機床數(shù)字控制器經(jīng)歷了60多年的發(fā)展,，從初期由機床研制單位自行設(shè)計制造轉(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個發(fā)展階段。
一,、現(xiàn)狀與趨勢機床的控制精度,、加工速度和自動化水平是機床控制技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)動力。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,，人們對數(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個級別,。
1)低端數(shù)控,。一般采用嵌入式單片機，以模擬量或脈沖信號控制伺服驅(qū)動系統(tǒng),，以實現(xiàn)運動控制,，可完成基本的直線和圓弧插補功能，實現(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),，可實現(xiàn)主要的插補功能,，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,，豐富的插補及運動控制功能,，智能化的編程和遠(yuǎn)程維護診斷。
隨著機床性能的提高,、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)用各自所占的價格比不斷地變化,，越來越多的控制功能依靠軟件來實現(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,，德國的ISG公司僅提供數(shù)控軟件知識產(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,。美國國家標(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,，用戶可免費得到其源代碼，并可在GNU共享協(xié)議下進行開發(fā),。
德國的PA(PowerAutomatiorn)公司,、倍福(Beckhoff)公司則提供模塊化的數(shù)控系統(tǒng)平臺，由用戶自行配置后形成自己品牌的數(shù)控產(chǎn)品,。美國DeltaTau公司提供PMAC運動控制卡和相關(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臺計算機組成，且結(jié)構(gòu)更加緊湊,。同時借助現(xiàn)場總線連接更多的數(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)測技術(shù)等,，實現(xiàn)加工過程中的各種誤差補償、自動修正,、狀態(tài)監(jiān)測,、設(shè)備故障預(yù)警與維護等。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加工設(shè)備,，而是整個工廠網(wǎng)絡(luò)中一個信息共享的節(jié)點,，為生產(chǎn)過程信息化和高度柔性化提供支持。在運動控制方面,，加工精度從毫米級向微米,、亞微米、納米級發(fā)展,，進給速度向100m/min級目標(biāo)前進,，主軸轉(zhuǎn)速也達到了100000r/min級。
二,、對機床數(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)計劃通過企業(yè)資源規(guī)劃軟件(CERP)進行規(guī)劃,，由技術(shù)部門進行工藝設(shè)計，編制加工工藝和數(shù)控程序,。車間的制造執(zhí)行層(MES)進行生產(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)是機床的大腦和神經(jīng)系統(tǒng),，同時承擔(dān)輸入輸出和驅(qū)動控制功能,。在生產(chǎn)實際應(yīng)用中，從加工質(zhì)量,、生產(chǎn)率和易用性等方面都對數(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，實現(xiàn)機床與車間-設(shè)備的集成,，構(gòu)成生產(chǎn)制造單元或柔性制造系統(tǒng),，實現(xiàn)生產(chǎn)指令和機床運行狀態(tài)的信息交換，是現(xiàn)代制造對數(shù)控系統(tǒng)的新要求,。通過高精度運動控制提高加工質(zhì)量,，通過高效加工減小輔助時間來提高生產(chǎn)效率。此外,，在機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)動控制(axis and drive control)4部分組成,。人機界面是人與機器進行交互的操作平臺，是用戶與機床互相傳遞信息的媒介,，用以實現(xiàn)信息的輸入與輸出,。人機界面通常由屏幕、編輯鍵盤,、操作面板和通信接口組成,。對于大中型機床設(shè)備一般還配有手持單元。人機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，還需要對切削參數(shù),、切削功率,、主軸振動等級和刀具剩余壽命等進行監(jiān)控，甚至涉及刀具管理,、工況數(shù)據(jù)采集和加工計劃等,。人機界面是數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)最活躍的部分，除標(biāo)準(zhǔn)配置外,，還可以按照機床制造商或最終用戶的需要加以定制,，將專有的工藝知識和操作流程納入其中，成為個性化的數(shù)控系統(tǒng),。
數(shù)控核心將零件加工程序進行譯碼和插補,，轉(zhuǎn)化為各軸的位置指令，從而對各軸的運動進行控制,。隨著加工曲面的日益復(fù)雜以及多軸聯(lián)動和復(fù)合加工的應(yīng)用,，空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和曲線插補的算法成為數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。多軸多通道,、樣條曲線插補和擬合,、速度前瞻優(yōu)化、刀具三維補償以及各種誤差補償技術(shù)等已成為不同品牌高端數(shù)控系統(tǒng)的競爭焦點,。
機床的M,、S、T等輔助功能主要是通過PLC實現(xiàn),，不同型號和類型的機床邏輯控制各有不同,，因此PLC程序的開發(fā)是機床制造商和最終用戶的一項重要工作。驅(qū)動控制是電與機轉(zhuǎn)換的過程,，它將位置指令轉(zhuǎn)換成速度指令,，通過伺服電動機驅(qū)動機床部件的運動，是機電一體化和機電禍合的系統(tǒng),。驅(qū)動控制在很大程度上體現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)性能,，直接影響機床的加工精度。
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