机床数控技术的发展趋势

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为了在越来越激烈的全球巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，并相继提出了多种全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的适应性和降低生产成本。
数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于PC的全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了C的工作效率。 本文结合近两年来作者所在国家数控系统工程技术研究中心和武汉华中数控股份有限公司参观汉诺威EMO2005和芝加哥IMTS2006的观感，以及我们长期以来对数控技术发展动态的关注，对上述数控技术的发展趋向作一探讨。

一、数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展

基于PC的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力 从两次机床展上可以看到，著名厂商的高档数控系统都以基于PC的开放数控系统为主流。 SINUMERIK 840Di sl是基于PC的数控系统，其软件系统[MMC(人机通信)软件系统、NC(数字控制)软件系统、PLC(可编程逻辑控制)软件系统和通信及驱动接口软件]中的MMC软件系统采用Windows NT或XP操作系统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技术改变人机界面(HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整。 FANUC 16i/18i/21i/30i系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档C系统，其硬件结构采用C内建PC型式，NC卡完成高实时性要求的数控运算和PLC控制功能，PC完成操作界面、编程、数据管理、网络等相对弱实时性要求功能。操作系统采用Windows 2000/XP或Windows CE。备有C语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。C系统与主计算机的连接接口采用高速串行总线(HSSB)。FANUC 300i/310i/320i系列采用Windows CE作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开发。



图1 基于PC的iTNC 530系统


图2 FANUC C单元与伺服单元和I/O的连接


图3 Heidenhain以EnDae2.2协议连接编码器和伺服

HEIDENHAIN公司推出的最新一代TNC控制器iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力，可控制12轴，控制器本身包含主机单元和控制单元两个部分。主机单元采用Intel处理器以及AGP图形显示卡，并带有各类数据通信接口(Ether/RS232/RS422/USB等)，是典型的基于PC的系统，如图1所示。 FAGOR公司最高档数控系统C8070是C技术与PC技术的结晶，是与PC兼容的数控系统，采用Pentium CPU，可运行WINDOWS和 MS-DOS，可控制16轴+3电子手轮+2主轴，可运行VISUAL BASIC，VISUAL C++，程序段处理时间<1ms，PLC可达1024输入点/1024输出点，执行时间1ms/1k指令，具有以太网、CAN、SERCOS通讯接口，可选用±10V模拟量接口。 能在基于PC的体系结构上设计出世界顶级数控系统，说明基于PC结构的开放数控系统具有很强的生命力。 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势 全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数字化接口、驱动单元内部三环(位置环、速度环及电流环)数字化，是数控系统全数字化的重要标志。 编码器到伺服的接口数字化也必将获得发展 编码器到伺服驱动的数字化接口虽然只在Heidenhain的系统中得以实现，但作为全数字化数控系统的必要构成环节，未来将获得更多发展。图3所示为Heidenhain通过EnDae2.2协议连接的编码器和伺服驱动。 驱动单元三环全数字化是全数字化的重要内容 三环(位置环/速度环/电流环)数字化是全数字化的重要内容。HEIDENHAIN iTNC 530控制单元最新的设计中集成了控制系统所有伺服控制回路(位置环/速度环/电流环)，所有伺服计算都在DSP(数字信号处理器)中完成。测量组件的反馈均集成在控制单元上，包含位置反馈和速度反馈。 多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择 针对制造业对整合数控机床(即融合工业机器人、影像处理系统和精密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断和联网等功能)的巿场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴(包括多主轴)多通道控制、轴同步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究点。同步控制可以令不同通道的运动轴按照某种时序关系或某种条件达到同步，混合控制可让一个轴的混合命令在各通道之间进行交换，阀加控制能把一个轴的移动命令叠加到属于另一通道的另一个轴上去。 如Fanuc 30i系统，具有10通道，八根主轴，可控进给轴数达32根，可联动控制进给轴数达24个，能同时运行十个独立的数控加工程序，具有轴同步、混合、叠加控制等功能。基于此系统，FANUC公司推出了四个搬运机器人、一套天车输送线、外加两部六腿切削加工机器人的整合加工系统。整个系统动作协调、有序，衔接顺畅，体现了典型的多通道数控系统的特徵。 二、网络化功能已从单一的数据传输向网络监控、维护与管理方向发展
以太网接口已成为数控系统与外部计算机联网通讯的主要选择，零件程序等数据文件的快速网络传输已成为数控系统的基本功能 著名系统厂的数控系统均具备强大的网络功能，并将以太网接口作为数控系统的基本配置或选择配置，实现与外部计算机的联网通讯。 SIEMENS 840D采用SINDNC软件模块可将SINUMERIK系统快速、简单和经济地添加到标准的以太网网络中，并与Windows PC和UNIX工作站之间建立稳定的连接，还可以使用标准CF卡进行程序与数据的传输。集成的以太网功能保证了数控系统文档与计算机之间的快速传输，其满量程的传输速率是标准串行口的100倍。 FANUC 16i/18i/21i/30i系列C系统与企业主计算机之间的接口协议采用DNC1或DNC2。DNC1是FANUC自行开发的实现C与主计算机之间传送数据信息的一种通讯协议及通讯指令库，一台计算机可连16台C机床。DNC2功能与DNC1基本相同，但通讯协议不同，用的是欧洲常用的LSV2协议，一台计算机可连8台C机床，通讯速率最快为19Kb/秒。此外，FANUC系统还提供了两种以太网口：PCMCIA卡和内埋的以太网板。PCMCIA局域网卡可临时插入显示装置侧的插槽，用于连接PC机，传送数据，调整机床参数或作一些维护，用完后即可拔下；高速以太网板(100 Mbps)是装在C系统内部的，因此可长期与主机连结，用于传输零件程序和检查机床工作状态。 HEIDENHAIN iTNC530所配备的"高速以太网"通讯接口能以100Mbit/s的速率传输程序数据。 Rexroth公司的数控系统在各个层面上采用通用通讯机制：外部计算机级，基于工业PC的开放式体系结构，提供了简单有效的外围计算机通讯方法，如以太网TCP/IP，OPC以及/D的Windows访问机制；HMI级基于Windows XP或Windows CE.等操作系统，使用如Microsoft work等标准网络，轻松实现数据交换；I/O级使用诸如PROFIBUS-DP或Device等世界通用标准，连接传感器等I/O设备；驱动级使用诸如SERCOS等国际标准接口，以获得高的动态特性和精度。



