數控機床是現代加工車(chē)間最重要的設備。它的發(fā)展是信息技術(shù)和制造技術(shù)相結合的結果。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的上層智能功能。未來(lái)20年，智能化將延伸到工廠(chǎng)底層，數控系統性能更高，功能更多；由于數控系統的靈活性，單個(gè)機床會(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；測量過(guò)程，預測結果，診斷故障，避免事故；并按照科學(xué)的方式進(jìn)行加工，以達到最佳的生產(chǎn)效率。以下是關(guān)于數控系統的一些最新進(jìn)展。

1.數控機床數控系統進(jìn)一步改進(jìn)，功能更多

1.1多坐標多系統控制

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

1.2高精度和高速加工功能

這是數控系統最重要的功能。有了這一功能，制造技術(shù)有了很大的發(fā)展。數控機床由計算機控制，可以保證加工出的零件具有較高的精度和重復性。但是為了得到某種功能，輸入到數控系統的信號要經(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，除了機械設計制造要保證目標能夠實(shí)現外，對數控系統的要求主要是高加工速度和高控制精度。采用前饋控制補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(xiàn)，可以減小加減速滯后引起的誤差?！扒罢啊笨刂圃诔绦驁绦星皩\動(dòng)數據進(jìn)行計算、處理和緩沖，從而控制刀具高速運動(dòng)，誤差很小。對于機床平穩運行的高精度輪廓控制，指令形式的實(shí)時(shí)識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，采用數字濾波技術(shù)消除機械諧振，提高伺服系統的位置增益。高精度進(jìn)給和主軸伺服系統對高速、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、驅動(dòng)器和控制單元的尺寸，提高編碼器的分辨率；直線(xiàn)運動(dòng)軸可以由直線(xiàn)伺服電機驅動(dòng)；減少機械傳動(dòng)鏈，提高剛性和精度。當主軸電機采用同步電機時(shí)，非常適用于齒輪機床。齒輪機床有時(shí)需要很低的主軸轉速，但精度很高。例如，FANUC伺服電機被設計成具有小體積和高增益控制。伺服電機是一個(gè)無(wú)齒槽電機，帶有1.6 X10 '脈沖/旋轉分辨率編碼器。伺服控制采用交流數字伺服控制，電流檢測精度高。采用相應的硬件可以產(chǎn)生所謂的“納米控制”，即當系統的探測分辨率為1脊m時(shí)，插值分辨率可以達到1nm；它最大限度地減少了數控機床中的計算誤差，每次內部計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(xiàn)電機，設計了數字濾波器以避免直接驅動(dòng)電機引起的多點(diǎn)諧振。結合這些功能，機床的運動(dòng)可以準確地按照指令進(jìn)行。加工具有自由曲面的模具時(shí)，程序段之間會(huì )出現條紋。為了解決這個(gè)問(wèn)題，FANUC開(kāi)發(fā)了“納米平滑”功能，將數控機床指令的公差四舍五入，以“納米”為單位評估原始曲線(xiàn)，并用NURBS進(jìn)行插值。這些性能符合機床“高速高精”和“低速高精”的要求。

1.3五軸加工和復雜加工功能

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，在復雜形狀的高速高精加工中可以提高效率和平整度。因此應用越來(lái)越廣泛。5.軸類(lèi)加工機械的配置主要包括刀具旋轉模式、工作臺旋轉模式以及這兩種模式的混合。因此，5軸加工功能應該能夠滿(mǎn)足各種配置的要求。根據五軸加工的特點(diǎn)，將TCP(刀具中心控制)和刀具半徑補償等功能應用于不同機械配置的五軸加工機床。

1.4 數控機床復雜功能

為了提高生產(chǎn)率，開(kāi)發(fā)和制造數控復合加工機床已成為數控機床的發(fā)展趨勢。復合機床是指在同一臺機床上可以加工多道工序，如車(chē)、銑、錘等。在一臺機床上。比如要在圓柱體的表面上車(chē)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數控機床上完成。這將大大提高生產(chǎn)率。因此，對于數控復合機床，白線(xiàn)需要增加可用于復合加工功能的控制系統。比如銑床需要增加螺旋錐線(xiàn)功能、螺旋線(xiàn)功能、三維圓弧功能、刀具中心點(diǎn)控制等。此外，刀具補償功能還需要車(chē)削和銑削兩種功能。此外，這種機床經(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機或數控系統本身集中監控和管理多臺機床，系統需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。以便傳送程序并監控處理狀態(tài)。此外，網(wǎng)絡(luò )功能還可以傳輸維護數據，對系統進(jìn)行遠程控制、操作和診斷。傳輸CAD/CAM數據。通過(guò)現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )功能，數控機床可以在數控機床和伺服裝置之間、數控機床和I/O數控系統之間傳輸控制、監測和診斷數據。目前主要采用以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)。隨著(zhù)科技的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用也出現了。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以讓信息到達幾乎任何地方。

