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發(fā)展

數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)的自動(dòng)化產(chǎn)品主要是為數(shù)控機(jī)床配套。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透而形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數(shù)控的工作母機(jī)是國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

數(shù)值控制（簡(jiǎn)稱“數(shù)控”或“NC”）的概念是把被加工的機(jī)械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)指令信號(hào)傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅(qū)動(dòng) 機(jī)床*的運(yùn)動(dòng)而加工出零件。而在傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)械加工中，這些過(guò)程都需要經(jīng)過(guò)人工操縱機(jī)械而實(shí)現(xiàn)，很難滿足復(fù)雜零件對(duì)加工的要求，特別對(duì)于多品種、小批量 的零件，加工效率低、精度差。

1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院與帕森斯公司進(jìn)行合作，發(fā)明了世界上臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床?？刂蒲b置由2000多個(gè)電子管組成，約一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室大小。伺服機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)小伺服馬達(dá)改變液壓馬達(dá)斜盤(pán)角度以控制液動(dòng)機(jī)速度。其插補(bǔ)裝置采用脈沖乘法器。這臺(tái)NC機(jī)床的研制成功標(biāo)志著NC技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)和機(jī)械制造的一個(gè)新的、數(shù)值控制時(shí)代的開(kāi)始。

軟件的應(yīng)用

在1970年的芝加哥展覽會(huì)上，*展出了由小型機(jī)組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)。大約在同時(shí)，英特爾公司發(fā)明了微處理器。1974年，美、日等國(guó)相繼研制出以微處理器為核 心的CNC，有時(shí)也稱為MNC。它運(yùn)用計(jì)算機(jī)存貯器里的程序完成數(shù)控要求的功能。其全部或部分控制功能由軟件實(shí)現(xiàn)，包括譯碼、*補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、 位置控制等。采用半導(dǎo)體存貯器存貯零件加工程序，可以代替打孔的零件紙帶程序進(jìn)行加工，這種程序便于顯示、檢查、修改和編輯，因而可以減少系統(tǒng)的硬件配 置，提高系統(tǒng)的可靠性。采用軟件控制大大增加了系統(tǒng)的柔性，降低了系統(tǒng)的制造成本。

數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的引入

隨著NC成為機(jī)械自動(dòng)化加工的重要設(shè)備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)、技術(shù)要求、符號(hào)和圖形，即有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以便進(jìn)行世界性的技術(shù)交流和貿(mào) 易。NC技術(shù)的發(fā)展，形成了多個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)：即ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)、IEC電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和EIA美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)等。***早制訂的標(biāo)準(zhǔn) 有NC機(jī)床的坐標(biāo)軸和運(yùn)動(dòng)方向、NC機(jī)床的編碼字符、NC機(jī)床的程序段格式、準(zhǔn)備功能和輔助功能、數(shù)控紙帶的尺寸、數(shù)控的名詞術(shù)語(yǔ)等。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立，對(duì) NC技術(shù)的發(fā)展起到了規(guī)范和推動(dòng)作用。ISO基于用戶的需要和對(duì)下一個(gè)5年間信息技術(shù)的預(yù)測(cè)，又在醞釀推出新標(biāo)準(zhǔn)“CNC控制器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”。它把 AMT（*制造技術(shù)）的內(nèi)容集中在兩個(gè)主要的級(jí)別和它們之間的連接上：級(jí)CAM，為車(chē)間和它的生產(chǎn)機(jī)械：第二級(jí)是上一級(jí)，為數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，由 CAD、CAP、 CAE和NC編程系統(tǒng)及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

伺服技術(shù)的發(fā)展

伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。20世紀(jì)50年代初，世界臺(tái)NC機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的 力（約為20:1），慣性小、反應(yīng)快，因此當(dāng)時(shí)很多NC系統(tǒng)的進(jìn)給伺服為液壓系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機(jī)，加上液壓對(duì)環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨重、效率低等原因，美國(guó)GETTYS公司開(kāi)發(fā)出直流大慣量伺 服電動(dòng)機(jī)，靜力矩和起動(dòng)力矩大，性能良好，F(xiàn)ANUC公司很快于1974年引進(jìn)并在NC機(jī)床上得到了應(yīng)用。從此，開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)逐漸被閉環(huán)的系統(tǒng)取代，液壓伺 服系統(tǒng)逐漸被電氣伺服系統(tǒng)取代。

電伺服技術(shù)的初期階段為模擬控制，這種控制方法噪聲大、漂移大。隨著微處理器的采用，引入了數(shù)字控制。它有以下優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)溫漂，穩(wěn)定性好。②基于數(shù)值計(jì) 算，精度高。③通過(guò)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)定，調(diào)整減少。④容易做成ASIC電路。對(duì)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動(dòng)取代直流驅(qū)動(dòng)、數(shù)字 控制取代模擬控制、或者稱為軟件控制取代硬件控制。20世紀(jì)90年代，許多公司又研制了直線電動(dòng)機(jī)，由全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)，剛性高，頻響好，因而可獲得高速 度。

