数控技术和数控机床是制造业现代化的基础,是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中,大力发展数控技术具有重要意义。 我国数控技术的现状表现在以下几个方面:
1 数控系统的硬件技术发展迅速
随着集成电路及计算机技术的迅猛发展,给数控硬件技术的更新换代注入新的活力,现代数控系统普遍采用超大规模集成电路(VLSI)、专用芯片(ASIC)及数字信号处理(DSP)技术。在电气装联上广泛采用表面安装(SMT)、三维高密度(three dimensional high density)技术,极大地提高系统的可靠性。高速高性能存储技术,比如闪烁存储(flash memory),移动存储(PCMCIA card)等极大地方便用户。薄膜晶体管液晶显示器(TFTLCD)技术使得显示装置趋于平板化,更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用“位以上的高速RISC CPU,保证高速、高精度的数控加工。
2 体系结构向开放式发展
开放式数控的讨论已有好些年了,但是应该看到,对于开放式结构至今没有一致性的定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议;而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致;对机床应用工程师而言,开放式意味着对刀架移动、传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口;对大公司和大学的研究工程师来说,开放式意味着以上这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自最终用户和集成商(机床厂)的压力,开放式结构的开发工作正在向前发展并将持续下去。目前的一个积极成果即是基于PC的CNC,即PC-based。
3 实时操作系统进入CNC
严格意义上说,数控控制软件中包含着实时操作系统的思想,例如任务调度、存储器管理、中断处理等,但这种技术是隐含的,是和数控应用程序比如插补,伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特的,不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商而言带来诸多不便。在开放式数控呼声日益高涨的今天,研究实时操作系统在CNC软件中的应用是顺理成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术发展迅猛,这对于数控控制软件的开发将产生革命性的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统,将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上“挂”,最终移植到一个硬件环境中去,形成最终使用户满意的数控系统,也就是个性化的CNC系统,这将是开放式数控的主要方向。
4 现场总线技术开始广泛使用
现场总线(field bus)实质上是工控网络中的低档产品。因为底层设备通信有以下特点。
1)通信环境恶劣,可能受到温度、湿度变化、尘埃、电压波动、机械振动和电磁场干扰等因素影响。
2)信息传递主要是设备与设备之间,故对通信可靠性要求高。
3)通信内容和时间一般可以预先设定,随机、自发产生的信息相对较少,这可使通信协议大大简化。
4)由于有较多的监控信息,实时性要求高。
5)要求有一定的故障诊断和容错能力,以防止不必要的系统故障。
6)距离短,频度高。
5 PLC功能继续增强
可编程控制器(PLC)在数控机床上主要完成MST功能(辅助功能),即除了主运动以外的辅助功能,但目前PLC在数控机床上的功能正在逐渐扩大,例如:1)可通过报警文本编辑产生个性化的诊断页面。2)PLC直接控制坐标轴。3)在系统配置和初始化时发挥作用,这个作用对西门子系统的PLC最为明显。
6 CNC的通讯、网络功能不断扩大
从早期的DNC,RS232、422和485一直到目前的MAP,EtIlemet等,数控机床的网络通讯功能在不断增强。为解决大容量零件加工程序的传递和存储,一是可采用DNC中的前端机进行分配和传输,即形成DNC主机一前端机.CNC的三层模式。而一台前端机可控制多台CNC。另外一种,对于带PCMC认卡的CNC系统,可利用该存储卡传递加工程序(一张卡为5—8M)。第二种最简单的方法可利用CNC和后台编辑功能,在切削时同时传递零件加工程序。
7 数字式交流伺服成为主流
数字式交流伺服系统体积小,性能好,调试方便,克服了过去模拟伺服系统用电位器调节的不便。通过数字设定可优化速度、电流环,可进行转矩限制,进行加减速控制,另外可以和外部计算机通讯,备份伺服参数,并在上位机显示电流、扭矩波形,便于观察。
8 数控系统开发环境越来越友好
数控系统如何安装在一台机床上,这就是数控系统的开发环境。除了硬件联结之外主要有两个方面的问题,一个是PLC梯形图的编写。另一个是机床参数的确定。前者主要解决辅助功能的匹配,比如机床冷却、润滑、主轴正、反转以及机床操作面板的适配。而后者主要匹配机床的主运动,例如进给速度,加减速,行程限制等。这里主要介绍PLC梯形图的开发问题。早期的数控机床的梯形图是由CNC工程师根据机床的功能编写的。编译完以后再插入到数控软件中去,随着数控技术的普及,原先由数控系统制造商垄断的接口软件开发已转移到机床厂或数控集成商。用户可根据CNC制造商提供的集成方法和文件自行开发,大大促进了数控技术的发展和普及。现在为了减轻机床厂和系统集成商编写梯形图的负担,西门子公司在802D系统中提供了PLC应用程序实例和子程序库说明,最终用户在编写梯形图时,只要利用参数调用就可以完成梯形图的编写,大大方便了用户并节约了时间。
9 数控相关技术和社会服务体系正在逐步完善
数控相关技术,首推CAD/CAM,目前商用的CAD/CAM软件十分丰富,UG-II,Pro/E,Solidworks,Mastercam等已十分普遍。并将工艺设计(CAPP)内容融合进去,给用户提供典型工艺方案以供选择。所生成的数控零件加工程序更符合实际需要。目前存在的普遍问题是CAD/CAM软件产生的二进制文件(刀位文件)均要经过后置处理转化为字符串文件,供给数控机床使用。而这些零件加工程序一进入数控系统后又还原二进制文件以供插补等运算。这种信息传递的过程很难做到高效、优质、快捷。人们期待着一种CAD/CAM/CNC的高效信息传递方式,这里还有较长的路要走。