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第11章数控技术与现代柔性制造技术§11-1开放式数控系统一、开放式数控系统的概念IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”通俗地说，就是数控系统提供给用户（机床或机械制造商）一个平台，使他们能够在这个平台上，根据设备所需的特定功能，开发与之相应的软件和硬件，并与系统软件集成为一个新的应用系统，使该设备具有较高的性价比，并大大缩短开发周期。目前，世界上各控制系统制造商推出或正在研究的具有开放特点的数控系统产品大致可以分为如下三个层次：•第一层次是人机界面的开放。它只开放了非实时的人机界面部分，允许用户自己设计控制系统的界面和编程语言。•第二层次的开放是控制系统在明确固定的拓扑结构下允许替换内核中的特定模块以满足用户的特殊需要。例如，用户可以替换控制系统核心的插补算法等。•第三层次的开放是拓扑结构完全可变的“完全开放”的控制系统。OSACA追求的就是这种理想的控制器产品。在OSACA计划中，各种功能模块的地位是平等的，它们之间的拓扑关系是由系统内部的配置系统确定的。功能模块之间的信息传递是由系统内部的通信机制保证的。二、开放式数控系统的特点现在国际上公认的开放式体系结构应具有四个特点：相互操作性、可移植性、可缩放性、可互换性。1.相互操作性（Interoperability）相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台上，相互之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特性要求提供标准化的接口、通讯和交互模型。随着制造技术的不断发展，CNC也正朝着信息集成的方向发展。CNC系统不但应能和不同系统彼此互连，实施正确有效的信息互通，同时应在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作，因此要求不同的应用模块能相互操作，协调工作。2.可移植性（Portability）可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系统平台之上。可移植性应用于CNC系统，其目的是为了解决软件公用问题。要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即通过统一的应用程序接口，完成对设备的控制；要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交互机制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。同时在应用软件的开发过程中，重复投入费用也可降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求CNC系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控制器的操作，即可适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的使用重新进行费时费力的培训。3.可缩放性（Scalability）可缩放性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。不是所有的场合都需要CNC系统具备复杂且完善的数控功能，在这种情况下，厂家没有必要购买不适于加工产品的复杂数控系统。因为可缩放性使得CNC系统的功能和规模变得极其灵活，既可以增加配件或软件以构成功能更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应简单加工场合。同时，同一软件既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该系统的高档硬件配置上应用。可缩放性使得用户可以灵活改变CNC系统的应用场合，一台控制器可以使用于多种类加工设备的控制上。4.相互替代性（Interchangeability）相互替代性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代。而不影响系统的协调运行。有了相互替代性，构成开放体系结构的数控系统就不受唯一供应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源。三、开放式数控系统的模式1.PC嵌入NC中一些传统CNC系统的制造商，由于面临控制系统“开放化”浪潮和PC技术迅猛发展的形势，把专用结构的CNC部分和PC机结合在一起，将非实时控制部分改由PC机来承担，实时控制部分仍使用多年积累的专用技术。从而改善了数控系统的人机界面、图形显示、切削仿真、网络通信、生产管理、编程和诊断等功能，并使系统具有较好的开放性。如FANUC150/160/180/210系列就是一种典型的PC嵌入NC模式的CNC系统。SIEMENS840D数控系统具有模块化结构和较好的开放性。2.NC嵌入PC中（运动控制卡加PC）一些以PC机为基础的CNC制造商，主要生产、销售各种高性能运动控制卡和运动控制软件。由于这些产品的开放性很好，用户可以自行开发，把它用来构成自己的数控产品或使用在生产线上。