高速數(shù)控技術(shù)應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢研究
工業(yè)發(fā)達國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù),建立數(shù)控機床產(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)濟結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。數(shù)控機床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容,它不但是機電工業(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)的擴展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果,足以給機械制造業(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。
一、數(shù)控技術(shù)發(fā)展的3個階段
1946年第一臺計算機在美國誕生,1952年第一臺數(shù)控機床也在美國誕生。自此,數(shù)控技術(shù)緊跟著電子技術(shù)和計算機技術(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年小型計算機開始用于數(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90年代開始,在美國首先出現(xiàn)了在PC機平臺上開發(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)的特點是計算機的專用性。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)和德國的西門子810系統(tǒng)等,其最大特點就是計算機的專用性,一套數(shù)控系統(tǒng)就是一臺專用計算機,里面有十幾塊甚至幾十塊專用芯片,與標準的計算機不兼容,它們之間也互相不兼容。
第6代數(shù)控系統(tǒng)的特點是計算機的開放性與兼容性。技術(shù)特點為:PC技術(shù),Win操作平臺(并能在最短的時間內(nèi)采用計算機發(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,針對機械加工的要求,數(shù)控機床的發(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機及個人計算機功能,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:納米插補產(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床展和2006年3月的上海國際機床展上,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),建立在標準的微軟新操作系統(tǒng)和帶奔騰處理器(P2)的個人計算機基礎(chǔ)之上,CNC控制功能與HMI功能一起都在PC處理器上運行,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)包含大量的標準化部件,如帶接口卡的工業(yè)PC機、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,包括各種機床以及木制品、建材等機械,而且可靠性更高,向智能化前進了一大步。
4.4 我國應(yīng)積極采用第6代數(shù)控技術(shù)
計算機的迅速發(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遇。就采用計算機技術(shù)發(fā)展的新成果而論,我們和世界上最先進的數(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,積極運用先進計算機技術(shù),會給企業(yè)帶來生機。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)的基于標準計算機平臺的數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計制造出多種型號的數(shù)控機床,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)速和高進給速度以及高進給加速度,還有高的加速度變化率。
高速加工機床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速,也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高進給速度。為了保證加工輪廓的高精度,機床還必須具備高的進給加速度。因為一臺高速機床沒有足夠高的進給加速度,是無法高速地進行高精度復雜曲面輪廓的加工,所以要求高速加工的機床在加工復雜曲面時,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)需要前瞻預處理,要求系統(tǒng)具有足夠的超前路徑加減速優(yōu)化預處理的能力。在高速加工中,為了保證機床在高速運動條件下的精度和平穩(wěn)性,系統(tǒng)必須估計到將要執(zhí)行的一系列空間待加工路徑,并根據(jù)速度預計得足夠遠。
2)要求系統(tǒng)對高速采樣截尾誤差的精確預估,保證系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。
為了保證直線電機高速運行時的高精度,數(shù)控系統(tǒng)必須具有高速采樣插補功能。
3)要求系統(tǒng)具有高的抑制外部擾動力的能力即魯棒性。
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