数控系统十种关键技术

引言
　　数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一。
　　数值控制(简称“数控”或“NC”)的概念是把被加工的机械零件的要求，如形状、尺寸等信息转换成数值数据指令信号传送到电子控制装置，由该装置控制驱动机床刀具的运动而加工出零件。而在传统的手动机械加工中，这些过程都需要经过人工操纵机械而实现，很难满足复杂零件对加工的要求，特别对于多品种、小批量的零件，加工效率低、精度差。
　　1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床。控制装置由2000多个电子管组成，约一个普通实验室大小。伺服机构采用一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。其插补装置采用脉冲乘法器。这台NC机床的研制成功标志着NC技术的开创和机械制造的一个新的、数值控制时代的开始。
　　现代CNC系统的功能、性能大大提高，故障率已降至0.01次/(月·台)。以FANUC公司为例，1991年开发成功的FS15系统与1971年开发的FS220系统相比，体积只有后者的十分之一，而加工精度提高了10倍，加工速度提高了20倍，可靠性提高了30倍以上。现在，NC技术已成为先进制造技术的基础和关键技术。
　　NC技术的发展已有50多年历史，它是在多种技术交叉的基础上发展起来的。这里主要介绍十种关键技术。
　　1 电子元件技术的发展
　　微电子技术的发展，对数控技术起着极大的推动作用。日本FANUC公司在1956年开始采用电子管研究NC，1959年就采用锗晶体管组成NC，1963年采用硅晶体管研制出FS220、FS240等系统，1969年又采用中小规模IC更新了FS220、FS240等系统。20世纪70年代，开始采用3SI推出了FS5、FS7、FS3、FS6、FS0、FS18、FS16、FS20、FS21、FS15等一系列CNC系统，从4位的位片机(FS7)到16位的8086(FS6)和32位的80486(FS0)。1996年，FANUC采用最新专用芯片352Pin的微电子工艺BGA封装及采用MCM工艺生产的微处理器，推出了小型化高性能的i系列数控系统，大小只有原有系统的1/4，大大减小了占用的空间，提高了系统的性能及可靠性。
　　2 软件的应用
　　在1970年的芝加哥展览会上，首次展出了由小型机组成的CNC数控系统。大约在同时，英特尔公司发明了微处理器。1974年，美、日等国相继研制出以微处理器为核心的CNC，有时也称为MNC。它运用计算机存贮器里的程序完成数控要求的功能。其全部或部分控制功能由软件实现，包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。采用半导体存贮器存贮零件加工程序，可以代替打孔的零件纸带程序进行加工，这种程序便于显示、检查、修改和编辑，因而可以减少系统的硬件配置，提高系统的可靠性。采用软件控制大大增加了系统的柔性，降低了系统的制造成本。
　　3 数控标准的引入
　　随着NC成为机械自动化加工的重要设备，在管理和操作之间，都需要有统一的术语、技术要求、符号和图形，即有统一的标准，以便进行世界性的技术交流和贸易。NC技术的发展，形成了多个国际通用的标准：即ISO国际标准化组织标准、IEC国际电工委员会标准和EIA美国电子工业协会标准等。最早制订的标准有NC机床的坐标轴和运动方向、NC机床的编码字符、NC机床的程序段格式、准备功能和辅助功能、数控纸带的尺寸、数控的名词术语等。这些标准的建立，对NC技术的发展起到了规范和推动作用。最近，ISO基于用户的需要和对下一个5年间信息技术的预测，又在酝酿推出新标准“CNC控制器的数据结构”。它把AMT(先进制造技术)的内容集中在两个主要的级别和它们之间的连接上：第一级CAM，为车间和它的生产机械：第二级是上一级，为数据生成系统，由CAD、CAP、CAE和NC编程系统及相关的数据库组成。
　　4 伺服技术的发展
　　伺服装置是数控系统的重要组成部分。20世纪50年代初，世界第一台NC机床的进给驱动采用液压驱动。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力(约为20:1)，惯性小、反应快，因此当时很多NC系统的进给伺服为液压系统。70年代初期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电动机，静力矩和起动力矩大，性能良好，FANUC公司很快于1974年引进并在NC机床上得到了应用。从此，开环的系统逐渐被闭环的系统取代，液压伺服系统逐渐被电气伺服系统取代。
　　电伺服技术的初期阶段为模拟控制，这种控制方法噪声大、漂移大。随着微处理器的采用，引入了数字控制。它有以下优点：①无温漂，稳定性好。②基于数值计算，精度高。③通过参数对系统设定，调整减少。④容易做成ASIC电路。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者称为软件控制取代硬件控制。20世纪90年代，许多公司又研制了直线电动机，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。
　　5 自动编程的采用
