数字控制是一种借助数字、字符或者其他符号对某一工作过程进行编程控制的自动化方法。

数字控制(Numerical Control,NC)是近代发展起来的一种自动控制技术,国家标准(GB8129—87)定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”,简称数控(NC)。

数控机床(Numerical Control Machine Tools)就是采用了数控技术的机床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing)第五技术委员会对数控机床作了如下定义:“数控机床是一个装有程序控制系统的机床,该系统能够逻辑地处理具有使用代码,或其他符号编码指令规定的程序。”换言之,数控机床是一种采用计算机,利用数字进行控制的高效、能自动化加工的机床,它能够按照国际或国家,甚至生产厂家所制造的数字和文字编码方式,把各种机械位移量、工艺参数(如主轴转速、切削速度)、辅助功能(如刀具变换、切削液自动供停等),用数字、文字符号表示出来,经过程序控制系统,即数控系统的逻辑处理与计算,发出各种控制指令,实现要求的机械动作,自动完成加工任务。在被加工零件或加工作业变换时,它只需改变控制的指令程序就可以实现新的控制。所以数控机床是一种灵活性很强、技术密集度及自动程度很高的机电一体化加工设备,适用于中小批量生产,也是柔性制造系统里必不可少的加工单元。

数控技术和数控机床是实现柔性制造(Flexible Manufacturing,FM)和计算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)的最重要基础技术之一。数控机床及其数控设备是制造系统最基本的加工单元。随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用,在制造业中,数控技术和数控机床也早已从研制走向实用,并不断更新换代,向高速度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。当前柔性自动化(单机和生产系统)是世界机械电子工业发展的趋势。数控技术的应用,数控机床的生产量已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。

金属切削机床加工零件,是操作者根据图纸要求、手动控制机床操作系统,不断改变刀具与工件相对运动参数(位置、速度等),使刀具从工件上切除多余材料,最终获得符合技术要求的尺寸、形状、位置要求和表面质量的零件。

数控加工的基本工作原理则是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、工件夹紧、进给、启停、刀具选择、冷却液供给等)步骤以及工件的形状尺寸用程序———数字化的代码来表示(称为数字信息),再由计算机数控装置对这些输入的信息进行处理和运算。把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量,即最小位移量,然后由数控系统按照零件程序的要求控制机床伺服驱动系统,使坐标移动若干个最小位移量,从而实现刀具与工件的相对运动,以完成零件的加工。当被加工工件改变时,除了重新装夹工件和更换刀具之外,只需更换程序。

在数控加工中,使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群,每一个脉冲对应于机床的单位位移量。在进行曲线加工时,可以用一给定的数字函数来模拟线段ΔL。即知道了一个曲线的种类、起点、终点以及速度后,根据给定的数字函数,如线性函数、圆函数或高次曲线函数,在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间,进行数据点的密化,确定一些中间点,这种方法称之为插补。处理这些插补的算法,称之为插补运算。

由此可见,要实现数控加工,则必须有一台能达到下述要求的数控设备:

综上所述,只要具备了机床主机、数控装置、驱动装置以及相应的配套设备,就可以组成一台数控机床,完成各种零件的数控加工了。

数控机床一般由主机、数控装置、伺服驱动系统、辅助装置、程编机以及其他一些附属设备组成。

数控机床的主机包括床身、立柱、主轴等,是用于完成各种切削加工的机械部分。虽然也有普通机床都具有的床身、立柱、主轴、工作台等关键部件,但在设计上已有重大变化:大多数NC机床采用了高性能的主轴及伺服系统。多级齿轮传动被一、二级齿轮传·2·数字控制技术动或“无间隙”的齿轮传动所代替,有些结构甚至取消了齿轮传动,传动链中间环节减少,机械结构得到简化。塑料导轨或滚动导轨替代了一般的滑动导轨,立柱、床身筋板的合理布局、铸件含砂造型、动平衡或其他一些自适应补偿措施等,都大大增强了机械结构的动态刚度、抗振性能,热变形较小,并采用了高传动效率的精密滚珠丝杠副、直线导轨等,从设计上增大功率,提高主轴转速及进给速率,实现自动换刀等,不断提高效率。

计算机数控(Computer Numerical Control,CNC)装置是数控机床的核心部分,也是区别于普通机床最重要的特征之一。它完成加工程序的输入、编辑及修改,实现信息存储、数据交换、代码转换、插补运算以及各种控制功能。

在柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)或计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,CIMS)中,生产具有较高的灵活性,并要求能够充分利用制造设备资源。为此,各CNC装置要和其他设备通过网络联网,以保证高速、可靠地传递数控加工程序,实时反馈加工状态,以保证交换信息,共享资源。因此目前大多数CNC装置中都设有通信设备,承担网络通信任务。