图4 FANUC 16i/18i/21i/30i系列C的网络接口


图5 FANUC C的网络监控、维护与管理

加工过程的网络监控允许对整个工厂进行网络管理，远程网络服务使系统厂和用户双双受益 数控系统有了网络功能后，可方便实现其网络监控、维护与管理。 SIEMENS基于inter的"ePS"(电子产品服务)软件方案，可以通过互联网访问Sinumerik 810D/840D/840Di控制系统，通过其CM(Condition Monitoring——状态监控)系统在线连续监控数控系统的轴状态、PLC状态等，并评估机床状况、分析相关的机床参数，实现远程诊断、维修服务，防止早期故障引起的意外停机，减少检修停工期，增强可靠性，提升机床有效性，提高生产率，降低维护费用。 FANUC系统通过高速以太网板，实现对机床侧运行状态实时的集中监控；通过工厂网络，C可同时连接到机床和办公室，这种连接允许对整个工厂进行管理，以提高生产率；通过互联网，在工厂外或家里，亦可远程监控机床工作状态；使用机床远程诊断软件包，机床制造商能方便地构建远程机床维护系统，不用去现场即可检查故障(问题)产生的原因(状况)，减少停机时间，机床制造商还可提高服务效率。FANUC通过运行于PC上CIMPLICITY i CELL软件包，可实现多台联网C的管理。
三、高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题
高速、高精度已成为高档数控机床的主要特徵 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对高速高精度控制的追求。 在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到2～3g，快速移动速度提高到150～200m/min。在这些高速高精度数控机床中，有一部分是利用直接驱动技术，但随着滚珠丝杠技术的发展，大导程高精度的滚珠丝杠也已大量应用到高速高精度数控机床中，实现了加速度1～1.5g，快速移动速度120～150m/min。为了能够优化金属切削的加工过程，现代化的加工将越来越多地采用高性能切削(High Performance Cutting)。HPC技术不仅要求提高切削速度(即提高主轴转速)，而且要求提高刀具的进给速度。目前生产效率低的问题，不单在于刀具的切削速度低，也不单在于刀具的进给速度低，而在于针对给定的材料和其它条件，如何将刀具切削速度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削(HPC)。除了从软的方面得到高性能切削外，人们还从硬的方面追求高速切削(HSC)，如提高刀具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下的切削功率和旋转扭矩，这些指标对生产过程的经济性也有着举足轻重的影响，它可以使金属切削加工更快、更好、更经济。 在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级(0.01mm)提升到微米级(0.001mm)。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。 数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速高精动态特性控制技术等提出了更高的要求。 数控系统高速、高精度控制的主要措施 各著名数控系统厂商对高速高精性能的追求始终是坚持不懈的，根据自身特点，各自采取了提高高速高精性能的各种措施。 FANUC公司 FANUC公司一直走在数控技术的前沿，并不断提出新的概念来引导数控技术的发展，除纳米插补，纳米C系统等概念外，在高速高精方面又推出了以下较新的技术：
HRV(高响应矢量)4控制技术 HRV4继承并发展了HRV3的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制，并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令；超高速伺服控制处理器；ai高分辨率的脉冲编码器(16 million/rev)；防止机械振颤的HRV滤波器。