　　编程的方法有手工编程和自动编程两种。据统计分析，采用手工编程，一个零件的编程时间与机床加工之比，平均约为30:1。为了提高效率，必须采用计算机或程编机代替手工编程。自动编程需要有自动化编程语言，其中麻省理工学院研制的APT语言是最典型的一种数控语言，它大大地提高了编程效率。从70年代开始出现的图象数控编程技术有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等，从而推动了CAD和CAM向一体化方向发展。
　　6 DNC概念的引入及发展
　　DNC概念从“直接数控”到“分布式数控”的变化，其内涵也发生了变化。“分布式数控”表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模式扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。从通信功能而言，可以在CNC系统中增加DNC接口，形成制造通信网络。网络的最大特点是资源共享，通过DNC功能形成网络可以实现：①对零件程序的上传或下传。②读、写CNC的数据。③PLC数据的传送。④存贮器操作控制。⑤系统状态采集和远程控制等。
　　7 可编程控制器的采用
　　在20世纪70年代以前，NC控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行。60年代出现了半导体逻辑元件，1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程序控制器PLC。PLC很快就显示出优越性：设计的图形与继电器电路相似，形象直观，可以方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存贮和传送：PLC没有继电器电路那种接触不良，触点熔焊、磨损、线圈烧断等缺点。因此很快在NC机床上得到应用。目前，在NC机床上指令执行时间可达到0.085µs/步，最大步数为32000步。而且，使用PLC还可以大大减少系统的占用空间，提高系统的快速性和可靠性。
　　8 传感器技术的发展
　　一台NC系统与机械连结在一起时，它能控制的几何精度除受机械因素的影响外，闭环系统还主要取决于所采用的传感器，特别是位置和速度传感器，如可测量直线位移和旋转角度的直线感应同步器和圆感应同步器、直线和圆光栅、磁尺、利用磁阻的传感器等。这些传感器由光学、精密机械、电子部件组成，一般分辨率为0.01～0.001mm，测量精度为±0.02～0.002mm/m，机床工作台速度为20m/min以下。随着机床精度的不断提高，对传感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于是出现了具有“细分”电路的高分辨率传感器，比如FANUC公司研制的编码器通过细分可做到分辨率为10-7r。利用它构成的高精度数控系统为超精控制及加工创造了条件。
　　9 开放技术的产生
　　1987年美国空军发表了著名的“NGC(下一代控制器)”计划，首先提出了开放体系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格(SOSAS)”。美国空军把开放的体系结构定义为：在竞争的环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操作的模块。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。当前在市场上开放系统基本上有两种结构：①CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行非实时控制，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。②PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用方案①，即在不改变原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能。典型的如FANUC公司的150/160/180/210系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)，由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎，成为NC技术的发展趋势之一。
　　10 制造技术的发展
　　CNC机床的发展建立在NC技术、机械构造技术和制造技术的基础上，这三种技术的进步和发展也互相推动。而且，NC本身的发展也是建立在机械的发展基础上。①机械加工速度和精度的提高，要求NC系统的功能不断扩大、改进和完善，特别是高速高精加工的要求产生了高速高精控制系统，包括快速程序输入、高速高精插补、控制及输出。②机械结构的简化与改进及新加工功能的完善，要求NC的软件功能越来越复杂，元部件性能越来越高。比如，采用宽调速、高速、大转矩的进给系统和大功率的主轴系统以简化机械结构和提高机床的加工效率及精度。③机械加工的连续运行、连线、协调，要求NC系统可靠性不断提高，加工和系统信息不但可以控制、处理、传送、管理而且通过网络可以共享。
结语
　　目前，我国的机床工业正从生产大国逐渐变为机床强国，主要体现在数控机床产品的技术水平和质量不断发展及提高。其中，特别是数控系统和数控机床的可靠性不断提高。由于对产品结构进行了调整，新的数控产品不断涌现，如多坐标联动、高速、高精等数控机床的研制成功。北京发那科机电有限公司作为一家中国国内的数控系统制造和销售企业，有必要为我国机床工业的发展提供更加可靠、功能更多的数控产品以满足我国机床工业的需要。