1.6高可靠性和安全特性

數控系統和數控機床一起工作在底層車(chē)間，承受著(zhù)溫度、濕度、振動(dòng)、油霧、粉塵等惡劣環(huán)境，同時(shí)要求連續工作；所以對可靠性的要求特別高?，F代數控系統的可靠性除了可靠性設計和制造技術(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，FANUC的數控系統通過(guò)光纖連接數控和伺服放大器，以串行高速的方式將大量數據從數控傳輸到多個(gè)伺服放大器。②利用ECC(糾錯碼)傳輸數據，隨著(zhù)軟件高速處理大量數據，對微處理器、存儲器、LSI的處理速度也要求大大提高。當這些安裝在數控機床印制板上的高速電子元件高速讀寫(xiě)和傳輸數據時(shí)，ic驅動(dòng)的信號波形變得滯后。在這種情況下，如果不采用模擬電路處理，數字信號就不能正確傳輸。此外，當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，數控電路將采用更先進(jìn)的糾錯碼來(lái)傳輸數據。ECC是領(lǐng)先的高可靠性技術(shù)。通過(guò)向數據添加ECC來(lái)傳輸各種類(lèi)型的數據，系統更加可靠。②采用雙重止回安全(雙重止回Sa缸Y)措施?！半p重檢測安全”符合歐洲安全標準(EN 954-1)。其原理是在數控機床中嵌入多個(gè)處理器，對伺服電機、主軸電機和與安全相關(guān)的I/O信號進(jìn)行冗余監控，利用緊急停止和相關(guān)I/O電路使系統安全運行和停止。

2數控系統的開(kāi)啟

數控機床出現后，廠(chǎng)家希望能打開(kāi)數控系統的黑匣子，部分或完全替代機床設計者和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能輸入數控系統。同時(shí)，他們也希望它能具有圖形交互、診斷等功能。這就要求商用數控系統具有友好的人機界面和面向用戶(hù)的開(kāi)發(fā)平臺。要求數控數控系統是透明的，以便機床制造商和最終用戶(hù)可以自由地執行自己的想法。因此，開(kāi)放式數控系統應運而生。

IEEE開(kāi)放系統技術(shù)委員會(huì )將“開(kāi)放架構”定義為:“開(kāi)放系統執行的應用程序可以運行在許多廠(chǎng)商的不同平臺上；它可以與其他系統的應用程序進(jìn)行互操作，并與用戶(hù)進(jìn)行交互和協(xié)作(1EEElo03.0)?！币韵滦阅苤笜艘部捎糜谠u估數控系統的開(kāi)放性。比如應用模塊為AM: ①可移植性:在保持應用模塊(AM)功能的同時(shí)，無(wú)需任何改動(dòng)即可應用于不同平臺。②擴展性:不同的am可以在一個(gè)平臺上運行，不會(huì )發(fā)生沖突。③互操作性:AM相互協(xié)作工作，可以根據定義相互交換數據。④可擴展性:根據用戶(hù)的需求，可以對AM的功能、性能和硬件規模進(jìn)行擴展和收縮。

開(kāi)放式結構數控系統(oAC)使數控系統供應商、機床制造商和最終用戶(hù)能夠從靈活敏捷的生產(chǎn)中獲得更多利潤。

易。其主要目標是在標準化環(huán)境中采用開(kāi)放接口，以方便操作、降低成本和增加靈活性。這種系統能力被廣泛接受。軟件可以重復使用，用戶(hù)可以根據給定的配置設計數控系統。

控制系統的開(kāi)放式體系結構是一個(gè)高度復雜的系統，因為它對實(shí)時(shí)性和可靠性有嚴格的要求。其特點(diǎn)是基于PC，互聯(lián)的關(guān)鍵結構是系統組件和接口。系統組件由軟件模塊和硬件模塊組成。在一個(gè)開(kāi)放的系統中，每個(gè)組件和接口也可以實(shí)現制造過(guò)程中增加智能的優(yōu)勢。對于控制的復雜性，這些系統的硬件和軟件是基本的工具?？刂平涌诳梢苑譃閮山M:內部接口和外部接口。

①外部接口:這些接口將系統與監控單元、子單元和用戶(hù)連接起來(lái)。它們可以分為編程接口和通信接口。與NC PI' C的編程接口采用國家或國際標準，如RS-274、DIN66025或IEC6L131-3。通信接口也受到標準的強烈影響?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統，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接口與監控系統。

