| “数控机床”的新技术应用与发展 (2)
2.制造业需求--机床结构进步--数控系统性能提高
产业链需求:新产品需要高性能机床,这些机床具有高精度、高效率、多轴法向加工的特点;高性能机床呼唤具有高速、高精度多轴矢量插补性能的高级数控系统;而高性能数控系统的进步促进新机床、新工艺、新刀具的出现。
3.新技术在数控系统中的应用
为了适应现代制造技术,数控系统应符合以下特点:
① 高速,CPU采用64位专用总线结构,数控插补周期在2ms以内,内装式PLC扫描周期可达0.0033
μm/步。
②高精度,采用全数字伺服,纳米级控制精度,运用AI(Advance Interpolation)、HRV、简易指令集(RISC)等高精度轮廓控制功能。
③界面友好、仿真,各系统厂家将CAD/CAM技术嵌入到系统内,通过图形输入,取代了传统的G代码编程。
④网络化,CNC与外设通过以太网连接，I/O与外部继电器等硬件通过Profibus连接。
⑤简洁的硬件结构---广泛采用专用LSI，系统体积减少。
⑥开放式系统市场分额加大，OpenCNC被广泛采用。
（1）采用专用总线结构专用LSI。其特点是：
①为提高插补速度采用高速CUP专用总线结构。
②采用专用LSI适于插补运算和接口控制。
③过去许多用硬件实现的功能由软件来实现，便于调试、在线诊断（如伺服动态波形显示、接口TRACE跟踪诊断等）。
④CNC与伺服放大器的连接采用专用协议串行总线（如西门子、FANUC数字伺服均如此）。
（2）伺服软件与NC软件的结合---实现高精度控制
AI(Advanced Interpolation)提前预测控制可以预读多个加工程序段，实现了切削速度最佳的加/减速控制。
从而有效地减少了工件形状转角处或小半径圆弧的伺服跟踪误差，并有效地提高了加工速度和加工精度。
AI轮廓控制已被SIEMENS和FANUC等系统采用，德国HEIDENHAIN iTNC530系统可以预读1024个程序段。
如发那科具有HRV4伺服系统，其特点是：
①伺服位置指令以纳米为单位采样。
②使用ai脉冲编码器，16 million pulses/rev超高分辨率检测（HRV4功能）。
③采用超高响应速度伺服控制处理电流环和速度环。
④通过HRV filter过滤器，最大幅度地减少外部扰动。
采用平顺的高刚性伺服电动机，高精度电流检测、高响应和高分辨率脉冲编码器等硬件，与伺服“高速响应矢量控制”运算有机的融为一体，实现高精度轮廓控制，同时HRV滤波器还可以避免因频率变动引起的机械共振，真正实现纳米级精度控制。
纳米级插补---前馈控制，用于高速、高精度轮廓加工。通过采用前馈伺服控制方式使单节处理的影响退居幕后，缩短了程序段处理时间，FANUC公司产品还采用了RISC指令（简易指令集）功能，进行微小程序段处理。
HEIDENHAIN公司iT530采用前馈控制处理微小程序段（插补），处理时间不超过1ms。
iT530加工3-D线段无刀具补偿时，其微小程序处理时间为0.5ms.即：用24m/min的进给速率加工时，可以铣削约0.2mm的直线段。
这种微小程序段加工可实现免磨削加工(grinding free),即铣削加工达到磨削加工的精度。
（3）网络化功能的应用
采用以太网连接数控系统与host计算机可以实现：
①双向传输保存在异地的零件程序、刀具表等。
②起动机床。
③备份数据。
④查看诊断机床实时状态。
I/O与外部继电器连接采用Profibus。
传统的I/O输出，是通过内装式PLC经过I/O模块并行输出信号线，这样会造成系统与刀库或交换工作台等设备间的连接信号线繁多，坦克链托架结构复杂，维修不方便等。
采用Profibus后，I/O到外部站点间的连接仅通过双绞线（串行传送）即可。故障率低，便于维修诊断。
（4）数控功能强化
由于数控系统采用的CPU速度不断提高，过去许多专用机床的软件被移植到通用CNC中，例如：齿轮加工、多轴联动工具磨软件、凸轮轴及曲轴的加工的加工软件、法向矢量插补等作为数控系统的选项内容。
另外，冲床软件、等离子切割软件、折弯软件等也可作为数控选项，方便不同用户的选择。
（5）友好的界面、简便易行的编程
引导编程、车间编程、自由轮廓编程等图形对话输入将CAD/CAM嵌入数控系统中，并且有编程提示信息，使数控编程加工更接近通用“工程语言”，用图形符号“说话”。
SIEMENS840D具有shopmill或shopturn编程软件，不但编程简便易行，并且仿真能力强。
HEIDENHAIN iT530具有2D轮廓加工对话编程，铣、钻、镗固定循环，以及通过数控系统安装通用的CycleDesign软件建立自已的固定循环程序。并且可以通过参数设置完成简单的3D轮廓加工。
FANUC系统则采用“manual guide i”辅助编程，操作者可以根据蓝图输入图形尺寸，无需G代码编程。
（6）数控系统发展的另一侧面---OpenCNC
随着计算机硬件成本的降低，软件平台的开放，以及计算机应用的普及，OpenCNC目前在欧美市场发展非常快，1993年美国数据公司生产的产品最具有代表性，其特点是：①价格便宜。②开放性不与任何硬件捆绑，运动控制相关硬件（位置反馈、伺服指令输出、I/O数据转换等)也是市场上可以买到的通用或配套产品。③高可靠性(采用工控机、军用机箱、OA计算机)。④友
好的人机界面,开放的API(应用编程接口),用户可以根据控制对象不同,使用V-Basic开发个性化界面。⑤强大的网络功能。⑥及时的软件升级。
4,数控系统的发展对维修和改造的影响
(1)对维修的影响:
① 由于系统的自诊断能力的加强和结构的大幅度简化,现场的系统故障判断将越来越方便。
②现场的维修要求不仅仅局限于数控系统的故障判断,同时需要对外围电路、机械、液压、气动、光学检测,甚至加工等多种因素的综合判断能力。
③对印刷电路板的维修将越来越困难,直至彻底采用直接更换的方式。
④随着外设的不断扩展和网络化发展,对数控机床与其外部设备的连接及调整会越来越多。
(2)对改造的影响:
① 小型、简易机床的改造需求会逐步降低,机床改造将进一步向大型化、全功能化、复杂化方向发展。
②改造市场将进一步细分。
③对改造承揽单位的要求将不断提高,要求具有系统、机械、液压、光学甚至二次开发的综合能力。
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