数字控制_科中资源网

数字控制是一种藉助数字、字元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。

通常使用专门的计算机，操作指令以数字形式表示，机器设备按照预定的程式进行工作。简称数控。

基本介绍

中文名：数字控制
外文名：Numerical Control
简称：数控
模式：电流模式控制和电压模式控制
套用：检测机器数据

概述

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

数控工具机(Numerical Control Machine Tools)就是採用了数控技术的工具机。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing)第五技术委员会对数控工具机作了如下定义:“数控工具机是一个装有程式控制系统的工具机,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式。”换言之,数控工具机是一种採用计算机,利用数字进行控制的高效、能自动化加工的工具机,它能够按照国际或国家,甚至生产厂家所製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、文字元号表示出来,经过程式控制系统,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式就可以实现新的控制。所以数控工具机是一种灵活性很强、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,也是柔性製造系统里必不可少的加工单元。

数控技术和数控工具机是实现柔性製造(Flexible Manufacturing,FM)和计算机集成製造(Computer Integrated Manufacturing,CIM)的最重要基础技术之一。数控工具机及其数控设备是製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套用,在製造业中,数控技术和数控工具机也早已从研製走向实用,并不断更新换代,向高速度、多功能、智慧型化、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。数控技术的套用,数控工具机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誌。

数控加工原理

金属切削工具机加工零件,是操作者根据图纸要求、手动控制工具机作业系统,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式———数位化的代码来表示(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式的要求控制工具机伺服驱动系统,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,只需更换程式。

在数控加工中,使数控工具机动作的是数控装置给数控工具机传递运动命令的脉冲群,每一个脉冲对应于工具机的单位位移量。在进行曲线加工时,可以用一给定的数字函式来模拟线段ΔL。即知道了一个曲线的种类、起点、终点以及速度后,根据给定的数字函式,如线性函式、圆函式或高次曲线函式,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:

数控装置,即能接受零件图样加工要求的信息,并按照一定的数字模型进行插补运算,实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切削用量的数字控制计算机;
具有快速回响,并具有足够功率的驱动装置;
为实现数控加工,还必须有能满足上述加工方式要求的工具机主机、刀具、辅助设备以及各种加工所需的辅助功能。

综上所述,只要具备了工具机主机、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工具机,完成各种零件的数控加工了。

数控工具机的组成

数控工具机一般由主机、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。

主机（工具机本体）

数控工具机的主机包括床身、立柱、主轴等,是用于完成各种切削加工的机械部分。虽然也有普通工具机都具有的床身、立柱、主轴、工作檯等关键部件,但在设计上已有重大变化:大多数NC工具机採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。塑胶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,并採用了高传动效率的精密滚珠丝槓副、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。

计算机数控装备

计算机数控(Computer Numerical Control,CNC)装置是数控工具机的核心部分,也是区别于普通工具机最重要的特徵之一。它完成加工程式的输入、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。

在柔性製造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)或计算机集成製造系统(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製造设备资源。为此,各CNC装置要和其他设备通过网路联网,以保证高速、可靠地传递数控加工程式,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,承担网路通信任务。

为使数控系统製造厂、工具机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,以完成当前製造环境中使用的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———工具机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、模组性、可维护性和可扩展性等特点。

伺服驱动系统

伺服驱动系统是NC工具机的必备部件,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工具机的主轴和进给运动。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工具机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回响性能,能準确而迅速地跟蹤数控装置的数字指令信号。

信息载体

信息载体又称控制介质。数控工具机要进行切削加工,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準穿孔带、磁带和磁碟。

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、磁带录音机和磁碟驱动器等。目前,中高档数控工具机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,以实现编製程序、输入程式、输入数据以及显示、存储和列印等功能。

数控工具机特点

数控工具机是一种高效能的自动加工工具机,与普通工具机相比,数控工具机具有如下优点:

