浅谈数控技术及发展趋势

　　1 数控系统的组成

　　是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动装置和测量装置等组成。数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即NC装置;二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。由于计算机技术的不断发展，尤其是微处理器和微型计算机应用于数控装置后，现在NC装置已逐步被CNC装置所取代。

　　数控系统的硬件除了一般计算机具有的CPU、EPROM、RAM接口外，还具有数控位置控制器、手动数据输入(MDA)接口、视频显示(CRT或LCD)接口和PLC接口等。所以CNC装置是一种专用计算机。目前CNC系统大都采用体积小，成本低，功能强的微处理机。系统主要由微机及其相应的I/O设备、外部设备、机床控制及其I/O通道组成。

　　数控系统的软件分为管理软件和控制软件两种。管理软件用来管理零件程序的输入、输出、刀具位置、系统参数、零件程序显示、机床状态及报警，故障诊断等。控制软件由译码、插补运算、刀具补偿、速度控制、位置控制等软件组成。

　　系统程序存于计算机内存储器。所有的数控功能基本上都依靠该程序来实现。硬件是软件活动的物理基础。而软件则是整个系统的灵魂，整个CNC装置的活动均依靠系统软件来指挥。

　　2 数控系统的发展趋势

　　从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：

　　2.1 性能发展方面

　　2.1.1 高精高速高效化速度

　　效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速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、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。

　　2.1.2 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。

　　2.1.3 多轴化

　　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、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

　　2.1.4 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。

　　2.1.5 实时智能化

　　在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如编程专家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。

　　2.2 功能发展方面

　　2.2.1 用户界面图形化

　　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。

　　2.2.2 科学计算可视化

　　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有限公司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。

　　2.2.3 插补和补偿多样化

　　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。

　　2.2.4 高性能的内置PLC

　　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。

　　2.2.5 多媒体技术应用

　　计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控系统，应用多媒体技术对各种信息可进行综合化，智能化处理。

　　2.3 体系结构的发展方面

　　2.3.1 集成化

　　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。

　　2.3.2 模块化

　　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。

　　2.4 智能化、开放式新一代数控系统

　　2.4.1 智能化

　　自动编程、加工过程智能监控、在线检测等。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佳产品的能力;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，快速做出实现最佳目标的智能决策，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佳状态。

　　2.4.2 开放式

　　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、智能化方向发展。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，场景漫游图如图1所示。

　　图1. 加工线场景漫游图

　　3 结束语

　　虚拟场景构造是虚拟加工系统的基础，基于OpenGL和Visual C++的虚拟加工系统框架的设计与研究为创建更加完善逼真的虚拟加工系统打下了一定的基础。本人只是对虚拟加工系统框架上做了初步的研究。由于系统中的机床模型外观与实际机床外观还有一定的出入;虚拟设备还没有和实际机床进行网络通讯;搬运小车导轨等虚拟加工线中的一些必要设备等，同时只是对加工线的动态几何仿真做了比较深入的研究，对设备的加工过程中的物理仿真研究较少。因此该系统还有不足之处，要建立功能完善的虚拟加工系统还需要进一步的研究。