高速数控技术应用及未来发展趋势研究

    工业发达国家通过发展数控技术，建立数控机床产业，促使制造业跨入一个新的发展阶段，给国民经济结构带来了巨大的变化。数控机床是世界第三次产业革命的重要内容，它不但是机电工业的重要基础装备，还是汽车、石化、电子和现代医疗装备等产业现代化的主要手段。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果，足以给机械制造业的产业结构、产品结构、制造方式及管理模式等带来深刻的变化。

    一、数控技术发展的3个阶段

    1946年第一台计算机在美国诞生，1952年第一台数控机床也在美国诞生。自此，数控技术紧跟着电子技术和计算机技术的发展而发展。近50多年来，数控技术经历了3个阶段、6个时代的发展历程。

    数控技术发展的第一个阶段称为NC阶段，这个阶段的数控技术发展又经历了3个时代，即电子管时代、晶体管时代和中小规模集成电路时代。

    第二个发展阶段称为CNC阶段。1970年小型计算机开始用于数控系统，这是第4代数控系统；1974年微处理器开始用于数控系统，数控系统发展到第5代。迄今为止，在生产中使用的数控系统大多数都是第5代数控系统。

    第三个发展阶段称为ONC阶段。从20世纪90年代开始，在美国首先出现了在PC机平台上开发的数控系统，就是所谓开放式数控系统，即第6代数控系统。

    2、第5、第6代数控系统的比较

    第5代数控系统的特点是计算机的专用性。目前市场上第5代数控系统的代表是日本的FANUC-0系统和德国的西门子810系统等，其最大特点就是计算机的专用性，一套数控系统就是一台专用计算机，里面有十几块甚至几十块专用芯片，与标准的计算机不兼容，它们之间也互相不兼容。

    第6代数控系统的特点是计算机的开放性与兼容性。技术特点为：PC技术，Win操作平台(并能在最短的时间内采用计算机发展的新成果)；技术支持为：大量的硬件板卡厂商，大量的应用软件开发公司。

    3、数控技术的发展趋势

    从目前来看，针对机械加工的要求，数控机床的发展趋势主要有5个方面：①基于PC的开放式；②网络化(采用TCP／IP通讯协议)；③数字化；④多轴联动；⑤高速高精度。

    目前世界上一些先进数控系统都采用Windows平台，如：FANUC 300i、西门子840Di、海德汉TNCi 530等。

    4、采用第6代数控技术的典型系统介绍

    4.1 FANUC的新系统

    日本FANUC的控制器具有PC机及个人计算机功能，如：150i／160i／180i／210i等，解决了第5代系统的封闭性、不兼容性的问题。

    4.2 FANUC的纳米数控系统30i和31i

    纳米插补：纳米插补产生以纳米为单位的指令给数字伺服控制器，使数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月的日本东京国际机床展和2006年3月的上海国际机床展上，FANUC展示了30i与31i两款纳米级数值控制器，其最小输入单位为千分之一微米，日本安田工业已率先采用，目前一般的控制器精度约在0.1μm。

    4.3 西门子840Di数控系统

    840Di是全PC集成的更加灵活的开放式数控系统，建立在标准的微软新操作系统和带奔腾处理器(P2)的个人计算机基础之上，CNC控制功能与HMI功能一起都在PC处理器上运行，可以省略传统控制系统中所需的NC处理单元。这种控制系统包含大量的标准化部件，如带接口卡的工业PC机、PROFIBUS-DP、Windows NT操作系统、OPC(用于过程控制的OLE)用接口和NC控制软件等。应用领域更广，包括各种机床以及木制品、建材等机械，而且可靠性更高，向智能化前进了一大步。

    4.4 我国应积极采用第6代数控技术

    计算机的迅速发展给中国数控产业带来了巨大的希望和前所未有的机遇。就采用计算机技术发展的新成果而论，我们和世界上最先进的数控系统厂家的差距不太大或基本是平等的，开发数控新产品，积极运用先进计算机技术，会给企业带来生机。如南京四开公司成功地开发出了具有自主知识产权的基于标准计算机平台的数控系统，设计制造出多种型号的数控机床，满足了市场的需求。

    我国应积极采用第6代数控系统，这样可以大大缩小与国际先进数控系统发展之间的差距。

    5、高速数控技术

    高速加工是指主轴的高转速和高进给速度以及高进给加速度，还有高的加速度变化率。

    高速加工机床不仅要有高的主轴转速，也应具备与主轴转速相匹配的高进给速度。为了保证加工轮廓的高精度，机床还必须具备高的进给加速度。因为一台高速机床没有足够高的进给加速度，是无法高速地进行高精度复杂曲面轮廓的加工，所以要求高速加工的机床在加工复杂曲面时，根据不同的曲率半径，在最短的时间内不断地调整进给速度。

    5.1 高速加工对数控系统的要求

    1)需要前瞻预处理，要求系统具有足够的超前路径加减速优化预处理的能力。在高速加工中，为了保证机床在高速运动条件下的精度和平稳性，系统必须估计到将要执行的一系列空间待加工路径，并根据速度预计得足够远。

    2)要求系统对高速采样截尾误差的精确预估，保证系统运行的平稳性。

    为了保证直线电机高速运行时的高精度，数控系统必须具有高速采样插补功能。

    3)要求系统具有高的抑制外部扰动力的能力即鲁棒性。