數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車間最重要的設(shè)備。它的發(fā)展是信息技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。近20年來(lái)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展極大地刺激和增加了制造系統(tǒng)的上層智能功能。未來(lái)20年，智能化將延伸到工廠底層，數(shù)控系統(tǒng)性能更高，功能更多；由于數(shù)控系統(tǒng)的靈活性，單個(gè)機(jī)床會(huì)變得更加靈活和精致；可以廣泛傳播；方便集成和重新配置；測(cè)量過(guò)程，預(yù)測(cè)結(jié)果，診斷故障，避免事故；并按照科學(xué)的方式進(jìn)行加工，以達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率。以下是關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)的一些最新進(jìn)展。

1.數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，功能更多

1.1多坐標(biāo)多系統(tǒng)控制

比如FANUC最新的高檔數(shù)控系統(tǒng)11S30i—MODEL A系統(tǒng)，控制系統(tǒng)最大數(shù)量為10個(gè)系統(tǒng)(通道)，最大軸數(shù)和最大軸數(shù)配置為40軸，其中進(jìn)給軸為32軸，主軸為8軸，最大同時(shí)控制軸數(shù)為24軸/系統(tǒng)。最大PMC系統(tǒng)是3個(gè)系統(tǒng)。最大I/o點(diǎn)數(shù)為4096/4096，PMC的基本命令速度為25ns。最大預(yù)讀程序段:1000段。這是世界上配置最高的數(shù)控系統(tǒng)。多軸多系統(tǒng)配置，特別適合大型自動(dòng)化機(jī)床、復(fù)合機(jī)床、多頭機(jī)床等的需要。

1.2高精度和高速加工功能

這是數(shù)控系統(tǒng)最重要的功能。有了這一功能，制造技術(shù)有了很大的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床由計(jì)算機(jī)控制，可以保證加工出的零件具有較高的精度和重復(fù)性。但是為了得到某種功能，輸入到數(shù)控系統(tǒng)的信號(hào)要經(jīng)過(guò)一系列的處理，不可避免的會(huì)產(chǎn)生失真和延遲。因此，在高速加工中，為了保持較高的加工精度，必須采取一定的措施來(lái)減少變形和時(shí)間延遲。高精高速加工，除了機(jī)械設(shè)計(jì)制造要保證目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)外，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求主要是高加工速度和高控制精度。采用前饋控制補(bǔ)償伺服滯后引起的誤差，提高加工精度。通過(guò)控制進(jìn)給速度和采用合適的加減速曲線，可以減小加減速滯后引起的誤差。“前瞻”控制在程序執(zhí)行前對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和緩沖，從而控制刀具高速運(yùn)動(dòng)，誤差很小。對(duì)于機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的高精度輪廓控制，指令形式的實(shí)時(shí)識(shí)別可以最好地控制速度、加速度和加加速度，使加工始終保持在最佳狀態(tài)。為了防止干擾，采用數(shù)字濾波技術(shù)消除機(jī)械諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置增益。高精度進(jìn)給和主軸伺服系統(tǒng)對(duì)高速、高精度和高效率至關(guān)重要。目前主要從以下幾個(gè)方面提升其性能。減小電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制單元的尺寸，提高編碼器的分辨率；直線運(yùn)動(dòng)軸可以由直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；減少機(jī)械傳動(dòng)鏈，提高剛性和精度。當(dāng)主軸電機(jī)采用同步電機(jī)時(shí)，非常適用于齒輪機(jī)床。齒輪機(jī)床有時(shí)需要很低的主軸轉(zhuǎn)速，但精度很高。例如，F(xiàn)ANUC伺服電機(jī)被設(shè)計(jì)成具有小體積和高增益控制。伺服電機(jī)是一個(gè)無(wú)齒槽電機(jī)，帶有1.6 X10 '脈沖/旋轉(zhuǎn)分辨率編碼器。伺服控制采用交流數(shù)字伺服控制，電流檢測(cè)精度高。采用相應(yīng)的硬件可以產(chǎn)生所謂的“納米控制”，即當(dāng)系統(tǒng)的探測(cè)分辨率為1脊m時(shí)，插值分辨率可以達(dá)到1nm；它最大限度地減少了數(shù)控機(jī)床中的計(jì)算誤差，每次內(nèi)部計(jì)算都以納米或更小的單位進(jìn)行，大大提高了加工質(zhì)量。為了控制直線電機(jī)，設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器以避免直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的多點(diǎn)諧振。結(jié)合這些功能，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)可以準(zhǔn)確地按照指令進(jìn)行。加工具有自由曲面的模具時(shí)，程序段之間會(huì)出現(xiàn)條紋。為了解決這個(gè)問(wèn)題，F(xiàn)ANUC開發(fā)了“納米平滑”功能，將數(shù)控機(jī)床指令的公差四舍五入，以“納米”為單位評(píng)估原始曲線，并用NURBS進(jìn)行插值。這些性能符合機(jī)床“高速高精”和“低速高精”的要求。

