1 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向" I1 P, Z2 {+ p- Z
* g8 q! Q* D m7 u' P, r% U. a 找準適合我國國情的數(shù)控發(fā)展方向,,確立可行的發(fā)展道路,,是通過科技創(chuàng)新發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控的關(guān)鍵。. p- p5 F7 J* L* ~8 T S! r
: `) ]/ _, v8 c2 R. X2 u 1.1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的主要形式與發(fā)展前途
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從宏觀上看數(shù)控系統(tǒng)可分為專用計算機數(shù)控系統(tǒng)和通用計算機數(shù)控系統(tǒng)兩大類,。目前國內(nèi)外眾多廠商普遍看好的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向是通用計算機數(shù)控系統(tǒng),。在通用機數(shù)控中最成功的當屬PC數(shù)控系統(tǒng)。
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由于PC機(包括工業(yè)PC)產(chǎn)量大,、價格便宜,,技術(shù)進步和性能提高很快,且可靠性高(工業(yè)PC主機的MIBF已達30年[1]),。因此,,以其作為數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比,而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領(lǐng)域的最新成果,,如大容量存儲器,、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯(lián)網(wǎng)通訊等,。4 S5 r; D9 M* y1 i
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目前,,PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式:' E4 v O- q( l+ e6 J( q- O, C
- g6 G$ |# A: S9 N" k (1) 專用數(shù)控加PC前端的復(fù)合式結(jié)構(gòu) 這類系統(tǒng)的設(shè)計思想是將通用PC和專用NC通過高速信息交換通道連接到一起組成一復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是可以保持原有數(shù)控基礎(chǔ),,發(fā)揮廠家在以硬件專用芯片實現(xiàn)特殊控制功能等方面的優(yōu)勢,,且技術(shù)上容易保密,因此多為一些老的數(shù)控廠商或?qū)嵙^強的廠家所采用,。這類系統(tǒng)的最大缺點是開放性有限,、開發(fā)和生產(chǎn)成本較高,技術(shù)升級換代較慢,�,?梢灶A(yù)計,在我國現(xiàn)有條件下,,此類系統(tǒng)不會有大的發(fā)展,。
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(2) 通用PC加實時控制單元的遞階式結(jié)構(gòu) 其設(shè)計思想是利用PC機作為數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺,在其標準總線上直接連接實時控制單元(將實時控制板卡插入總線插槽中)而組成完整的數(shù)控系統(tǒng),。其中,,PC機主要完成數(shù)控系統(tǒng)中上層一些實時性不是很強的任務(wù)并對全系統(tǒng)的運行進行協(xié)調(diào)和管理,而實時控制單元則完成數(shù)控下層的高實時性控制任務(wù),。實時控制單元可以是帶軌跡插補計算,、位置控制、開關(guān)量控制(PLC)等的完整的CNC單元,,也可以是僅具有位置控制功能的簡單位控卡或與數(shù)字式伺服接口的數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換卡,。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)開放性,、成本相對較低,,因此得到了國內(nèi)外許多廠商,特別是中小廠家的廣泛采用,。但這類系統(tǒng)也存在一些缺點,。最突出的就是實時控制單元與伺服驅(qū)動單元間的信息交換問題。目前,,將實時控制信息送往伺服驅(qū)動單元的方法主要有兩種:一種是通過模擬量形式進行,,主要問題是難以消除零飄、溫飄對精度的影響,,容易受外部干擾,。另一種是通過脈沖量形式進行,主要缺點是實時控制單元與伺服驅(qū)動單元間需通過非編碼方式直接傳遞指令脈沖信號,,一旦丟失脈沖或引入了干擾脈沖,,難以進行查錯糾錯,,不易保證信息的高可靠性。5 P8 `$ H4 ^" E; H* F( X
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(3) 數(shù)字化分布式結(jié)構(gòu) 其方案是將由DSP等組成的數(shù)字式伺服通過以光纜等為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)與PC數(shù)控裝置連接起來,,組成一完整的數(shù)控系統(tǒng),。由于這種系統(tǒng)采用分布式計算和控制,并通過具有高可靠性和高實時性的網(wǎng)絡(luò)進行通訊和協(xié)調(diào),,因而可以最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的能力,,使整個數(shù)控系統(tǒng)具有很好的性能。但是,,這種系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)成本很高,,沒有較大的投資很難上馬。
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綜上所述,,本文認為以上三種結(jié)構(gòu)均不是符合中國國情的最好方案,。
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1.2 符合中國國情的PC數(shù)控的發(fā)展道路6 n! |! }: _0 z3 u! U
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幾十年的經(jīng)驗教訓表明,可靠性好壞是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)生死存亡的關(guān)鍵,。我們在開發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)時,,優(yōu)先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ等)作為系統(tǒng)的運算和控制核心,,并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控的所有功能。這樣,,可大幅度減小系統(tǒng)硬件的規(guī)模,。此外,還應(yīng)在軟件設(shè)計,、電源設(shè)計,、接插件設(shè)計與選用、接地與屏蔽設(shè)計和施工等采用強抗擾高可靠性設(shè)計與制造技術(shù),,從而全面提高系統(tǒng)的可靠性,。( p e2 k. K3 ]& m7 ^$ W1 g4 c
