数控技术读书报告3 数控系统的发展 发展趋势_数控技术的发展趋势

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数控技术读书报告

【摘要】

半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，通过电视、现代通信等提高了人类生活的质量，还促使生产力飞速向前发展，开创了人类文明史、生产史的新纪元。信息技术的飞速发展直接导致了知识经济的到来。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。

【关键字】数控系统 发展过程 发展趋势 概述

从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经 非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，是一个国家经济发展和综合国力的体现，而数控系统是数控技术和数控装备的核心。近年来，国内外数控系统在柔性、精确性、可靠和集成性等方面取得了飞速的发展，许多理论与技术问题得到了较好的解决。我国的数控产业经过了10余年的攻关，在许多关键技术和核心技术上，已达到国外先进水平，拥有了具有我国版权的数控系统。数控系统的技术发展近年来十分迅猛，国外各大数控系统公司如F A N U C、S I E M E N S、A-B、MITSUBISHI、YASKAWA 等纷纷进入我国市场，竞争异常激烈，我国的数控产业所面临的形势非常严峻。市场的竞争归根到底是技术的竞争，研究现代数控技术的发展方向，建立与发展符合我国国情的技术体系和数控产品，才能进一步扩大数控机床的市场份额，使我国的数控技术和数控产业在整个国际大市场中拥有一定的地位

数控系统

数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。

数控系统的发展

数控(NC)阶段

早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC)，简称为数控(NC)。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代——小规模集成电路。

计算机数控(CNC)阶段

到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。其运算速度比50～60年代有了大幅度的提高，比专门“搭”成的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控。1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床，称之为群控)，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。1990年，PC机的性能已发展到很高的阶段，从8位、16位发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于PC的阶段。

数控系统近50年来经历了两个阶段六代的发展。只是发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便(主要是编程困难)等极为关键的问题。因此，即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及，也是在70年代末80年代初以后的事。即数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用的。

数控（计算机数控）阶段也经历了三代。即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——基于PC

我国数控系统技术的发展

我国从1958年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步，进行数控系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制约，未能取得较大的进展。在改革开放以后，我国数控技术才逐步取得实质性的进展。经过“六五”(1981～1985年)的引进国外技术，“七五”(1986～1990年)的消化吸收和“八五”(1991～1995年)国家组织的科技攻关和正在进行的“九五”(1996～2000年)国家组织的产业化攻关，才使得我国数控系统技术有了质的飞跃。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。现在我国的数控系统已经实现了从进口到出口的转折。

数控系统的发展趋势

数控系统将来发展的主要目标为，进一步减低价格，增加可靠性，拓宽功能，提高操作舒适性，提高集成性，提高系统的柔性和开放性，减小体积，提高数控机床的生产能力。

1、数控标准的引入

随着NC成为机械自动化加工的重要设备，在管理和操作之间，都需要有统一的术语、技术要求、符号和图形，即有统一的标准，以便进行世界性的技术交流和贸易。NC技术的发展，形成了多个国际通用的标准：即ISO国际标准化组织标准、IEC国际电工委员会标准和EIA美国电子工业协会标准等。最早制订的标准有NC机床的坐标轴和运动方向、NC机床的编码字符、NC机床的程序段格式、准备功能和辅助功能、数控纸带的尺寸、数控的名词术语等。这些标准的建立，对NC技术的发展起到了规范和推动作用。最近，ISO基于用户的需要和对下一个5年间信息技术的预测，又在酝酿推出新标准“CNC控制器的数据结构”。它把AMT(先进制造技术)的内容集中在两个主要的级别和它们之间的连接上：第一级CAM，为车间和它的生产机械：第二级是上一级，为数据生成系统，由CAD、CAP、CAE和NC编程系统及相关的数据库组成。

2、伺服技术的发展

伺服装置是数控系统的重要组成部分。20世纪50年代初，世界第一台NC机床的进给驱动采用液压驱动。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力(约为20:1)，惯性小、反应快，因此当时很多NC系统的进给伺服为液压系统。70年代初期，由于石油危机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，美国GETTYS公司开发出直流大惯量伺服电动机，静力矩和起动力矩大，性能良好，FANUC公司很快于1974年引进并在NC机床上得到了应用。从此，开环的系统逐渐被闭环的系统取代，液压伺服系统逐渐被电气伺服系统取代。