图6 HRV4可获取更高的转速和更小的电流





图7 HRV4更小的温升


图8 反向间隙加速功能


图9 MPC功能


图10 不同分辨率下的脉动扭矩

MTC(Machine Tip Control) 为了控制机床在加工点处的振颤，FANUC研究了机床顶部控制(MTC)和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率。采用MTC后可明显减小机床振颤。 反向间隙加速功能 由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。 MPC(Machining Point Control－加工点控制) 采用MPC功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。
SIEMENS公司 西门子公司对高速高精度位置控制的本质有着精辟的理解：通过避免机床振颤来优化工件表面的加工质量；通过增加对加加速度控制能力，提高机床动态响应能力；通过增加加速度提高加工速度等。 HEIDENHAIN公司 号称在欧洲数控系统销售第一的HEIDENHAIN公司，由于多年来从事精密模具加工，对加工速度及精度的提升有着深刻、独到的见解。HEIDENHAIN公司研究了不同分辨率的码盘对扭矩脉动的影响，并提出了使用高分辨率的编码器有利于减小转矩脉动的影响。另外，HEIDENHAIN还对机床运行时间和丝杠温升变形规律进行研究。 综上所述，各数控系统厂商对高速高精度控制的理解基本上是相同的，而且对动态精度的提高非常重视，所采取的主要措施体现在以下方面。
高速下的平滑控制 通过对运动速度、加速度、加加速度的优化，减少机床振颤，使加工更加平稳，获得更高的加工表面质量。如HEIDENHAIN采用高分辨率的反馈器件减小转矩脉动，FANUC 利用MPC技术减少机床振颤。 提高系统的快速响应能力 提高系统的快速响应能力不仅是高速加工的前提，也是保证精度的有利措施。如FANUC采用HRV4，反向间隙加速等方式减少因响应滞后带来的误差。 提高数据分辨率 以纳米级的分辨率参与到各个环节，如：FANUC系统的纳米插补技术。
四、智能化控制是提高数控加工效率的有效手段 由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加工过程能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。 在芝加哥IMTS2006上，加拿大英属哥伦比亚大学Yusuf Altintas教授展示的切削参数优化系统，采用现代测试技术检测机床的各项运行参数和动态参数，并结合CAD/CAM技术，经过优化计算，合理地将刀具参数、机床参数以及被加工材料性能参数结合起来，得到刀具轨迹和运行参数，极大地提高了切削加工的效率和刀具的使用寿命。据介绍北美几大飞机制造企业和汽车企业应用了他的智能切削系统后，平均切削效率提高了8倍，平均刀具寿命提高了20倍。 五、CAD/CAM与C的集成已成为扩展数控系统功能的重要途径 国际主流数控系统厂商在研制最新数控系统的同时，都非常注重对CAD/CAM/C集成技术的开发，并明确的将图形化、集成式的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机交互方式友好性的重要途径。SIEMENS的Shop Turn、Shop Mill车间级集成式编程系统，FANUC公司的集成式编程系统，HEIDENHAIN公司的对话框式集成编程系统等，都已成为各公司历次展会宣传的重点。 六、结束语 高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。