能加工一般工具机难以加工或不能加工的複杂型面,如複杂型面模具、整体涡轮、发动机叶片等複杂零件。
採用数控工具机加工可以获得更高的精度和稳定的质量。数控工具机是按照预定的程式自动加工,没有人为干扰因素,而且加工精度还可以利用软体来进行校正及补偿。因此可以获得比工具机本身精度更高的加工精度和重複精度。
数控工具机具有高生产率。与普通工具机相比,可以提高生产率2～3倍,尤其对某些複杂零件的加工,生产率可提高十几倍甚至几十倍。
具有广泛的适应性和较大的灵活性,可以适应不同的品种尺寸规格零件,一般借用通用工夹具,只需更换程式,即可适应不同工件加工。几乎不需要专用的工装卡具,因而大大缩短了生产周期。
一机多用。数控工具机,特别是可自动换刀的加工中心,在一次装夹后,几乎能完成零件的全部加工部位的加工。可替代5～7台普通工具机,节省了劳动力以及工序间运输、测量和装卡等辅助时间,同时也节省了厂房面积。
在制品少,从而加速了流动资金的周转,提高了经济效益。
可以改善生产环境,大大减轻操作者的劳动强度。
可以实现较精确的成本核算和生产进度安排,是实现柔性自动加工的主要设备,也是发展柔性生产线(FMS)和计算机集成製造(CIMS)的基础。

数控工具机分类

按控制系统分类

1、点位控制数控工具机

一些孔加工数控工具机,如坐标钻床、坐标磨床、数控沖床等,控制上只要求获得準确的孔系坐标位置,而从一个孔到另一个孔是按什幺轨迹移动则没有要求,此时可以採用点位控制数控系统。这种系统,为了保证定位的準确性,根据其运动速度和定位精度要求,可採用多级减速处理。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工具机,如数控车床、数控镗铣床、加工中心等,不仅要求準的定位功能,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

现代数控工具机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。这类工具机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,还有丝槓螺距误差补偿、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,只要通过控制台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製程序。两坐标以上的连续控制即可加工出各种複杂的三维曲面零件。

按加工方式分类

金属切削类数控工具机,如数控车床、加工中心、数控钻床、数控铣床、数控镗床、数控磨床等。
金属形成类数控工具机,如数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。
特种加工数控工具机,如数控线切割工具机,数控电火花加工工具机、数控雷射加工工具机等。
其他类型工具机,如火焰切割数控工具机、震动切割数控工具机、数控三坐标测量机等。

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。

数字控制的发展

近年来,计算机在全球範围内的各行各业中得到了广泛的套用和发展。同时,随着计算机技术的不断发展,尤其是网路技术的迅猛发展,全球的信息产业已进入一个空前发展的新时期。以网际网路(internet)为代表的信息高速公路在世界範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。

数控系统PC化

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机的作业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系列的作业系统为PC用户提供了更多的选择。计算机网路技术,特别是Internet技术的诞生和推广使用,进一步推进了PC机在社会生活中的套用。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的软体。

数控系统,作为工业控制器中的一种典型产品,同样也有採用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中丰富的软硬体资源。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,可将原由硬体完成的NC功能由软体来实现,而且藉助于PC技术可方便地实现图形界面、网路通信,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套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硬体。

使用PC为基础的CNC具有以下优点:

成本低。PC是性能不断提高,而价格不断下降的工业产品。以PC作为基础的CNC将直接从中获益。
标準化。在十几年的发展过程中,PC机的硬体平台已经形成了标準。PC的硬体平台的标準化和互易性都有利于数控系统的维修。而且为以PC为基础的数控系统的标準化、模组化和开放奠定硬体基础。
可靠性高。PC的生产批量大,而且其各个部件都已经形成比较完善的标準。这有利于批量生产和质量控制。工业PC可以使数控系统在高可靠性和低成本间找到折衷的平衡点。
软体资源丰富。PC的丰富的软体资源和开发工具为数控软体的开发提供了方便,缩短了研製周期,降低了开发成本,同时也为CAD/CAM/CNC集成创造了良好的环境。
便于联网。基于PC平台的网路设备和网路浏览器可以方便地接入Internet,为实现全球製造、虚拟製造、共享製造资源奠定了硬体基础。