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在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能(如信息處理、刀補計算,、插補計算,、加減速控制等)和開關(guān)量控制功能(內(nèi)裝PLC),而且還可以完成伺服控制功能,。這樣,,以前由DSP完成的數(shù)字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制,、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成,,從而實現(xiàn)內(nèi)裝式伺服控制,這不僅有效縮小了數(shù)控部分的硬件規(guī)模,,而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規(guī)模,。
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2 [8 |* i* J7 `$ l2 v w 這種具有內(nèi)裝PLC和內(nèi)裝伺服控制的全軟件化集成式數(shù)控系統(tǒng),,其硬件規(guī)模將達到最小化,整個數(shù)控系統(tǒng)除一個PC平臺外,,剩下的只有驅(qū)動機床運動的功率接口和反饋接口,。這既有效提高了系統(tǒng)可靠性,又提高了系統(tǒng)性能,,同時還可顯著降低系統(tǒng)成本,,使系統(tǒng)(包括電動機)售價可降至現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的一半左右。顯然,,這種高性能,、高可靠性、低成本的新型數(shù)控系統(tǒng)將具有極強的競爭力,,有望為開創(chuàng)中國數(shù)控的新局面作出貢獻,。) S2 |/ d8 d: p0 O% U" N2 [
) `$ ]% }7 C- [, \' @5 j 此外,集成化PC數(shù)控系統(tǒng)還有一大優(yōu)點,,就是容易實現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu),。這是因為,這種系統(tǒng)的硬件本身已經(jīng)是完全開放的,,構(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)的工作完全在軟件上,,只要制定好標準和協(xié)議,從信息處理,、軌跡插補,、加減速控制、開關(guān)量控制到伺服控制都可以實現(xiàn)開放,,從而可大大方便用戶的使用,。' P/ h" P" M: m
' Z: p! }1 O0 T1 D9 B 2 數(shù)控驅(qū)動技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展途徑
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伺服驅(qū)動裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分,目前我國在數(shù)控驅(qū)動技術(shù)與產(chǎn)品方面還是一個弱項,,因而造成許多國產(chǎn)數(shù)控裝置配的是國外的伺服系統(tǒng),。因此,今后我們必須通過科技創(chuàng)新大力發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控驅(qū)動單元并促進其專業(yè)化生產(chǎn),。其主要之點包括以下幾方面:- |0 e2 H& a* n2 ?9 D+ ^
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(1) 廉價的高性能伺服系統(tǒng) ) Y$ q& C! o( Q, [% G I& j% [
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目前,,一套進給交流伺服系統(tǒng)(驅(qū)動器+電動機)的價格一般都在萬元以上,主軸伺服系統(tǒng)的價格高達數(shù)萬元,,已成為降低國產(chǎn)數(shù)控機床成本的一大障礙,。因此,應(yīng)配合新型集成化國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展,,大力開發(fā)廉價的高性能內(nèi)裝式伺服系統(tǒng),。由于內(nèi)裝式伺服的硬件部分只有電動機和功率接口,充分利用我國的永磁資源優(yōu)勢,,通過專業(yè)化生產(chǎn)可以把電動機的造價降下來,,而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜,。因此將內(nèi)裝式進給伺服的價格控制在數(shù)千元以內(nèi),將內(nèi)裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內(nèi),,將是完全可能的,。$ I: f% b9 j Z* p
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(2) 直線交流伺服系統(tǒng)
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直線交流伺服系統(tǒng)是下一世紀數(shù)控機床不可缺少的功能部件,目前我國還沒有成熟產(chǎn)品,,因此應(yīng)加強研究,、開發(fā)和推廣應(yīng)用�,?紤]到常規(guī)機床的防磁問題較難解決,,而并聯(lián)機床的防磁相對容易,因此可為常規(guī)結(jié)構(gòu)機床開發(fā)感應(yīng)異步型直線電動機,,為并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床開發(fā)永磁同步型直線電動機,,從而揚長避短,構(gòu)成符合實際應(yīng)用要求的新型高速高精度進給系統(tǒng),。
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(3) 新型永磁主軸電動機和電主軸單元
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目前主軸驅(qū)動電動機和電主軸產(chǎn)品幾乎都為感應(yīng)異步型,,存在以下突出問題①轉(zhuǎn)子上存在繞組(鼠籠),有大電流流過,,因此轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重,,直接影響主軸精度;②低速出力小且轉(zhuǎn)矩脈動大,,難以滿足寬范圍切削要求,;③效率和功率因素低,不僅電動機體積和重量大而且要求逆變器容量大,、耗能多;④控制系統(tǒng)復(fù)雜,、成本高,。
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因此,利用我國稀土永磁材料的優(yōu)勢,,開發(fā)永磁同步交流主軸電動機和新型大功率,、高效率、寬調(diào)速范圍永磁同步型交流電主軸單元,,將可有效解決主軸驅(qū)動中存在的問題,,形成具有中國特色的新一代主軸驅(qū)動產(chǎn)品。
