2023年数控代关键技术之数控系统.doc

参考 ecnc.org 数控技术网 数控一代关键技术之数控系统 发表时间：2023/6/6 e-works 王长兴  来源：e-works 关键字：数控系统 数控机床 数控 编程  投稿收藏好文推荐打印 数控系统是数控机床装备的核心关键部件。数控系统可用于数控机床的生产，也可以对原有的数控机床或非数控机床进行系统升级、改造，其具体的应用市场为机电行业，包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等。另外，航空航天、船舶制造、大型电站设备、感化和冶金设备、汽车制造等都是我国机床业的下游产业，都离不开高档机床，因而也为数控系统的开展提供了广阔的空间        数控系统的不同可以直接影响数控装备的加工效率，而且直接影响到信息化系统的信息采集，因此选择一个适合的数控系统不仅仅是机床生产厂商需要考虑的，也是企业采购及信息化人员需要注意的一个重要事项。 一、数控系统的分类 　　数控系统〔Numerical Control System〕是数字控制系统的简称，能够根据计算机存储器中存储的控制程序，执行局部或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 　　目前市面上数控系统的种类繁多，从不同角度上来看数控系统可以分为多种类型。从数控系统涉及的底层技术上来看，运动伺服系统是数控系统的核心，通常伺服系统分为开环控制数控系统、半闭环控制数控系统、全闭环控制数控系统。每种系统都有其不同的优略势，半闭环控制数控系统以其调试方便，可以获得比拟稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。具体每种数控系统的功能特点如表1所示： 　　从按被控机床的运动轨迹类型上来看，包含点位控制数控系统、直线控制数控系统、轮廓控制数控系统这几个类型。根据这些系统所控机床运动轨迹需求，每种控制系统都有最为适宜的使用环境，具体每种数控系统的特点及应用环境如表2所示： 　　就系统硬件和软件组成及其结构形式而言，当今世界的各种数控系统大致可分为传统专用型数控系统、PC嵌入NC结构的开放式数控系统、NC嵌入PC结构的开放式数控系统、全软件型的开放式数控系统4种类型。 　　对于机床采购及最终消费者而言，价格是最为看重的因素之一。因此，数控系统根据其价格的不同可以分为经济型数控系统〔也称：简易数控系统〕、普及型数控系统〔又称全功能数控系统〕、高档型数控系统。对于高中低档数控系统，每种数控系统都适用于不同的设备，对于控线切割机床，数控钻床，数控车床，数控铣床及数控磨床等平面加工的设备，经济型的数控系统完全能够满足其需求。 二、数控系统的开展趋势 　　随着电子技术的快速开展，目前世界上数控技术及其装备也随之开展，由于优化了体系结构设计，线路布局更为合理，因此其性能、功能都得到了快速的提高。主要表现在以下几个方面： 　　1.  性能开展方面 　　效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，目前的数控系统有着高精高速高效化的趋势。假设采用高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化开展，集合而成的新一代数控机床。 　　柔性化。数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。 　　多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多外表的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。 　　软硬件开放化。 用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。 　　2.  功能开展方面 　　用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包括非专业用户的使用，通过窗口和莱单进行操作，可实现图形模拟、图形动态跟踪、仿真和快速编程等功能。 　　信息交流已不再局限于用文字和语言表达，可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术可用于CAD/CAM、参数自动设定、刀具补偿、显示及加工过程的可视化仿真等。如最近厦门创壹软件开发的数控机床虚拟实现技术，用可视化3D技术展示了对数控机床的故障诊断与维修等功能。 　　插补方式有直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、多项式插补等。补偿功能有垂直度补偿、间隙补偿、圆弧插补时过象限的误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、刀具半径补偿、温度补偿等。 　　数控系统内装高性能的PLC，可直接用梯形图或高级语言编程，可在线调试和在线编辑修改，建立自己的应用程序。 　　3. 体系结构的开展 　　集成化是体系结构最为重要的标志。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路，及专用集成电路芯片，提高数控系统的集成电路密度和软硬件运行速度及系统的可靠性。 　　模块化的出现实现数控系统的集成化和标准化，将CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，构成不同档次的数控系统。 　　4. 智能化、开放式新一代数控系统 　　智能化表现在数控系统支持自动编程、加工过程智能监控、在线检测等方面。今后的数控系统将计算机智能技术，网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程，即称为智能闭环控制体系，这种技术是利用传感器获得适时的信息，以增强制造者取得最正确产品的能力；智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最正确目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最正确状态。 　　