儘管以PC为基础的数控系统已呈现出越来越多的优越性,但PC机在软硬体上都存在不能完全适应工具机控制的问题,其中最突出的问题就是现有PC机的硬体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:音效卡、网卡和附加硬碟设备IDE(Integrated Device Electronics,集成电子器件)等。其次,使用现有的作业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:

NC板插入PC中。这种数控系统是将数控的核心功能插卡化,并将其插入PC中。PC将实现用户接口、档案管理以及通信等功能,NC插卡将全面负责工具机的运动控制和开关量控制。
PC板嵌入CNC中。许多製造商不愿放弃传统的成熟的CNC技术,而他们又需要PC的柔性和开放,于是就採取了一种折衷的方案:提供PC前端接口或直接将PC母板嵌入CNC中,使其CNC装置一样具有PC的柔性。这种方式为很多大公司所採用。应该看到,这种CNC是一种折衷方案,是在数控技术上已取得一定优势的公司出于商业利益的考虑,不愿意放弃其成熟技术的表现。但随着计算机技术的发展,硬体的标準化和成本的降低,这种方式很可能只是过渡形式。
软体CNC。软体CNC可以理解为用PC的概念和手段实现CNC的功能。这种CNC装置的主体是PC机,充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断最佳化的作业系统,实现工具机控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。目前这一方案中还有许多问题有待解决,所以主要还停留在实验室研究阶段。但可以预见,随着计算机技术的发展,这种形态的工具机控制器将具有不可匹敌的价格优势和可扩展性,有广阔的前途。

数控系统智慧型化

智慧型製造的通俗理解就是套用人工智慧技术控制製造过程,包括製造过程的建模、监控、决策等。数控系统是智慧型製造的重要物质基础,数控系统的智慧型化是控制器研究者的理想。计算机软硬体技术的发展和人工智慧技术的发展,使工具机控制器具备了套用人工智慧技术的条件。

数控系统的智慧型化主要体现在以下几个方面:

数控程式编制的智慧型化。高档数控系统大多可以通过会话自动编程系统来自动选择刀具,生成工艺路线,计算切削深度和切削速度,实现切削仿真,大大提高了线上编程和对複杂型面编程的效率。
加工过程智慧型化监控。数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行测试数字控制技术量、建模,提取特徵来感知系统的运行状态,快速作出实现最佳目标的决策,对进给速度和主轴转速进行实时的调整,使整个加工过程处于合理状态。套用比较多的智慧型化监控是刀具的磨损和破损监控,工具机适应控制也属于加工过程智慧型化监控的重要套用。
故障诊断智慧型化。高档数控系统大多内置实时诊断系统。当工具机出现故障时,该系统可以进行诊断并指导故障的排除。传统的研究方法以专家系统为主,但专家系统用于故障诊断存在知识获取困难、组合爆炸和匹配冲突等难以克服的问题。近一段时间以来,模糊数学和神经网路等人工智慧技术在故障诊断方面的套用取得了良好效果。

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

数控系统开放化

当今工具机正朝着灵活、多功能、网路化的方向发展,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,来自用户和工具机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”已成为以数控工具机为代表的製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範。开放化的趋势在全球製造业中,已成为潮流。美国政府为了增强其製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,由国防部委託Martin Marietta Astronautics(马丁-马瑞塔航天研究所)研究的NGC计画,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为基础的开放式模组化控制器,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画OSACA(Open System Architecture for Control Swithin Automation System),其研究目标是研製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家工具机厂、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)的製作”。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(能将以计算机网路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,进行实验验证和标準化的活动。

开放化的趋势在全球製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组化、可以方便联网集成的、可以方便进行二次开发的、拥有大量第三方套用软体支持的、价格更便宜的、全新概念的数控系统。