为使数控系统制造厂、机床厂以及最终用户缩短开发周期,降低开发费用,便于系统的集成和二次开发,以完成当前制造环境中使用的CNC系统设计及系统集成等问题,基于开放式体系结构的“下一代”工作站———机床控制器体系结构已成为当前各国数控系统发展的趋势“,下一代”CNC系统将更具有经济性、开放性、模块性、可维护性和可扩展性等特点。

伺服驱动系统是NC机床的必备部件,包括驱动主轴运动的控制单元及主轴电机、驱动进给运动的控制单元及进给电机。它接收数控装置发出的进给指令,通过伺服驱动系统来实现NC机床的主轴和进给运动。当几个进给轴实现了联动时,就可以完成点位、直线、平面曲线及空间曲线的加工。

伺服驱动系统性能的好坏直接影响NC机床的加工精度和生产率,因此要求伺服驱动系统有良好的快速响应性能,能准确而迅速地跟踪数控装置的数字指令信号。

信息载体又称控制介质。数控机床要进行切削加工,必须要有各种加工信息,信息载体上则存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对于工件的位移信息。常用的信息载体有八单位标准穿孔带、磁带和磁盘。

信息载体上记载的加工信息由按一定规则排列的文字、数字和代码所组成。目前国际上通常使用EIA (Electronic Industries Association)代码以及ISO(International Organization for Standardization)代码,这些代码经输入装置送给数控装置。常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。目前,中高档数控机床还具有人机对话编程键盘和阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT),高级的输入设备还包括自动程编机乃至CAD /CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing)系统,以实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、存储和打印等功能。

数控机床是一种高效能的自动加工机床,与普通机床相比,数控机床具有如下优点:

1、点位控制数控机床

一些孔加工数控机床,如坐标钻床、坐标磨床、数控冲床等,控制上只要求获得准确的孔系坐标位置,而从一个孔到另一个孔是按什么轨迹移动则没有要求,此时可以采用点位控制数控系统。这种系统,为了保证定位的准确性,根据其运动速度和定位精度要求,可采用多级减速处理。点位数控系统结构较简单,价格也低廉。

2、直线控制数控系统对一些数控机床,如数控车床、数控镗铣床、加工中心等,不仅要求准的定位功能,而且数字控制技术且要求从一点到另一点之间直线移动,并能控制位移速度,以适应不同刀具及材料的加工。为了在更换刀具后刀具尺寸略有改变时不再重新编程,这种系统一般具有刀具半径补偿、长度补偿功能和主轴转速控制功能。这类系统一般可控轴数为2～3轴,但同时控制轴只有一个。

3、轮廓控制数控系统

现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上的联动功能,即可以加工曲线或曲面的零件。这类机床有可加工曲面的数控车床、数控铣床、加工中心等。这类系统不仅具有半径补偿、刀具长度补偿,还有丝杠螺距误差补偿、传动反向间隙补偿、主轴转速控制及定位控制功能、自动换刀功能等。图1-3所示为两坐标轮廓控制系统加工零件的实例。图中粗实线为工件轮廓,点画线为刀具中心轨迹。由图可知,由于刀具半径不同,刀具中心轨迹是变化的,有了刀具半径补偿功能,在加工过程中当刀具磨损需要变换时,只要通过控制面板置入新刀具的实际半径值,控制计算机便会重新计算出所需的刀具中心轨迹,不会因更换刀具造成加工误差或需重新编制程序。两坐标以上的连续控制即可加工出各种复杂的三维曲面零件。

除此之外，数控系统还可按照伺服系统的控制方式分类、按数控系统类型分类、按功能水平分类。

近年来,计算机在全球范围内的各行各业中得到了广泛的应用和发展。同时,随着计算机技术的不断发展,尤其是网络技术的迅猛发展,全球的信息产业已进入一个空前发展的新时期。以互联网(internet)为代表的信息高速公路在世界范围内不断膨胀和延伸。计算机技术、信息技术与传统控制技术相结合,为数控技术的发展和进步提供了新的条件。现代数控技术的发展体现在以下几个方面。

1981年,IBM公司推出了第一台使用Intel公司8086为中央处理器的个人计算机,微软公司推出了MS—DOS,一场PC机革命的序幕就此拉开。在随后的十几年里,80×86系列的CPU发展到64位,主频500MHz以上的PⅢ;微软公司PC机的操作系统发展到全面支持64位运算、多任务、图形用户接口WindowsNT5.0(Windows2000)。此外,AMD和Cyrics公司的系列CPU和Linux系列的操作系统为PC用户提供了更多的选择。计算机网络技术,特别是Internet技术的诞生和推广使用,进一步推进了PC机在社会生活中的应用。而PC机的价格却从最初的几千美元降低到几百美元。全世界数千万人在使用PC机,学习和使用基于PC的软件。