1.3五軸加工和復(fù)雜加工功能

由于五軸加工工藝合理，與三維曲面加工相比，可以充分利用刀具的最佳幾何形狀進(jìn)行切削，在復(fù)雜形狀的高速高精加工中可以提高效率和平整度。因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。5.軸類加工機(jī)械的配置主要包括刀具旋轉(zhuǎn)模式、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)模式以及這兩種模式的混合。因此，5軸加工功能應(yīng)該能夠滿足各種配置的要求。根據(jù)五軸加工的特點(diǎn)，將TCP(刀具中心控制)和刀具半徑補(bǔ)償?shù)裙δ軕?yīng)用于不同機(jī)械配置的五軸加工機(jī)床。

1.4 數(shù)控機(jī)床復(fù)雜功能

為了提高生產(chǎn)率，開發(fā)和制造數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床已成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合機(jī)床是指在同一臺(tái)機(jī)床上可以加工多道工序，如車、銑、錘等。在一臺(tái)機(jī)床上。比如要在圓柱體的表面上車削一個(gè)圓柱體，錘打L，在圓柱面上銑凹槽，這些都要求在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上完成。這將大大提高生產(chǎn)率。因此，對(duì)于數(shù)控復(fù)合機(jī)床，白線需要增加可用于復(fù)合加工功能的控制系統(tǒng)。比如銑床需要增加螺旋錐線功能、螺旋線功能、三維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等。此外，刀具補(bǔ)償功能還需要車削和銑削兩種功能。此外，這種機(jī)床經(jīng)常需要高速加工。

1.5網(wǎng)絡(luò)接入通信功能

為了通過(guò)PC機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)本身集中監(jiān)控和管理多臺(tái)機(jī)床，系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。以便傳送程序并監(jiān)控處理狀態(tài)。此外，網(wǎng)絡(luò)功能還可以傳輸維護(hù)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、操作和診斷。傳輸CAD/CAM數(shù)據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)控機(jī)床可以在數(shù)控機(jī)床和伺服裝置之間、數(shù)控機(jī)床和I/O數(shù)控系統(tǒng)之間傳輸控制、監(jiān)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)。目前主要采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線。隨著科技的發(fā)展，無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用也出現(xiàn)了。

無(wú)線技術(shù)可以讓信息到達(dá)幾乎任何地方。

1.6高可靠性和安全特性

數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床一起工作在底層車間，承受著溫度、濕度、振動(dòng)、油霧、粉塵等惡劣環(huán)境，同時(shí)要求連續(xù)工作；所以對(duì)可靠性的要求特別高?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的可靠性除了可靠性設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的措施外，主要采取以下措施:①采用光纖，減少電纜連接。例如，F(xiàn)ANUC的數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)光纖連接數(shù)控和伺服放大器，以串行高速的方式將大量數(shù)據(jù)從數(shù)控傳輸?shù)蕉鄠€(gè)伺服放大器。②利用ECC(糾錯(cuò)碼)傳輸數(shù)據(jù)，隨著軟件高速處理大量數(shù)據(jù)，對(duì)微處理器、存儲(chǔ)器、LSI的處理速度也要求大大提高。當(dāng)這些安裝在數(shù)控機(jī)床印制板上的高速電子元件高速讀寫和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，ic驅(qū)動(dòng)的信號(hào)波形變得滯后。在這種情況下，如果不采用模擬電路處理，數(shù)字信號(hào)就不能正確傳輸。此外，當(dāng)最新的電子元件由低電壓供電時(shí)，電路的低噪聲電阻的工作范圍減小。因此，數(shù)控電路將采用更先進(jìn)的糾錯(cuò)碼來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。ECC是領(lǐng)先的高可靠性技術(shù)。通過(guò)向數(shù)據(jù)添加ECC來(lái)傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)更加可靠。②采用雙重止回安全(雙重止回Sa缸Y)措施。“雙重檢測(cè)安全”符合歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)(EN 954-1)。其原理是在數(shù)控機(jī)床中嵌入多個(gè)處理器，對(duì)伺服電機(jī)、主軸電機(jī)和與安全相關(guān)的I/O信號(hào)進(jìn)行冗余監(jiān)控，利用緊急停止和相關(guān)I/O電路使系統(tǒng)安全運(yùn)行和停止。

