新時(shí)期數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)呈現(xiàn)“新特點(diǎn)”

　　編者語：數(shù)控裝備的高速度、高精度、高柔性和高自動(dòng)化程度，向數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了新的要求，下面主要從數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面介紹其關(guān)鍵技術(shù)。

　　1. 高速化技術(shù)要實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備高速化，首先要求數(shù)控系統(tǒng)能對(duì)由微小程序段構(gòu)成的加工程序進(jìn)行高速處理，以計(jì)算出伺服電機(jī)的移動(dòng)量，同時(shí)要求伺服電機(jī)能高速度地作出反應(yīng)。采用32 位微處理器，是提高數(shù)控系統(tǒng)高速處理能力的有效手段。在數(shù)控設(shè)備高速化中，提高主軸轉(zhuǎn)速占有重要地位。主軸高速化的手段是直接把電機(jī)與主軸連接成一體，從而可將主軸轉(zhuǎn)速大大提高。采用直線電機(jī)技術(shù)來替代目前機(jī)床傳動(dòng)中常用的滾珠絲杠技術(shù)，在提高輪廓加工速率的同時(shí)，提高了加速度。除不斷采用新型功能部件外，還需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

　　1)高速加工動(dòng)力學(xué)建模及控制高速運(yùn)動(dòng)下的對(duì)象已經(jīng)不能用純靜態(tài)的方法處理，數(shù)控問題也不再能歸結(jié)為幾何問題或靜力學(xué)問題。作為一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)象，它并不是“亦步亦趨”地跟隨所施加的控制，而力圖表現(xiàn)出它的“個(gè)性”；另一方面，所施加的控制必須充分顧及被控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，才能得到預(yù)期的控制效果。因此，已經(jīng)不能像傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)那樣，可以將控制系統(tǒng)與被控制對(duì)象分開來研究和制造，而必須作為一個(gè)整體來處理，研究其在高速狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)問題，以及超高速運(yùn)動(dòng)控制條件下光、電信號(hào)的時(shí)滯影響及其消除的問題。在高速情況下，必須研究集數(shù)控系統(tǒng)與控制對(duì)象為一體的整體動(dòng)力學(xué)建模、基于整體動(dòng)力學(xué)模型的非線性控制策略、智能化控制方法等。

　　2)機(jī)電特性參數(shù)的辨識(shí)、分析與控制優(yōu)化高速控制的核心在于實(shí)現(xiàn)高加速度，為此需要使伺服機(jī)構(gòu)處于最佳工作狀態(tài)，從而獲得系統(tǒng)最大運(yùn)動(dòng)加速度。因此，基于系統(tǒng)整體建模的加速度控制曲線選擇、伺服機(jī)電參數(shù)的辨識(shí)優(yōu)化、多軸增益的協(xié)調(diào)控制等是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　3) 高速、高精插補(bǔ)運(yùn)算和控制算法高速、高精插補(bǔ)是將復(fù)雜軌跡按控制規(guī)律分解成伺服控制指令。輪廓加工時(shí)，加工程序由巨量微小線段構(gòu)成，高速加工除需保證微段程序連續(xù)執(zhí)行外，還需根據(jù)軌跡變化及時(shí)預(yù)測(cè)各軸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高加速度運(yùn)行要求。這就要求對(duì)微段程序的高速、高精插補(bǔ)、高速預(yù)處理，微段程序的加減速控制，超前G 代碼預(yù)測(cè)(Look ahead)，復(fù)雜軌跡的直接插補(bǔ)以及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行深入的研究。

　　4)面向高速高精加工的數(shù)控編程原理及方法

　　傳統(tǒng)的數(shù)控編程解決了中低速加工中的刀位軌跡生成問題，但是高速加工卻對(duì)數(shù)控編程從原理與方法上提出了更高的要求。為此．必須在研究高速加工工藝機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究適用于高速高精加工的數(shù)控編程原理及方法。在這方面，高速加工工藝機(jī)理、高速加工工藝參數(shù)知識(shí)庫、基于高速加工非線性運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)牡段卉壽E規(guī)劃、加工程序平滑過渡、高速加工中進(jìn)給速度優(yōu)化、基于STEP標(biāo)準(zhǔn)、面向加工特征的高級(jí)NC 代碼語言等都是需要研究的內(nèi)容。