开放式体系结构使数控系统有更好的柔性、适应性、通用性、扩展性，并向网络化、智能化方向开展。目前开放式数控系统主要有三种形式：1)全升、下降十个动作组成。系统漫游是通过操纵键盘实现用户在三维场景中的任意漫游，通过键盘用户可以灵活、准确地对场景进行全方位的观察。键盘漫游的过程就是通过键盘连续不断地改变视点位置或视线方向并渲染场景的过程。利用OpenGL辅助函数库中gluLookAt()函数，通过键盘改变相应的参数来实现场景的漫游效果 　　总体来说在性能方面未来数控系统的性能将越来越高，功能也随之更加丰富、数控系统的体系结构也趋于完善、最终实现智能化、开放式新一代数控系统。 三、数控系统主要国内外厂商简介 　　2023年，中国数控系统市场消费额约为69.3亿元，同比增长15.4%;销量约为23.1万套，同比增长31.3%。在经济型数控系统中，国产经济型数控系统由于适应我国用户的实际使用水平和机床制造企业数控技术配套要求，得到了广阔用户的认同，已形成了规模优势，目前约占到我国整个数控系统市场的60%左右。 　　国产普及型数控系统市场占有率不断提高，但外国品牌依然占领国内市场。在高档数控系统领域，国产数控系统与国外相比，确实还存在比拟大的差距。虽然国产五轴联动数控系统技术上已经取得了一定突破，但功能还不够完善，在实际应用中验证还不全面。国产高档数控系统的差距，还表现在产品的系列化不全，如伺服电机、伺服驱动从小到大各种规格，国外都有，而我们的规格有限；在高速〔快速进给速度40米/分以上〕、高精〔分辨率0.1微米以下〕、多通道数控系统的功能、性能上，国产系统与国外系统有较大差距。目前国内常见的数控系统主厂商包括： 　　1.日本FANUC 　　日本发那科公司(FANUC)是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业，总人数4549人(2023年9月数字)，科研设计人员1500人。 　　〔1〕高可靠性的PowerMate 0系列 用于控制2轴的小型车床，取代步进电动机的伺服系统；可配画面清晰、操作方便、中文显示的CRT/MDI，也可配性能/价格比高的DPL/MDI。 　　〔2〕普及型CNC 0-D系列 0-TD用于车床，0-MD用于铣床及小型加工中心，0-GCD用于圆柱磨床，0-GSD用于平面磨床，0-PD用于冲床。 　　〔3〕全功能型的0-C系列 0-TC用于通用车床、自动车床，0-MC用于铣床、钻床、加工中心，0-GCC用于内、外圆磨床，0-GSC用于平面磨床，0-TTC用于双刀架4轴车床。 　　〔4〕高性能/价格比的0i系列 整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。0i-MB/MA用于加工中心和铣床，4轴4联动；0i-TB/TA用于车床，4轴2联动；0i-mateMA用于铣床，3轴3联动；0i-mateTA用于车床，2轴2联动。 图1FANUC 0i-D系列数控系统   　　〔5〕具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i/21i系列 控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中FSl6i-MB的插补、位置检测和伺服控制以纳米为单位。16i最大可控8轴，6轴联动；18i最大可控6轴，4轴联动；21i最大可控4轴，4轴联动。 　　除此之外，还有实现机床个性化的CNCl6/18/160/180系列。 　　2.西门子 　　西门子是全球电子电气工程领域的领先企业，主要业务集中在工业、能源、医疗、根底设施与城市四大业务领域。140年来，西门子以其创新的技术、卓越的解决方案和产品坚持不懈地与中国开展全面合作，并以不断的创新、出众的品质和令人信赖的可靠性得到广泛认可。在2023财年〔2023年10月1日到2023年9月30日〕，西门子在中国的总营收到达63.9亿欧元〔不包括欧司朗和西门子IT 解决方案和效劳集团〕。今天，西门子在中国拥有约30,000名员工，建立了16个研发中心、65家运营企业和65个地区办事处。 　　SIEMENS 公司的数控装置采用模块化结构设计，经济性好，在一种标准硬件上，配置多种软件，使它具有多种工艺类型，满足各种机床的需要，并成为系列产品。随着微电子技术的开展，越来越多地采用大规模集成电路(LSI)，外表安装器件(SMC)及应用先进加工工艺，所以新的系统结构更为紧凑，性能更强，价格更低。采用SIMATICS系列可编程控制器或集成式可编程控制器，用SYEP编程语言，具有丰富的人机对话功能，具有多种语言的显示。 　　SIEMENS公司CNC装置主要有SINUMERIK3/8/810/820/850/880/805/802/840系列。 图2西门子数控802d,840d 　　3.三菱 　　三菱电机自动化〔中国〕投资总额2023万美元。主要生产配电用机械器具〔含低压断路器，电磁开闭器〕，电加工产品〔包括数控电火花成型机，线切割放电加工机、激光加工机〕，变频调速器，伺服系统机器，数控装置及其零部件，销售自产产品，提供相关售后效劳。 　　工业中常用的三菱数控系统有：M700V系列；M70V系列；M70系列；M60S系列；E68系列；E60系列；C6系列；C64系列；C70系列。其中M700V系列属于高端产品，完全纳米控制系统，高精度高品位加工，支持5轴联动，可加工复杂外表形状的工件。 图3Mitsubishi 数控系统 　　4.海德汉 　　海德汉研制生产光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统。海德汉公司的产品被广泛应用于机床、自动化机器，尤其是半导体和电子制造业等领域。 　　Heidenhain的iTNC 530控制系统是适合铣床、加工中心或需要优化刀具轨迹控制之加工过程的通用性控制系统，属于高端数控系统。该系统的数据处理时间比以前的TNC系列产品快8倍，所配备的“快速以太网〞通讯接口能以100Mbit/s的速率传输程序数据，比以前快了