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高速數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

來源:中國數(shù)控機(jī)床網(wǎng)  作者:*  日期:2010-9-27
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 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,高速、高精度數(shù)控加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短生產(chǎn)周期并提高市場競爭能力。
  數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,高速、高精度數(shù)控加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短生產(chǎn)周期并提高市場競爭能力。


  工業(yè)發(fā)達(dá)國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù),建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè),促使制造業(yè)跨入一個新的發(fā)展階段,給國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。數(shù)控機(jī)床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容,它不但是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備,還是汽車、石化、電子和現(xiàn)代醫(yī)療裝備等產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的主要手段。特別是數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)的擴(kuò)展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果,足以給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方式及管理模式等帶來深刻的變化。


1 數(shù)控技術(shù)發(fā)展的3個階段

  1946年第一臺計(jì)算機(jī)在美國誕生,1952年第一臺數(shù)控機(jī)床也在美國誕生。自此,數(shù)控技術(shù)緊跟著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。近50多年來,數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了3個階段、6個時代的發(fā)展歷程。


  數(shù)控技術(shù)發(fā)展的第一個階段稱為NC階段,這個階段的數(shù)控技術(shù)發(fā)展又經(jīng)歷了3個時代,即電子管時代、晶體管時代和中小規(guī)模集成電路時代。


  第二個發(fā)展階段稱為CNC階段。1970年小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng),這是第4代數(shù)控系統(tǒng);1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第5代。迄今為止,在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都是第5代數(shù)控系統(tǒng)。


  第三個發(fā)展階段稱為ONC階段。從20世紀(jì)90年代開始,在美國首先出現(xiàn)了在PC機(jī)平臺上開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),就是所謂開放式數(shù)控系統(tǒng),即第6代數(shù)控系統(tǒng)。


2 第5、第6代數(shù)控系統(tǒng)的比較

  第5代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)的專用性。目前市場上第5代數(shù)控系統(tǒng)的代表是日本的FANUC-0系統(tǒng)和德國的西子810系統(tǒng)等,其最大特點(diǎn)就是計(jì)算機(jī)的專用性,一套數(shù)控系統(tǒng)就是一臺專用計(jì)算機(jī),里面有十幾塊甚至幾十塊專用芯片,與標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)不兼容,它們之間也互相不兼容。


  第6代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)的開放性與兼容性。技術(shù)特點(diǎn)為:PC技術(shù),Win操作平臺(并能在最短的時間內(nèi)采用計(jì)算機(jī)發(fā)展的新成果);技術(shù)支持為:大量的硬件板卡廠商,大量的應(yīng)用軟件開發(fā)公司。


3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢

  從目前來看,針對機(jī)械加工的要求,數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要有5個方面:①基于PC的開放式;②網(wǎng)絡(luò)化(采用TCP/IP通訊協(xié)議);③數(shù)字化;④多軸聯(lián)動;⑤高速高精度。


  目前世界上一些先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)都采用Windows平臺,如:FANUC 300i、西門子840Di、海德漢TNCi 530等。


4 采用第6代數(shù)控技術(shù)的典型系統(tǒng)介紹

  4.1 FANUC的新系統(tǒng)

  日本FANUC的控制器具有PC機(jī)及個人計(jì)算機(jī)功能,如:150i/160i/180i/210i等,解決了第5代系統(tǒng)的封閉性、不兼容性的問題。


  4.2 FANUC的納米數(shù)控系統(tǒng)30i和31i

  納米插補(bǔ):納米插補(bǔ)產(chǎn)生以納米為單位的指令給數(shù)字伺服控制器,使數(shù)字伺服控制器的位置指令平滑,因而提高了加工表面的平滑性。


  2004年11月的日本東京國際機(jī)床展和2006年3月的上海國際機(jī)床展上,F(xiàn)ANUC展示了30i與31i兩款納米級數(shù)值控制器,其最小輸入單位為千分之一微米,日本安田工業(yè)已率先采用,目前一般的控制器精度約在0.1μm。


  4.3 西門子840Di數(shù)控系統(tǒng)

  840Di是全PC集成的更加靈活的開放式數(shù)控系統(tǒng),建立在標(biāo)準(zhǔn)的微軟新操作系統(tǒng)和帶奔騰處理器(P2)的個人計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上,CNC控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運(yùn)行,可以省略傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中所需的NC處理單元。這種控制系統(tǒng)包含大量的標(biāo)準(zhǔn)化部件,如帶接口卡的工業(yè)PC機(jī)、PROFIBUS-DP、Windows NT操作系統(tǒng)、OPC(用于過程控制的OLE)用接口和NC控制軟件等。應(yīng)用領(lǐng)域更廣,包括各種機(jī)床以及木制品、建材等機(jī)械,而且可靠性更高,向智能化前進(jìn)了一大步。