自動(dòng)編程的采用

編程的方法有手工編程和自動(dòng)編程兩種。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用手工編程，一個(gè)零件的編程時(shí)間與機(jī)床加工之比，平均約為30:1。為了提高效率，必須采用計(jì)算機(jī)或 程編機(jī)代替手工編程。自動(dòng)編程需要有自動(dòng)化編程語(yǔ)言，其中麻省理工學(xué)院研制的APT語(yǔ)言是***典型的一種數(shù)控語(yǔ)言，它大大地提高了編程效率。從70年始 出現(xiàn)的圖象數(shù)控編程技術(shù)有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示、交互設(shè)計(jì)、修改及*軌跡生成、走刀過(guò)程的仿真顯示、驗(yàn)證等，從而推動(dòng)了CAD和 CAM向一體化方向發(fā)展。

DNC概念的引入及發(fā)展

DNC概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”的變化，其內(nèi)涵也發(fā)生了變化。“分布式數(shù)控”表明可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床。這樣，機(jī)械加工從單機(jī)自動(dòng)化的模式 擴(kuò)展到柔性生產(chǎn)線及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。從通信功能而言，可以在CNC系統(tǒng)中增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是資源共享，通過(guò)DNC功 能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)：①對(duì)零件程序的上傳或下傳。②讀、寫(xiě)CNC的數(shù)據(jù)。③PLC數(shù)據(jù)的傳送。④存貯器操作控制。⑤系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。

可編程控制器的采用

在20世紀(jì)70年代以前，NC控制器與機(jī)床強(qiáng)電順序控制主要靠繼電器進(jìn)行。60年代出現(xiàn)了半導(dǎo)體邏輯元件，1969年美國(guó)DEC公司研制出世界上臺(tái)可編程序 控制器PLC。PLC很快就顯示出*性：設(shè)計(jì)的圖形與繼電器電路相似，形象直觀，可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存貯和傳送：PLC沒(méi)有繼電器 電路那種接觸不良，觸點(diǎn)熔焊、磨損、線圈燒斷等缺點(diǎn)。因此很快在NC機(jī)床上得到應(yīng)用。在NC機(jī)床上指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)到0.085?s/步，步數(shù) 為32000步。而且，使用PLC還可以大大減少系統(tǒng)的占用空間，提高系統(tǒng)的快速性和可靠性。

傳感器技術(shù)的發(fā)展

一臺(tái)NC系統(tǒng)與機(jī)械連結(jié)在一起時(shí)，它能控制的幾何精度除受機(jī)械因素的影響外，閉環(huán)系統(tǒng)還主要取決于所采用的傳感器，特別是位置和速度傳感器，如可測(cè)量直線 位移和旋轉(zhuǎn)角度的直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器、直線和圓光柵、磁尺、利用磁阻的傳感器等。這些傳感器由光學(xué)、精密機(jī)械、電子部件組成，一般分辨率為0.01～0.001mm，測(cè)量精度為±0.02～0.002mm/m，機(jī)床工作臺(tái)速度為20m/min以下。隨著機(jī)床精度的不斷提高，對(duì)傳感器的分辨率 和精度也提出了更高的要求。于是出現(xiàn)了具有“細(xì)分”電路的高分辨率傳感器，比如FANUC公司研制的編碼器通過(guò)細(xì)分可做到分辨率為10-7r。利用它構(gòu)成 的高精度數(shù)控系統(tǒng)為超精控制及加工創(chuàng)造了條件。

開(kāi)放技術(shù)的產(chǎn)生

1987年美國(guó)發(fā)表了*的“NGC（下一代控制器）”計(jì)劃，首先提出了開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的控制器概念。這個(gè)計(jì)劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開(kāi)放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)格（SOSAS）”。美國(guó)把開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)定義為：在競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中允許多個(gè)制造商銷售可相互交換和相互操作的模塊。機(jī)床制造商可以在開(kāi)放系統(tǒng)的平臺(tái) 上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。當(dāng)前在市場(chǎng)上開(kāi)放系統(tǒng)基本上有兩種結(jié)構(gòu)：①CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要 運(yùn)行非實(shí)時(shí)控制，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制。②PC+運(yùn)動(dòng)控制板：把運(yùn)動(dòng)控制板插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實(shí)時(shí)控制用，而PC機(jī)主要作非實(shí) 時(shí)控制。為了增加開(kāi)放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用方案①，即在不改變?cè)到y(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊PC板，提供鍵盤(pán)使用戶能把PC和CNC在 一起，大大提高了人機(jī)界面的功能。典型的如FANUC公司的150/160/180/210系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)（fus*tem），由于它工作可靠，界面開(kāi)放，越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎，成為NC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。