数控发展趋势

数控技术的基本知识和现代数控的发展方向第一部分数控技术的基本概念1.1数控与数控机床1.概念◆数控:数字控制（NC—NumericalControl）,以数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为数控加工的专用术语。◆数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一种技术，它综合应用了多种学科的知识。◆数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产系统的基本单元。●数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。●CNC与CAD/CAM/CAPP/关系:通讯▼CAD:计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)▼CAM:计算机辅助制造(ComputerAidedMaunfacturng)▼CAE:计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering)CADCAMCAE范畴划分●CNC与现代先进制造系统关系:CNC用在制造系统中CNC：DNC–FMC–FMS–CIMS–FA并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、绿色制造、纳米制造、高速加工等等。初步设计分析模拟详细设计制图生产准备工艺设计NC编程机器人编程制造NC加工装配检验产品CAECADCAMCAD/CAMCAD/CAM/CAE广义CAD广义CAM广义CAD/CAMCAPP◆为什么补用数学函数直接插补？①计算费时间，不能满足实时控制的要求；②有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；③数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。第四部分数控技术的发展方向4.1数控技术总的发展趋势当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。4.2新的数控标准STEP-NC4.2.1STEP-NC标准的产生及概念1.产生：数控发展已50多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈。体现不出IT技术与MT技术的结合：CAD/CAM/CAE/PDM…限制了制造业的发展。为此国际标准化组织ISO制定了“产品模型数据交换标准”STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）（ISO10303）产品模型数据转换标准STEP，是面向对象的数据模型，将此扩展到数控领域，形成了STEP-NC新标准（ISO-14649）2.STEP-NC数据模型STEP-NC为“新型的CNC控制器数据模型”标准，它是从CAM到CNC的数据模型。STEP、STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言:EXPRESS,以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM与CNC一体化的加工。STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口，可以进行数据交换。要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工程序用来控制机床。3.STEP-NC研制情况STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。欧洲、美国（SuperModel项目）、韩国、日本（DigitalSater项目）都在积极的进行，而且关于STEP-NC的研究已取得了实质性的进展。法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。4.2.2STEP-NC标准的内容STEP-NC定义了一个新的应用协议AP-238，作为CAM与CNC之间数据交换的具体规范。1.AP-238AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信息。其中有：三维几何信息--AP-203/AP214；特征信息---AP-224；工艺信息（如车、铣、放电加工等）--AP-219；检测信息---AP-219等等。2.STEP-NC标准（草案）内容：有关基本规则与铣削加工的标准（草案）已完成，包括：基本概念和规则（Part1）；通用数据（Part10）；数控铣削加工工艺（Part11）；刀具、铣削刀具（Part111）等。正在制定的STEP-NC标准有：数控车削加工（Part12）；放电加工（Part13）；木材和玻璃加工（Part14）；检测（Part15）等。3.标准通用数据包括二大部分:工件（Workpiece，指成品）和工作计划（Workplan）。工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（Machining-feature）定义。工作计划包括若干工作步骤（Workingstep）。工作步骤将具体的加工特征（如平面、复杂曲面、孔等）与具体的操作（Machining-operation）联系起来。操作（operation）本身是ISO-14649定义的一个面向的概念，涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。4.2.3STEP-NC数控程序结构1.STEP-NC数控程序编制的原则：采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。以工作步骤为加工流程的的基本单位。将特征与技术信息联系到一起。每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只能用一种刀具和一种策略）2.程序结构：程序结构分为文件头和数据段文件头以HEADER为标记，主要说明文件名、编程者、日期以及注释等。数据以DATA开始，包含了加工零件所需的所有信息和操作任务。根据规定，首先要有一个PROJECT语句。其后的内容可分为三部分：工作与可执行语句（Executable，包括工作步骤、一般NC功能如信息显示等、流程控制）。技术描述（刀具、机床功能、加工策略等）几何描述（几何数据、加工特征等）ENDSEC为程序结束标志。3.