  4.4 我國應(yīng)積極采用第6代數(shù)控技術(shù)

  計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展給中國數(shù)控產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的希望和前所未有的機(jī)遇。就采用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新成果而論,我們和世界上最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)廠家的差距不太大或基本是平等的,開發(fā)數(shù)控新產(chǎn)品,積極運(yùn)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù),會給企業(yè)帶來生機(jī)。如南京四開公司成功地開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)平臺的數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計(jì)制造出多種型號的數(shù)控機(jī)床,滿足了市場的需求。


  我國應(yīng)積極采用第6代數(shù)控系統(tǒng),這樣可以大大縮小與國際先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展之間的差距。


5 高速數(shù)控技術(shù)

  高速加工是指主軸的高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度以及高進(jìn)給加速度,還有高的加速度變化率。


  高速加工機(jī)床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速,也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高進(jìn)給速度。為了保證加工輪廓的高精度,機(jī)床還必須具備高的進(jìn)給加速度。因?yàn)橐慌_高速機(jī)床沒有足夠高的進(jìn)給加速度,是無法高速地進(jìn)行高精度復(fù)雜曲面輪廓的加工,所以要求高速加工的機(jī)床在加工復(fù)雜曲面時,根據(jù)不同的曲率半徑,在最短的時間內(nèi)不斷地調(diào)整進(jìn)給速度。


5.1 高速加工對數(shù)控系統(tǒng)的要求

  1)需要前瞻預(yù)處理,要求系統(tǒng)具有足夠的超前路徑加減速優(yōu)化預(yù)處理的能力。在高速加工中,為了保證機(jī)床在高速運(yùn)動條件下的精度和平穩(wěn)性,系統(tǒng)必須估計(jì)到將要執(zhí)行的一系列空間待加工路徑,并根據(jù)速度預(yù)計(jì)得足夠遠(yuǎn)。


  2)要求系統(tǒng)對高速采樣截尾誤差的精確預(yù)估,保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。


  為了保證直線電機(jī)高速運(yùn)行時的高精度,數(shù)控系統(tǒng)必須具有高速采樣插補(bǔ)功能。


  3)要求系統(tǒng)具有高的抑制外部擾動力的能力即魯棒性。


  5.2 高速加工技術(shù)的應(yīng)用

  南京四開公司為漢江機(jī)床廠提供了一套數(shù)控凸輪軸磨床的數(shù)控系統(tǒng)。為保證磨削時恒線速切削,在國內(nèi)首次采用了旋轉(zhuǎn)的“零傳動”技術(shù),采用了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式,取消了從主電機(jī)到機(jī)床主軸之間的一切中間傳動環(huán)節(jié),把主傳動鏈的長度縮短為零,因此加工精度更高。在2007年4月的北京機(jī)床博覽會上,受到好評。


  另外,高速加工技術(shù)在航空航天、電子、船舶、兵器等精密機(jī)械制造領(lǐng)域大有作為,適合加工不銹鋼、淬硬鋼、石墨、石英玻璃等。


6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)

  目前,由于國內(nèi)各企業(yè)的規(guī)模與發(fā)展進(jìn)程不一,其現(xiàn)代制造技術(shù)的應(yīng)用處于單元技術(shù)的應(yīng)用階段、局部集成階段、企業(yè)內(nèi)部的全面集成化、走向網(wǎng)絡(luò)制造、網(wǎng)絡(luò)制造促使信息化發(fā)展等各個階段。


  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用,使制造業(yè)這一傳統(tǒng)行業(yè)日益現(xiàn)代化,現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)的典范網(wǎng)絡(luò)制造模式也越來越為企業(yè)接受并應(yīng)用。


  網(wǎng)絡(luò)制造能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的企業(yè)間跨地域的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、信息共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程服務(wù),企業(yè)與社會相互之間的供應(yīng)、銷售、服務(wù)等越來越便捷。


7 結(jié)束語

  隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使基于多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化制造技術(shù)為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運(yùn)行、虛擬協(xié)作、遠(yuǎn)程操作與監(jiān)視等提供了可能。可以預(yù)見,數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢為:


  1)機(jī)械制造信息的數(shù)字化,將很快實(shí)現(xiàn)CADCAMCAE/CAPP/PDM/PLM的集成應(yīng)用,如產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)經(jīng)過校核,可直接傳送給數(shù)控機(jī)床完成加工。


  2)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部并行工程,通過Internet建立跨地區(qū)的虛擬企業(yè),實(shí)現(xiàn)資源共享,優(yōu)化配置,使制造業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)輔助制造方向發(fā)展。
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