2數(shù)控系統(tǒng)的開啟

數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)后，廠家希望能打開數(shù)控系統(tǒng)的黑匣子，部分或完全替代機(jī)床設(shè)計(jì)者和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能輸入數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)，他們也希望它能具有圖形交互、診斷等功能。這就要求商用數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和面向用戶的開發(fā)平臺(tái)。要求數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)是透明的，以便機(jī)床制造商和最終用戶可以自由地執(zhí)行自己的想法。因此，開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

IEEE開放系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)將“開放架構(gòu)”定義為:“開放系統(tǒng)執(zhí)行的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在許多廠商的不同平臺(tái)上；它可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行互操作，并與用戶進(jìn)行交互和協(xié)作(1EEElo03.0)?！币韵滦阅苤笜?biāo)也可用于評(píng)估數(shù)控系統(tǒng)的開放性。比如應(yīng)用模塊為AM: ①可移植性:在保持應(yīng)用模塊(AM)功能的同時(shí)，無(wú)需任何改動(dòng)即可應(yīng)用于不同平臺(tái)。②擴(kuò)展性:不同的am可以在一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生沖突。③互操作性:AM相互協(xié)作工作，可以根據(jù)定義相互交換數(shù)據(jù)。④可擴(kuò)展性:根據(jù)用戶的需求，可以對(duì)AM的功能、性能和硬件規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)展和收縮。

開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)(oAC)使數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商、機(jī)床制造商和最終用戶能夠從靈活敏捷的生產(chǎn)中獲得更多利潤(rùn)。

易。其主要目標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境中采用開放接口，以方便操作、降低成本和增加靈活性。這種系統(tǒng)能力被廣泛接受。軟件可以重復(fù)使用，用戶可以根據(jù)給定的配置設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)樗鼘?duì)實(shí)時(shí)性和可靠性有嚴(yán)格的要求。其特點(diǎn)是基于PC，互聯(lián)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)組件和接口。系統(tǒng)組件由軟件模塊和硬件模塊組成。在一個(gè)開放的系統(tǒng)中，每個(gè)組件和接口也可以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中增加智能的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于控制的復(fù)雜性，這些系統(tǒng)的硬件和軟件是基本的工具。控制接口可以分為兩組:內(nèi)部接口和外部接口。

①外部接口:這些接口將系統(tǒng)與監(jiān)控單元、子單元和用戶連接起來(lái)。它們可以分為編程接口和通信接口。與NC PI' C的編程接口采用國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如RS-274、DIN66025或IEC6L131-3。通信接口也受到標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)烈影響?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如SERCOS、P凹肋us或Device Net，用作傳動(dòng)和I/O的接口。I、AN (LocalArea Network)網(wǎng)絡(luò)主要是基于以太網(wǎng)和TCP/IP接口與監(jiān)控系統(tǒng)。

②內(nèi)部接口:用于部件之間的交互和數(shù)據(jù)交換，構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心。在這方面，一個(gè)重要的表現(xiàn)就是支持實(shí)時(shí)機(jī)制。為了獲得可重構(gòu)和自適應(yīng)的控制，控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于平臺(tái)的概念。因?yàn)樘厥庥布募?xì)節(jié)在軟件組件中是無(wú)法知道的，所以主要目標(biāo)是在軟件組件之間建立一個(gè)可定義但靈活的通信方法。應(yīng)用編程接口(APl)確保了這些需求?？刂葡到y(tǒng)的所有功能被分成幾個(gè)包，模塊化軟件組件通過(guò)定義的API相互交互。

根據(jù)1999年美國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)論壇的信息，美國(guó)機(jī)器人的總裝機(jī)系統(tǒng)是機(jī)器人本身價(jià)值的3-5倍，即如果有一個(gè)1億美元的機(jī)器人市場(chǎng)，相當(dāng)于增加了20-40億美元的附加值，如果其中25%是因?yàn)檐浖傻脑?，則認(rèn)為如果通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)和應(yīng)用采用開放式架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，將減少50%。那么，采用開放式數(shù)控系統(tǒng)后，每年可以節(jié)省2.5億到5億美元的潛在價(jià)值。

目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有三種形式:

①基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，以PC為基礎(chǔ)，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過(guò)伺服卡傳輸數(shù)據(jù)，控制坐標(biāo)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)有時(shí)被稱為軟NC，易于全方位開放。