　　2.高精度化技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般可通過減少數(shù)控系統(tǒng)的誤差和采用機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在減少CNC 系統(tǒng)控制誤差方面，通常采取提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率，提高位置檢測(cè)精度的方法。然而在高速、高精加工的情況下，在線動(dòng)態(tài)測(cè)量和補(bǔ)償存在著高精度與大量程幾何量之間的矛盾，是傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以完成的。因此，需要研究新的測(cè)量和補(bǔ)償機(jī)理，即進(jìn)行高精度、大量程幾何量的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)原理研究，以及控制誤差的在線和實(shí)時(shí)檢測(cè)、預(yù)報(bào)和補(bǔ)償方法等研究，在位置伺服系統(tǒng)中采用前饋控制與非線性控制等方法。為解決在高速、高精加工中的小步長與大行程之間的矛盾，需要研究新的高速驅(qū)動(dòng)原理及機(jī)構(gòu)。在機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)方面，除采用齒隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償和刀具補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)外，近年來對(duì)設(shè)備熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)的研究已成為世界范圍的研究課題。

　　3.智能化技術(shù)模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、以范例和模型為基礎(chǔ)的決策系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等理論與技術(shù)的發(fā)展及其在制造業(yè)中的成功運(yùn)用，為數(shù)控設(shè)備智能化水平的提高建立了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。智能化正成為數(shù)控設(shè)備研究及發(fā)展的熱點(diǎn)，目前采取的主要技術(shù)措施包括：

　　1) 自適應(yīng)控制技術(shù)提高加工效率是制造加工技術(shù)發(fā)展永恒追求的目標(biāo)。現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床對(duì)加工過程的控制還是開環(huán)控制，即它們只能忠實(shí)地執(zhí)行人們預(yù)先為它編好的加工程序，而對(duì)加工過程中工況的變化，缺乏相應(yīng)的識(shí)別能力和足夠的自律控制能力。因此，零件的加工質(zhì)量和加工效率強(qiáng)烈地依賴于工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。此外，加工狀況復(fù)雜多變，工藝人員為了確保安全往往選擇較保守的加工參數(shù)，使加工效率和質(zhì)量的提高受到限制。同時(shí)，加工狀況(如刀具狀況、加工中的振動(dòng)等)將直接影響設(shè)備加工的效率、質(zhì)量和安全，這種情況在銑削加工大型零件(如加工大型水輪機(jī)葉片)時(shí)更是如此。因此，加工過程的自適應(yīng)控制技術(shù)，對(duì)提高大型零件加工的效率，保障加工設(shè)備安全可靠運(yùn)行是十分重要的。

　　加工過程的自適應(yīng)控制技術(shù)是指數(shù)控裝備能檢測(cè)對(duì)自己有影響的信息，并自動(dòng)連續(xù)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。如通過監(jiān)控切削過程中的刀具磨損、破損、切屑形態(tài)、切削力及零件的加工質(zhì)量等，向數(shù)控系統(tǒng)反饋信息，通過將過程控制、過程監(jiān)控、過程優(yōu)化結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保證加工設(shè)備安全。有資料表明，應(yīng)用該技術(shù)在銑削加工時(shí)其效率可以提高30％左右。

　　2)專家系統(tǒng)技術(shù)將專家的經(jīng)驗(yàn)和切削加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存人計(jì)算機(jī)中，以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)，提供經(jīng)過優(yōu)化的切削參數(shù)，使加工系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，從而達(dá)到提高編程效率和降低對(duì)操作人員的技術(shù)要求，大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。

　　3)故障自診斷技術(shù)故障診斷專家系統(tǒng)是診斷裝置發(fā)展的最新動(dòng)向，它為數(shù)控設(shè)備提供了一個(gè)包括二次監(jiān)測(cè)、故障診斷、安全保障和經(jīng)濟(jì)策略等方面在內(nèi)的智能診斷及維護(hù)決策信息集成系統(tǒng)。

　　4)智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 目前已開始研究能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行參數(shù)。

　　4.網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是指能支持遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷和控制，支持網(wǎng)絡(luò)制造資源共享、支持裝備參與網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下制造系統(tǒng)集成的技術(shù)。其主要技術(shù)內(nèi)容有：

　　1)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)控裝備的集成技術(shù)研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)控裝備網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)(包括裝備間的互連技術(shù)和裝備內(nèi)部的互連技術(shù))，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造裝備分布式協(xié)同處理技術(shù)和異構(gòu)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)等。

　　2)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控與遠(yuǎn)程診斷技術(shù)研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征提取、識(shí)別和融合，診斷知識(shí)的組織以及推理算法，實(shí)時(shí)可靠的通信協(xié)議及數(shù)據(jù)的共享標(biāo)準(zhǔn)等；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)控裝備運(yùn)行狀態(tài)的智能檢測(cè)、監(jiān)控和診斷技術(shù)；數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)全局調(diào)度技術(shù)、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)編程技術(shù)及遠(yuǎn)程操作技術(shù)等。

　　3) 網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的研究在網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)除了用于傳輸加工程序、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)操作和控制和遠(yuǎn)程診斷外，更為重要的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)率。為此需要研究網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，即網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)管理系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)CAD／CAM系統(tǒng)，面向網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境的數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制與防范技術(shù)等。