現代數控技術的研究與開發

摘要:當前，隨著計算機技術的高速發展，我們對現代制造技術進行研究開發，并提出了全新的制造模式。在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，本文主要從機床改造，物理仿真系統，數控機床伺服驅動技術等幾個方面來分析數控技術的研究和開發。

關鍵詞:數控技術 機床 仿真

數控技術是利用數字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。用數控技術實施加工控制的機床，或者說裝備了數控系統的機床稱為數控(NC)機床。數控系統包括:數控裝置、可編程控制器、主軸驅動器及進給裝置等部分。

目前，由于無人化、規模化生產對加工設備提出了高速度、高精度、高效率的要求，數控技術正在發生根本性變革，其中包括好幾個方面，比如，機床的改造，物理仿真系統，數控機床伺服驅動技術，智能化等等。在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。

1 機床的改造

隨著數控技術的發展，數控系統功能越來越強大而價格相對越來越低，數控機床行業也越來越活躍。數控機床改造作為該行業的一個分支，也被廣大企業看好。只花20%左右的資金就能將一臺進口數控設備起死回生，發揮功效，比添置新設備不僅省錢還省時間周期，因此越來越多的企業采用機床改造的方式恢復和提高設備能力。

機床與生產線的數控化改造主要內容有以下幾點:

其一是恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復;其二是NC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成NC機床、CNC機床;其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度;對其不滿足生產要求的CNC系統以最新CNC進行更新;其四是技術更新或技術創新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規模的技術更新或技術創新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。

2 仿真系統

虛擬加工過程仿真是虛擬制造的底層關鍵技術，包括幾何仿真和物理仿真兩大部分。目前幾何仿真方面的研究理論比較全面和深入，出現UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等成熟的商業軟件。而物理仿真由于其切削機理復雜、建模難度大等客觀原因，研究還不夠深入。但對切削過程物理方面因素的分析與預測在虛擬制造研究中具有重要意義，國內外已經對其加以重視并開展了研究工作。美國國家自然科學基金會資助伊利諾依大學、西北大學、普渡大學聯合進行機械加工過程模型的研究，研究內容包括車、銑、鉆等加工型式，涉及到有關切削力、振動、切屑形成、工件表面質量等諸多方面。國內也有研究者致力于面

向加工質量分析與預測的加工過程物理仿真單元及系統的研究與開發。

3 數控機床伺服驅動技術

伺服驅動技術作為數控機床、工業機器人及其它產業機械控制的關鍵技術之一，在國內外普遍受到關注。在20世紀最后10年間，微處理器(特別是數字信號處理器——DSP)技術、電力電子技術、網絡技術、控制技術的發展為伺服驅動技術的進一步發展奠定了良好的基礎。

3.1 智能性能發展方向

3.1.1 高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

3.1.2 柔性化包含兩方面:數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求;群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。

3.1.3 工藝復合性和多軸化以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。

3.1.4 實時智能化在數控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發展:自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。

3.2 功能發展方向

3.2.1 用戶界面圖形化當前INTERNET、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現

3.2.2 科學計算可視化科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。

3.2.3 插補和補償方式多樣化多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。

3.3 體系結構的發展

3.3.1 集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點，可實現超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術，是21世紀顯示技術的主流。

3.3.2 模塊化硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。

3.3.3 網絡化機床聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯網，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。

3.3.4 通用型開放式閉環控制模式采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統。閉環控制模式是針對傳統的數控系統僅有的專用型單機封閉式開環控制模式提出的。

作為現在制造系統中的關鍵技術，數控技術的研發是十分必要的。其在實現設計加工自動化、提高加工精度和加工質量、縮短產品研制周期等方面發揮著重要作用，在不久的將來數控技術將引領現代的制造技術。

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作者簡介:

吳凡(1978-)男，漢族，重慶市合川區人，助教，學士學位，研究方向:機械設計制造及自動化。