②內部接口:用于部件之間的交互和數據交換，構成控制系統的核心。在這方面，一個(gè)重要的表現就是支持實(shí)時(shí)機制。為了獲得可重構和自適應的控制，控制系統的內部結構基于平臺的概念。因為特殊硬件的細節在軟件組件中是無(wú)法知道的，所以主要目標是在軟件組件之間建立一個(gè)可定義但靈活的通信方法。應用編程接口(APl)確保了這些需求?？刂葡到y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1999年美國機器人產(chǎn)業(yè)論壇的信息，美國機器人的總裝機系統是機器人本身價(jià)值的3-5倍，即如果有一個(gè)1億美元的機器人市場(chǎng)，相當于增加了20-40億美元的附加值，如果其中25%是因為軟件集成的原因，則認為如果通過(guò)標準化開(kāi)發(fā)和應用采用開(kāi)放式架構數控系統，將減少50%。那么，采用開(kāi)放式數控系統后，每年可以節省2.5億到5億美元的潛在價(jià)值。

目前，開(kāi)放式數控系統結構主要有三種形式:

①基于PC的數控系統，以PC為基礎，開(kāi)發(fā)數控系統的各種功能，通過(guò)伺服卡傳輸數據，控制坐標軸電機的運動(dòng)。這種系統有時(shí)被稱(chēng)為軟NC，易于全方位開(kāi)放。

②嵌入式PC:這種系統的基本結構是:數控機床十PC主板，即在傳統PC機上插入一塊數控機床板，數控機床主要運行基于坐標軸運動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，或者數控機床作為數控功能運行，PC板作為用戶(hù)的人機界面平臺。

③PC X 數控機床:目前主流數控系統廠(chǎng)商認為數控系統最重要的性能是可靠性，不允許出現PC死機的現象。系統功能首先追求的還是高精高速加工。此外，這些廠(chǎng)商長(cháng)期以來(lái)生產(chǎn)了大量的數控系統；系統結構的改變將對其原有系統的維護服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不良影響。所以開(kāi)放式結構并不是主要產(chǎn)品，原來(lái)的數控系統還是大量生產(chǎn)的。為了增加開(kāi)放性，主流數控系統廠(chǎng)商往往在不改變原系統基本結構的情況下增加一塊PC板，并提供鍵盤(pán)使用戶(hù)能夠將PC與數控機床連接起來(lái)，大大提高了人機界面的功能，如FANUC的150i/160i/180i/210J系統。一些制造商也稱(chēng)這種裝置為融合系統。由于其工作可靠、接口開(kāi)放，越來(lái)越受到機床廠(chǎng)商的青睞。成為數控技術(shù)的發(fā)展方向

3步數控

它以STEP為基礎，將STEP擴展到NC，形成“STEP-NC”。開(kāi)發(fā)和推廣該標準的主要目的是通過(guò)標準的個(gè)性文件實(shí)現不同CAx系統之間的數據交換。目前，企業(yè)之間的專(zhuān)業(yè)分工越來(lái)越明顯。一個(gè)汽車(chē)裝配廠(chǎng)往往有數百個(gè)零件供應商。這些企業(yè)可能采用不同的CAD系統，數據交換的工作量非常大。CAD系統之間不宜采用點(diǎn)對點(diǎn)的交換方式。只有把數據用統計表表示，用統計表文件格式輸入輸出數據，才有可能實(shí)現大量的數據交換。STEP的架構可以概括為ExPRESS的語(yǔ)言(ExPRESS是一種信息建模語(yǔ)言)，有三層(應用層、邏輯層、物理層)。也可以認為STEP的核心是工程定義的數據庫。這些定義可以形成不同的應用協(xié)議，用于各行業(yè)所需的產(chǎn)品模塊。數據庫包括幾何、拓撲、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。

數控數控系統數據模型(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STEP-NC)是數控從CAM到數控機床的數據模型，解決了目前數控程序缺乏通用性和可移植性的問(wèn)題。使用“STEP-NC”產(chǎn)品模型數據作為直接機床的輸入已經(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標準的目標是:(1)改善CAD/CAM系統與數控機床數控系統之間的連接；確?！皊tep-NC”可以在CAD/CAM之間傳輸數據。采用面向對象的工作步驟概念代替刀具運動(dòng)，改進(jìn)IS06893的不足。步驟對應于過(guò)程的高級特征和參數。數控機床可以把工作步驟分析成坐標的移動(dòng)和刀具的動(dòng)作。(2)數據模塊必須包括所有復雜程度(從加工期間指示的CAD幾何數據到具有離散值的簡(jiǎn)單軸運動(dòng))。(3)數控程序可以放在新開(kāi)發(fā)的數控數控系統上，但也可能放在支持和改進(jìn)現有數控數控系統的單獨的高級系統(包括各種網(wǎng)絡(luò ))上。(4)數控程序新標準將為機床操作人員提供更多的靈活性、功能、統計表的編程定義以及相關(guān)控制和幾何過(guò)程的修正。(5)新標準允許山地車(chē)的操作員由于其特殊的機床和技術(shù)而執行特殊的功能。(6)為最終用戶(hù)的新標準提供統一的編程，更快更便宜的程序準備，以及由于統一的編程格式而帶來(lái)的低成本。(7)后處理少，標準化多。在數控編程層面，CAD/CAM系統與數控系統之間的數據交換將更加方便。

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