②嵌入式PC:這種系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是:數(shù)控機(jī)床十PC主板，即在傳統(tǒng)PC機(jī)上插入一塊數(shù)控機(jī)床板，數(shù)控機(jī)床主要運(yùn)行基于坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，或者數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控功能運(yùn)行，PC板作為用戶的人機(jī)界面平臺(tái)。

③PC X 數(shù)控機(jī)床:目前主流數(shù)控系統(tǒng)廠商認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)最重要的性能是可靠性，不允許出現(xiàn)PC死機(jī)的現(xiàn)象。系統(tǒng)功能首先追求的還是高精高速加工。此外，這些廠商長(zhǎng)期以來(lái)生產(chǎn)了大量的數(shù)控系統(tǒng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變將對(duì)其原有系統(tǒng)的維護(hù)服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良影響。所以開放式結(jié)構(gòu)并不是主要產(chǎn)品，原來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)還是大量生產(chǎn)的。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)廠商往往在不改變?cè)到y(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的情況下增加一塊PC板，并提供鍵盤使用戶能夠?qū)C與數(shù)控機(jī)床連接起來(lái)，大大提高了人機(jī)界面的功能，如FANUC的150i/160i/180i/210J系統(tǒng)。一些制造商也稱這種裝置為融合系統(tǒng)。由于其工作可靠、接口開放，越來(lái)越受到機(jī)床廠商的青睞。成為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向

3步數(shù)控

它以STEP為基礎(chǔ)，將STEP擴(kuò)展到NC，形成“STEP-NC”。開發(fā)和推廣該標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性文件實(shí)現(xiàn)不同CAx系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。目前，企業(yè)之間的專業(yè)分工越來(lái)越明顯。一個(gè)汽車裝配廠往往有數(shù)百個(gè)零件供應(yīng)商。這些企業(yè)可能采用不同的CAD系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換的工作量非常大。CAD系統(tǒng)之間不宜采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交換方式。只有把數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)表表示，用統(tǒng)計(jì)表文件格式輸入輸出數(shù)據(jù)，才有可能實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換。STEP的架構(gòu)可以概括為ExPRESS的語(yǔ)言(ExPRESS是一種信息建模語(yǔ)言)，有三層(應(yīng)用層、邏輯層、物理層)。也可以認(rèn)為STEP的核心是工程定義的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些定義可以形成不同的應(yīng)用協(xié)議，用于各行業(yè)所需的產(chǎn)品模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)包括幾何、拓?fù)?、公差、關(guān)系、屬性、裝配、配置和其他特征。并且在需要時(shí)可以不斷添加新的產(chǎn)品模塊。

數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型(以下簡(jiǎn)稱STEP-NC)是數(shù)控從CAM到數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)模型，解決了目前數(shù)控程序缺乏通用性和可移植性的問(wèn)題。使用“STEP-NC”產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)作為直接機(jī)床的輸入已經(jīng)具有實(shí)際意義。這個(gè)“step-NC”是一個(gè)沒(méi)有g(shù)代碼和M代碼，沒(méi)有后置處理的NC。ISol4649標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是:(1)改善CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)之間的連接；確?！皊tep-NC”可以在CAD/CAM之間傳輸數(shù)據(jù)。采用面向?qū)ο蟮墓ぷ鞑襟E概念代替刀具運(yùn)動(dòng)，改進(jìn)IS06893的不足。步驟對(duì)應(yīng)于過(guò)程的高級(jí)特征和參數(shù)。數(shù)控機(jī)床可以把工作步驟分析成坐標(biāo)的移動(dòng)和刀具的動(dòng)作。(2)數(shù)據(jù)模塊必須包括所有復(fù)雜程度(從加工期間指示的CAD幾何數(shù)據(jù)到具有離散值的簡(jiǎn)單軸運(yùn)動(dòng))。(3)數(shù)控程序可以放在新開發(fā)的數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)上，但也可能放在支持和改進(jìn)現(xiàn)有數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的單獨(dú)的高級(jí)系統(tǒng)(包括各種網(wǎng)絡(luò))上。(4)數(shù)控程序新標(biāo)準(zhǔn)將為機(jī)床操作人員提供更多的靈活性、功能、統(tǒng)計(jì)表的編程定義以及相關(guān)控制和幾何過(guò)程的修正。(5)新標(biāo)準(zhǔn)允許山地車的操作員由于其特殊的機(jī)床和技術(shù)而執(zhí)行特殊的功能。(6)為最終用戶的新標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的編程，更快更便宜的程序準(zhǔn)備，以及由于統(tǒng)一的編程格式而帶來(lái)的低成本。(7)后處理少，標(biāo)準(zhǔn)化多。在數(shù)控編程層面，CAD/CAM系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換將更加方便。