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，將CAD/LAPP/CAM與CNC集成,，使數(shù)控設(shè)備不僅僅是車間中的一臺(tái)加工設(shè)備，而是整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)信息共享的節(jié)點(diǎn),，為生產(chǎn)過程信息化和高度柔性化提供支持,。在運(yùn)動(dòng)控制方面，加工精度從毫米級(jí)向微米,、亞微米,、納米級(jí)發(fā)展，進(jìn)給速度向100m/min級(jí)目標(biāo)前進(jìn),，主軸轉(zhuǎn)速也達(dá)到了100000r/min級(jí),。
二、對(duì)機(jī)床數(shù)字控制的要求
從工廠信息化的角度來看,，數(shù)控設(shè)備處于設(shè)備層,，是工廠的基礎(chǔ)制造裝備。生產(chǎn)計(jì)劃通過企業(yè)資源規(guī)劃軟件(CERP)進(jìn)行規(guī)劃,，由技術(shù)部門進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),，編制加工工藝和數(shù)控程序。車間的制造執(zhí)行層(MES)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理,，通過DNC接口將加工任務(wù)及加工程序傳遞給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),，由數(shù)控設(shè)備完成相應(yīng)的加工任務(wù)，并將加工狀態(tài)反饋給MES系統(tǒng),。工廠則通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與供應(yīng)商,、用戶以及外部服務(wù)資源的信息互通。因此,，數(shù)控系統(tǒng)不僅是機(jī)床的控制器,，也是工廠和車間信息化的基礎(chǔ)。
數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的大腦和神經(jīng)系統(tǒng),，同時(shí)承擔(dān)輸入輸出和驅(qū)動(dòng)控制功能,。在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，從加工質(zhì)量,、生產(chǎn)率和易用性等方面都對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出不同要求,。數(shù)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)集成能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與車間-設(shè)備的集成,，構(gòu)成生產(chǎn)制造單元或柔性制造系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的信息交換，是現(xiàn)代制造對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的新要求,。通過高精度運(yùn)動(dòng)控制提高加工質(zhì)量，通過高效加工減小輔助時(shí)間來提高生產(chǎn)效率,。此外,，在機(jī)床的可靠性和使用便易性以及綠色,、節(jié)能減排等方面，數(shù)控系統(tǒng)都起著重要的作用,。
三,、數(shù)控系統(tǒng)的組成
數(shù)控泡沫切割設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)由人機(jī)界面(human-machine inte-ce，HMI),、數(shù)控核心(NC core),、可編程邏輯控制器(programmable logic control，PLC)以及軸和驅(qū)動(dòng)控制(axis and drive control)4部分組成,。人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行交互的操作平臺(tái),，是用戶與機(jī)床互相傳遞信息的媒介，用以實(shí)現(xiàn)信息的輸入與輸出,。人機(jī)界面通常由屏幕,、編輯鍵盤、操作面板和通信接口組成,。對(duì)于大中型機(jī)床設(shè)備一般還配有手持單元,。人機(jī)界面的展示形式為文字和圖形，大多采用LCD或LED屏幕,。編輯輸入包括鍵盤,、鼠標(biāo)或觸摸屏。隨著數(shù)控加工的發(fā)展和零件結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜,，人機(jī)交互的內(nèi)容日益增多,，除了加工軌跡圖形仿真和虛擬加工外，還需要對(duì)切削參數(shù),、切削功率,、主軸振動(dòng)等級(jí)和刀具剩余壽命等進(jìn)行監(jiān)控，甚至涉及刀具管理,、工況數(shù)據(jù)采集和加工計(jì)劃等,。人機(jī)界面是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)最活躍的部分，除標(biāo)準(zhǔn)配置外,，還可以按照機(jī)床制造商或最終用戶的需要加以定制,，將專有的工藝知識(shí)和操作流程納入其中，成為個(gè)性化的數(shù)控系統(tǒng),。
數(shù)控核心將零件加工程序進(jìn)行譯碼和插補(bǔ),，轉(zhuǎn)化為各軸的位置指令，從而對(duì)各軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,。隨著加工曲面的日益復(fù)雜以及多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工的應(yīng)用,，空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和曲線插補(bǔ)的算法成為數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。多軸多通道、樣條曲線插補(bǔ)和擬合,、速度前瞻優(yōu)化,、刀具三維補(bǔ)償以及各種誤差補(bǔ)償技術(shù)等已成為不同品牌高端數(shù)控系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
機(jī)床的M,、S,、T等輔助功能主要是通過PLC實(shí)現(xiàn)，不同型號(hào)和類型的機(jī)床邏輯控制各有不同,，因此PLC程序的開發(fā)是機(jī)床制造商和最終用戶的一項(xiàng)重要工作,。驅(qū)動(dòng)控制是電與機(jī)轉(zhuǎn)換的過程，它將位置指令轉(zhuǎn)換成速度指令,，通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng),，是機(jī)電一體化和機(jī)電禍合的系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制在很大程度上體現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,，直接影響機(jī)床的加工精度,。
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