数控系统,作为工业控制器中的一种典型产品,同样也有采用PC作为主控制器的趋势。

发展基于PC平台CNC推动力量主要来自PC中丰富的软硬件资源。由于PC已是世界上产量最大的计算机产品,其技术发展和支持可以得到很大的保证,并在PC的快速更新换代和价格持续下降中获益匪浅。利用当前PC的高速数据处理能力,可将原由硬件完成的NC功能由软件来实现,而且借助于PC技术可方便地实现图形界面、网络通信,紧跟计算机技术发展而升级换代,并具有良好的开放性,十分有利于二次开发和功能扩展。经过加固的工业级PC,已经在工业控制各个领域中得到普遍应用并已逐步成为主流,其技术上的成熟程度使其可靠性大大超过以往的专用CNC硬件。

使用PC为基础的CNC具有以下优点:

尽管以PC为基础的数控系统已呈现出越来越多的优越性,但PC机在软硬件上都存在不能完全适应机床控制的问题,其中最突出的问题就是现有PC机的硬件结构上为用户提供的中断比较少,而且一些附加设备还将挤占这些中断资源,例如:声卡、网卡和附加硬盘设备IDE(Integrated Device Electronics,集成电子器件)等。其次,使用现有的操作系统实现实时控制机制也有许多问题有待进一步研究。

PC化的数控系统可以分为三类:

智能制造的通俗理解就是应用人工智能技术控制制造过程,包括制造过程的建模、监控、决策等。数控系统是智能制造的重要物质基础,数控系统的智能化是控制器研究者的理想。计算机软硬件技术的发展和人工智能技术的发展,使机床控制器具备了应用人工智能技术的条件。

数控系统的智能化主要体现在以下几个方面:

值得注意的是,单一智能技术往往不能全面地解决机床控制中的复杂问题。在这种情况下,多种人工智能技术的综合应用可以取得更好的效果。目前,由于大多数的人工智能算法还不能满足实时控制的要求,如何提高智能算法的速度是影响智能算法应用的重要问题。另一方面,大多数控制器尚不能开放,即未提供集成智能技术的接口,这也影响了智能技术在数控系统中的应用。随着数控系统功能的拓展和人工智能技术的发展,各种人工智能方法在机床控制器中的应用将为控制器的发展带来更美好的前景。

当今机床正朝着灵活、多功能、网络化的方向发展,控制器也必须跟上这一发展步伐。这就要求控制器能够重新配置、修改、扩充和改装,甚至有时要求控制器能重新生成。完成这一任务的有效途径就是“开放”。

数控系统“开放”化的要求来自生产方式的发展,来自用户和机床厂对附加技术的要求,也来自于控制器厂追求高质量、低成本和提高产品竞争力的需要。可以说“,开放”已成为以数控机床为代表的制造装备不可扭转的发展趋势。

欧洲、美国、日本目前都在进行自动化领域的开放式体系结构的研究,纷纷出台各自的开放式体系结构规范。开放化的趋势在全球制造业中,已成为潮流。美国政府为了增强其制造业的持久发展能力和在国际市场上的竞争力,在20世纪90年代初又开展的下一代数控系统NGC的研究,在1989年—1994年中,由国防部委托Martin Marietta Astronautics(马丁-马瑞塔航天研究所)研究的NGC计划,作为具有开放性结构的提案,受到了广泛的关注。目前,美国三大汽车工业巨头:GM,Ford,Chysler正在与控制器厂商合作,开发以PC为基础的开放式模块化控制器,命名为OMAC(Open Modular Architecture Control)。1991年10月,在ESPRITⅢ中开始了一项整个欧洲的控制系统计划OSACA(Open System Architecture for Control Swithin Automation System),其研究目标是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构。参加单位来自欧洲各国11家机床厂、控制器厂商和高等院校。此项目工期从1992年5月到1996年5月,投入89人·年,总投资1140万欧洲货币单位。日本于1994年12月成立了通产省的外围组织IROFA(国际机器人及工厂自动化技术中心)下属的NC开放化政策委员会。NC开放化政策委员会共有11家企业参加,主要课题是“开放型NC装置的定义”及“参考模型(含接口等)的制作”。1994年,在日本还成立了OSE研究会,发起者为:东芝机械、丰田工机、第1章概论·13·山崎、日本IBM、三菱电机和SML。OSE的研究目的是制定(能将以计算机网络为中心的信息处理技术和以通用处理器驱使的具有高附加值的机能装入控制器内的)开放式控制器的体系结构和安装规约,进行实验验证和标准化的活动。

开放化的趋势在全球制造业中已成为不可逆转的潮流。这种国际趋势的结果将是产生高度模块化、可以方便联网集成的、可以方便进行二次开发的、拥有大量第三方应用软件支持的、价格更便宜的、全新概念的数控系统。