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数控机床及技术的现状及未来的发展方向

2010年04月21日 09:49中国机床商务网点击:3192

  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。

  近几年来,在引进消化国外数控技术的基础上,我国已生产出自主版权的数控系统和数控机床,但是中、高档以上的数控系统仍然是以进口产品为主,研究目前数控机床及技术的现状及未来的发展方向,将对开发出中、高档的数控产品,进一步扩大数控机床市场份额起到重要作用。

  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。

  以日本FANUC 16i/18i和160i/180i为例,已形成超小、超薄型控制器,主控板仅为名片一样大小,主处理器采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M/S的高速串行总线。用光缆连结I/O模块,采用分散配置,便于机电一体化。在通讯方面采用PCMCIA存储卡和外部计算机通讯,或采用调制解调器,用电话和人机通讯。

  嵌入式硬件的使用有望使得数控系统硬件更趋标准化、系列化。数控系统的开发成本也会随着降低。

  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。

  世界上一些著名的数控制造商纷纷推出PC-based CNC系统,例如FANUC公司的FANUC 160/180,西门子公司的siemens 840Di,FAGOR公司的FAGOR 8070。由于采用了工业级PC机及桌面操作系统Windows,DOS等,其丰富的软、硬件资源给用户带来诸多的方便。

  应该看到,在数控加工这种强实时环境中,使用商用操作系统Win,DOS等,还尚未得到业界的完全认可。在理论上没有证明比现有传统的CNC更加优越。

  为应对开放式数控未来的发展,我国从2003年开始实施开放式数控国家标准GB/T18759.1。开放式数控(ONC)就其开放程度可分为三个层次。第一层次是具有可配置功能,开放的人机界面的通信接口及协议。第二层次为控制装置在明确固定的拓扑结构之下允许替换,增加NC核心中的特定模块以满足客户的特殊要求。第三层次为拓扑结构的完全可变的全开放的控制装置。这三个层次中第一层次目前基本达到。未来的发展主要围绕第二个层次目标展开,还有很长的路要走。

  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。

  未来实时Linux(RT Linux)有望成为CNC实时操作系统的主流。“Linux除了具有功能强大、高性能、稳定性好以及原代码开放等优势以外,其最大的特点是Linux内核具有非常良好的结构,即可由用户根据特殊的系统需求,对内核进行配置或裁剪,而这一特点恰恰满足了可开放式数控应用的差异性需求。

  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。

  基于上述特点,底层设备互连网络通常采用协议简单、响应迅速、可靠性高的主.从通信方式,使用工控网络中的低档产品,如现场总线。

  西门子公司的profibus首先应用在802D中、低挡数控系统中。对802D而言,24V电源为“心脏”,PCU模块为“大脑”,profibus为“神经”。因为PCU和I/O以及伺服系统的连结均依靠p础bus。PCU为主站,PP1、PP2、611U为从站,并均有节点地址。

  FAGOR公司的SERCOS主要用于CNC和伺服系统的通讯且采用光缆。最高传输速率为4M baud。SERCOS将CNC(8055,8070)和主轴、坐标轴驱动连结起来,每个节点亦有相应地址。从FAGOR 8070开始,CNC和I/O的连结采用CAN总线。

  FANUC I/O Link是CNC连结扩展I/O的现场总线系统的总线,而FFSB则是连接CNC和伺服系统的总线。

  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。

  PLC的基本程序(非用户梯形图)在机床调整时,激活机床操作面板MCP并设置通道和主轴、坐标轴。通道相当FANUC中的Head。4)通过PLC提供的参数和CNC系统参数可以在PLC和零件加工程序之间传递信息,以完成某些特定功能。即PLC已经渗透到零件加工程序的编制中。

  单独的PLC可以完成全部的CNc功能,这已经成为现实。但就目前而言,PLC主要还是在数控系统配置到机床上时起一个“接口”作用,包括MST功能,诊断功能等,这种功能正在不断扩大。

  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。

  CNC的通讯功能还有一个目的是上传数控机床的状态及故障信息,以便上位机监控并进行故障诊断。西门子840D/810D可以通过电话线、ISDN、Internet、GSM或LAN、WAN、Intranet和上位机通讯,进行远程诊断,但需安装远程诊断软件、调制解调器,并有电话线或通过网卡进行。MAZAK公司的MAZATROL 640等亦具有这种功能。

  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。

  CNC和数字式伺服的连接方法有以下几种。

  7.1 备有现场总线的系统

  例如西门子802D,FAGOR 8055、8070等,采用如图1所示的连接。

  对FAGOR 8055,8070而言,现场总线SERCOS连接CNC和主轴、伺服驱动与图1连接相同。

  7.2 FANUC数字伺服连接

  伺服电动机上的编码器将信号直接反馈给CNC系统,既作为位置反馈(半闭环),又作为速度反馈。CNC发出的速度指令送入驱动单元的JV1B和JV2B。OiC系统则采用FSSB光纤进行CNC和伺服通信,这和三菱伺服的连结类似。

  7.3 三菱公司数字伺服的连接

  与上述FANUC系统有所不同是CNC仅向伺服驱动提供位置命令,位置环和速度环均在数字伺服MDS-SVJ2之中完成,并且驱动单元之间亦为串行联结,即所谓“位置环下移”现象。伺服系统具有原数控的部分功能,有利于简化数控系统的结构,提高数控系统运行的可靠性。

  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。

  CAPP(计算机辅助工艺设计)内容渗入到CNC亦是目前的一个发展方向,这样有助于加工效率和产品质量的提高。PC-based CNC的出现为CAPP内容的渗透创造了有利条件。

  由于数控控制软件目前没有公开,因此最终用户在进行二次开发时始终处于一种被动状态,可以设想一下,未来的数控控制软件是机床厂或系统集成商可以自由装配的,就象目前的PLC梯形图开发一样随意。真正的个性化的数控机床将会被每个高水平的集成商或最终用户开发出来。这样的数控集成环境才是最美好的。嵌入式实时操作系统特别是源码公开的Linux嵌入式实时内核的出现为这种前景提供了可能。

  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。

  数控技术的发展离不开整个社会服务体系的完善,包括人材培训,维修服务等方面的配合。2002年10月国家劳动和社会保障部启动机电类高层次技能型人材培训工程,包括数控加工和维修人员。2002年5月中国机电装备维修与改造技术协会授权开展数控维修改造企业资质认证工作,已经有24家企业通过认证。随着制造业在中国的地位日益提高,市场需求不断增长,数控行业将迅速的发展,为中华民族的复兴做出更大的贡献。
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