电伺服技术的初期阶段为模拟控制，这种控制方法噪声大、漂移大。随着微处理器的采用，引入了数字控制。它有以下优点：①无温漂，稳定性好。②基于数值计算，精度高。③通过参数对系统设定，调整减少。④容易做成ASIC电路。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者称为软件控制取代硬件控制。20世纪90年代，许多公司又研制了直线电动机，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。

3、自动编程的采用

编程的方法有手工编程和自动编程两种。据统计分析，采用手工编程，一个零件的编程时间与机床加工之比，平均约为30:1。为了提高效率，必须采用计算机或程编机代替手工编程。自动编程需要有自动化编程语言，其中麻省理工学院研制的APT语言是最典型的一种数控语言，它大大地提高了编程效率。从70年代开始出现的图象数控编程技术有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等，从而推动了CAD和CAM向一体化方向发展。

4、DNC概念的引入及发展

DNC概念从“直接数控”到“分布式数控”的变化，其内涵也发生了变化。“分布式数控”表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样，机械加工从单机自动化的模式扩展到柔性生产线及计算机集成制造系统。从通信功能而言，可以在CNC系统中增加DNC接口，形成制造通信网络。网络的最大特点是资源共享，通过DNC功能形成网络可以实现：①对零件程序的上传或下传。②读、写CNC的数据。③PLC数据的传送。④存贮器操作控制。⑤系统状态采集和远程控制等。

5、可编程控制器的采用

在20世纪70年代以前，NC控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行。60年代出现了半导体逻辑元件，1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程序控制器PLC。PLC很快就显示出优越性：设计的图形与继电器电路相似，形象直观，可以方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存贮和传送：PLC没有继电器电路那种接触不良，触点熔焊、磨损、线圈烧断等缺点。因此很快在NC机床上得到应用。目前，在NC机床上指令执行时间可达到0.085µs/步，最大步数为32000步。而且，使用PLC还可以大大减少系统的占用空间，提高系统的快速性和可靠性。

6、传感器技术的发展

一台NC系统与机械连结在一起时，它能控制的几何精度除受机械因素的影响外，闭环系统还主要取决于所采用的传感器，特别是位置和速度传感器，如可测量直线位移和旋转角度的直线感应同步器和圆感应同步器、直线和圆光栅、磁尺、利用磁阻的传感器等。这些传感器由光学、精密机械、电子部件组成，一般分辨率为0.01～0.001mm，测量精度为±0.02～0.002mm/m，机床工作台速度为20m/min以下。随着机床精度的不断提高，对传感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于是出现了具有“细分”电路的高分辨率传感器，比如FANUC公司研制的编码器通过细分可做到分辨率为10-7r。利用它构成的高精度数控系统为超精控制及加工创造了条件。

7、微处理器的应用

新一代数控系统广泛采用多微处理机系统。大量采用大规模集成电路和三维高密度焊接的印制电路板，是系统小型化、经济、可靠。中、高档数控系统趋向于采用记忆PC机的硬件构成形式，通过这种形式使应用PC软件、PC工具和PC硬件成为可能。这样做的优点在于，硬件方面，由于PC机市场大，导致PC组件价格低廉，从而使基于PC机的数控系统价格降低；软件方面，PC软件功能强，且容易接受和推广，数控系统中集成数据库，可以实现方便的工艺、校正、诊断和刀具等数据的存储。

8、开放型技术的产生

新一代数控系统应是开放式数控系统。开放式数控系统要求引用标准组件，应用开放的模块化结构来构成系统的硬、软件，是系统便于组合、扩展和升级，并且应使系统的硬件和软件相互分离，是系统能提供柔性的、以适应地控制功能。开放式数控系统具有外部开放性和内部开放性。外部开放性反映在外部接口具有统一性和标准性，如一致的数控编程器、统一的通信接口、统一的伺服控制接口和通用的操作控制接口。内部开放性是内部数控核心控制功能软件和附加的可选功能软件在系统中易于集成，并易为用户所掌握。

五、总结

目前，我国的机床工业正从生产大国逐渐变为机床强国，主要体现在数控机床产品的技术水平和质量不断发展及提高。其中，特别是数控系统和数控机床的可靠性不断提高。由于对产品结构进行了调整，新的数控产品不断涌现，如多坐标联动、高速、高精等数控机床的研制成功。北京发那科机电有限公司作为一家中国国内的数控系统制造和销售企业，有必要为我国机床工业的发展提供更加可靠、功能更多的数控产品以满足我国机床工业的需要。

参考文献：

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