例子（西门子公司开发的,其中的斜体为特意加入的说明)：HEADER;文件头部开始语句…ENDSEC;文件头部分结束DATA;数据段开始#1=PROJECT(Workplan#10);#1规划由工作计划#10完成#10=Workplan(#20,#35,…);#10包括：#20工步、#35工步、……#20=Machining-Workingstep(,#21(feature),#22(Machining);#20为加工工步，包括：#21加工特征、#22加工操作#21=Roundhole(‘HoleM6’,,…);被加工的是M6‥,圆周孔#22=Drilling(#(Tool),,,#(technology),#(Machine-functions);钻削加工（刀具、工艺、机床功能）…#35=Machining-Workingstep(…);#35为加工工步…其它加工工步ENDSEC;程序结束（数据段）说明：文件程序名、编者、日期、注释4.STEP-NC特点：废弃了传统的数控程序，无后置处理，无G、M代码。ISO14649的目标为：①改进CAD/CAM系统与CNC控制器之间的连接，数据传递。不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工作步骤相应于高级特征和过程参数。CNC对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。②数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的CAD几何数据到离散值的简单轴运动）。③CNC程序设想可以放在新开发的CNC控制器上,也可能放在分离的支持和改进现有CNC控制器的高级系统上（包括各种网络）。④对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编辑定义、相关控制和几何过程的修正。⑤新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。⑥对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更快、更廉价。⑦较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级CAD/CAM系统和NC系统之间的数据交换将更方便。4.2.3STEP-NC为计算机数控（CNC）提供的发展空间STEP-NC的发展使得STEP标准扩展到自动化加工的底层设备，建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的CAX技术（CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM、ERP等）、刀具、机床、夹具、先进生产模式等。主要有以下几方面：⑴数控编程界面；⑵数控系统的开放性；⑶数控系统的智能化；⑷CAM和CNC之间的功能重新划分（嵌入式CAM）；⑸加工质量和效率，CNC改变被动执行者的地位；⑹数据共享与网络制造。4.3开放式数控（OPENCNC）4.3.1开放数控的产生和发展：1.产生的原因当今的CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，因此需要开放结构的数控系统。现在的CNC技术（其核心为CNC控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于PC的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，成本高。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。2.发展情况：美国：OMAC1981年，国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了一项名为“下一代控制器（NGC）”的计划，并成立了“美国国家科学制造中心”，该计划于1991年终止，完成了“开放式系统体系结构标准（SOSAS）”。1995年，在NGC的基础上，由美国国防部资助又开始了由20个公司合作的“OASAY”计划，目的是建立8个控制器并在6个不同的系统平台上测试这8个控制器。1994年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司开始了一项名为：“开放式模块化体系结构控制器（OMAC-OpenModularArchitectureControls）”的计划。欧洲：OSACA1992年在欧洲，启动了一项“自动化系统中控制器的开放系统体系结构（OSACA-OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems）”的联合计划。由22家欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参加，后来扩大到27名会员。日本：OSEC1995年日本六家公司:东芝机器制造公司、丰田机器厂、MAZAK公司、日本IBM、三菱电子公司和SML公司共同实施了“控制器开放系统环境计划。OSEC-OpenSystemEnvironmentforControllers”的计划。OMAC、OSACA、OSEC是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划。这几大开放数控系统计划正在执行中，已有了自己的标准和样机产品。4.3.2开放性：开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化(用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：①可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。②可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。③互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。④可维护性：用户修方便。⑤统一的人机界面。4.3.3结构：目前开放的数控系统结构有3种：①基于PC的CNC系统（软数控：SoftCNC）：以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。①基于PC的CNC系统（软数控：SoftCNC）：以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放。②PC嵌入式:把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。③PC+CNC（融合系统）：专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向PC在的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取了：增加一块PC板，提供键