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(4) 數(shù)控轉(zhuǎn)臺與擺頭的零傳動驅(qū)動系統(tǒng) 數(shù)控轉(zhuǎn)臺與擺頭是多坐標數(shù)控機床的關(guān)鍵部件,,傳統(tǒng)的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉(zhuǎn)臺與擺頭不僅制造難度大,、成本高,而且難以達到高速加工所需的速度和精度,。因此必須另辟蹊徑開發(fā)數(shù)控轉(zhuǎn)臺和擺頭的新型電磁驅(qū)動系統(tǒng),,以實現(xiàn)數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)運動坐標的零傳動(無機械傳動鏈)驅(qū)動,,加速促進我國高速高精度多坐標數(shù)控機床的發(fā)展。; e" |" A2 p ]4 {6 O
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(5) 高速高精度檢測裝置 高速高精度是下世紀數(shù)控機床發(fā)展的主題,,這不但需要高性能的控制和驅(qū)動,,同時還需要高品質(zhì)的檢測環(huán)節(jié),因此應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,,進一步開發(fā)0.1μm以上精度的高速(60m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器,,此類技術(shù)國外對我國是進行封鎖的。
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+ J" |- V3 i5 O. @1 l6 B 3 加強數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)支持的新思路+ P) u$ H$ Q! t) R: U3 S7 ?, K
?) O2 `/ d0 f- z$ m 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)進入市場后,,能否牢固地站穩(wěn)腳跟,,在競爭中立于不敗之地,關(guān)鍵的一條還取決于我們能否做好技術(shù)支持與服務(wù),�,?紤]到信息技術(shù)的發(fā)展,可以新的思路來抓好此項工作,。
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, ^ p+ m, u9 R- ]* E8 Z (1) 加強用戶技術(shù)培訓數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用得好壞,,很大程度上與使用者的水平有關(guān)。因此,,在國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中必須十分注意對用戶使用人員的技術(shù)培訓工作,。此項工作除可通過常規(guī)途徑進行外,還可利用多媒體技術(shù),、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新手段與常規(guī)方法相結(jié)合進行,,從而實現(xiàn)大規(guī)模、高效率,、低成本的培訓,。在當前信息技術(shù)很發(fā)達的環(huán)境下,還可充分利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),,特別是internet,,進行遠程培訓。
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(2) 做好編程服務(wù) 用戶使用數(shù)控機床中一個比較突出的問題就是零件編程,。目前,,許多用戶(特別是新用戶)都缺乏有經(jīng)驗的編程人員,從而影響了數(shù)控機床的應(yīng)用,。為解決此問題,,可利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行遠程編程服務(wù)。其具體做法是,,由數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床制造廠設(shè)立網(wǎng)上數(shù)控編程中心,。當用戶遇到自己不能解決的編程問題時,可通過互聯(lián)網(wǎng)將問題提交給網(wǎng)上編程中心,,由該中心中有經(jīng)驗的編程人員為用戶編好程序,,并經(jīng)仿真無問題后,,再通過網(wǎng)絡(luò)將程序傳到用戶的數(shù)控系統(tǒng)上,用戶馬上就可以進行加工,。從而消除了用戶使用數(shù)控機床的后顧之憂,。% x: h8 H/ C4 ], U
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(3) 建立遠程診斷、維修中心 利用網(wǎng)絡(luò)還可對用戶數(shù)控系統(tǒng)的故障進行遠程診斷,。實施辦法是,,由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家建立網(wǎng)上維修服務(wù)中心。當用戶的系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,,可將其與網(wǎng)絡(luò)連接起來,,網(wǎng)上維修服務(wù)中心即可通過向系統(tǒng)發(fā)出診斷信息并接收其響應(yīng),然后通過中心的診斷軟件對信息進行分析,,從而找出問題的原因,,并予以自動排除或指導(dǎo)用戶進行排除。 C* H5 K4 k1 }; k8 t
. a" w* F4 k" f8 S; s (4) 搞好網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)支持 建立于PC平臺上的開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng),,特別是集成化PC數(shù)控系統(tǒng),,其所有功能均是由軟件實現(xiàn)的,當用戶為了改變和擴充系統(tǒng)功能時,,他既可利用系統(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)自己完成,,也可以通過網(wǎng)絡(luò)將他的要求告訴數(shù)控系統(tǒng)制造廠的技術(shù)開發(fā)部門,由該部門中有經(jīng)驗的技術(shù)人員替用戶修改和增加系統(tǒng)功能,,然后將修改后的系統(tǒng)程序通過網(wǎng)絡(luò)直接傳到用戶的數(shù)控系統(tǒng)中,,用戶數(shù)控系統(tǒng)的功能馬上就得到了改變。這種方法是一種利用網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢的有效途徑,。9 w6 U2 Z. x. ~* L
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總之,,從技術(shù)層面看,科技創(chuàng)新能力不強,,是制約我國數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素,。因此,確立科技創(chuàng)新戰(zhàn)略,,依靠科技創(chuàng)新建立我國獨立、先進的技術(shù)體系,,是我國數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本出路,。 8 s# l" m k/ G2 K4 l
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