其中有的制造商自己再进行应用开发，把运动控制卡和PC机加上机床数控软件，构成数控系统产品如美国DELTATAU公司的PMAC是一种高性能运动控制卡，它以Motorola56000系列DSP为CPU，板上有存储器、I/O接口和伺服接口。此卡本身就是一个NC系统，具有优秀的伺服控制、插补计算和实时控制能力，可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统。3.全软件化NC计算机CPU速度的提高和基于WindowsNT/Linux等的实时操作系统为高性能开放式全软件化数控系统的发展创造了条件。这种形式的数控系统以PC机为基础，以实时操作系统（WindowsNT的实时扩展VenturComRTX、RT-Linux、WindowsCE等）为数控系统的实时内核，在计算机操作系统（WindowsNT、Linux等）环境下运行具有开放结构的控制软件。软件化NC所用的I/O接口和伺服接口卡通常不带CPU,它可以是数字、模拟或现场总线接口。由于它实现了控制器的PC化和控制方案的软件化，具有结构简单、成本较低、开放性好，可靠性高等优点，因而是当今开放式数控系统的发展趋势如德国POWERAUTOMATION公司的PA8000NT系列数控系统是在PC机中插入PA-CNCENGINE伺服接口卡，具有开放式结构的控制软件运行在标准的WindowsNT操作系统和PANT实时内核下，系统具有很好的开放性和优良的性能又如台湾宝元科技公司LNC8000是基于Linux和RT-Linux操作系统下的一种嵌入式开放式车/铣数控系统。美国SoftServo公司最新推出基于IEEE1394(FIREWIRE)总线技术的开放式运动控制系统ServoWorks，实现了不依赖其他任何硬件的基于PC平台的全软件运动控制由于开放体系结构数控系统本身具有很强的控制功能，再加上很好的开放性，因此可以构成各类控制系统，少则1、2根轴，多则几十根轴。用户可以按标准随意加入自己的技术和特定的功能，制作友好的人机界面。因此，它具有广阔的应用面，可用于数控机床、机器人、包装、印刷机械、纺织机械、轻工机械、电子产品加工设备、自动生产线等领域。§11-2数控机床的发展展望数控机床是50年代发展起来的新型自动化机床，较好解决了形状复杂、精密、小批量零件的加工问题，具有适应性强、加工精度和生产效率高的优点。由于数控机床综合了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，使得数控机床的发展日新月异，数控机床的功能越来越强大。数控机床的发展趋势体现在数控功能、数控伺服系统、编程方法、数控机床的检测和监控功能、自动调整和控制技术等方面的发展。一.数控功能的扩展1）数控系统插补和联动轴数的增加，有的数控系统能同时控制几十根轴。2）数控系统中微处理器处理字长的增加，目前广泛采用32位微处理器。3）数控系统中实现人机对话、进行交互式图形编程。4）基于PC的开放式数控系统的发展，使数控系统得到更多硬件和软件的支持。二.数控伺服系统的发展1）交流伺服系统替代直流伺服系统。2）前馈控制技术的发展增加了速度指令控制，使跟踪滞后误差减小。3)高速电主轴和程序段超前处理技术（LOOKAHEAD）使高速小线段加工得以实现。4）多种补偿技术的发展与应用如机械静摩擦与动摩擦非线性补偿，机床精度误差的补偿和切削热膨胀误差的补偿。5）位置检测装置检测精度的提高采用细分电路大大提高了检测装置的分辧率。3.编程方法的发展1）在线编程技术的发展，实现前台加工操作，后台同时编程。2）面向车间编程方法（WOP）的发展，即输入加工对象的加工轨迹，数控系统自动生成加工程序。3）CAD／CAM技术的发展，实现计算机辅助设计与辅助制造。4．数控机床的检测和监控功能的增强数控机床在加工过程中对刀具和工件在线检测，发现工件超差，刀具磨损和破损及时反馈或报警处理。5.自动调整控制技术的应用按加工要求，数控系统动态调整工作参数，使加工过程始终达到最佳工作状态。综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。§11-3柔性制造系统(FMS)近代大工业生产大量采用了刚性自动化，在汽车工业及轻工消费品生产等方面，普遍采用组合机床自动化线以提高生产效率。但是，建立这种大型生产线，不仅投资大，更换产品及修改产品工艺需要较长的时间和较多的费用。随着航空工业、汽车工业以及轻工消费品生产的高速增长，复杂上午零件越来越多，精度要求也越来越高，这就使传统的刚性自动化不能满足要求，因此可调用的柔性自动化系统迅速发展起来。数控机床产生后，很快成为高效率自动化装置，随着加工技术和电子技术的发展，飞速发展的数控机床技术为柔性制造系统（flexiblemanufacturingsystem,FMS）提供了最重要的加工设备一、FMS的组成部分FMS可以看作是一个独立的小型加工厂，在这里，计算机辅助设计、工艺过程设计、生产调度以及生产控制全部都可以集成起来。FMS是一种计算机控制的多层次复杂体系。1.基本设备。组成FMS的基本设备不仅仅指与系统兼容的书空加工中心和数控机床，还包括检测工件尺寸精度的检测设备；完成工件（刀具）装卸工作的装卸设备；清除夹具和装载平板的切削和油污的清洗设备；各工作单元的控制站或通信终端。组成FMS的基本设备是一些诸如加工站、检验站、清洗站、控制站等的工作站。包括以下几种：加工站由机床及其附属设备（如工件装卸系统、冷却系统、切削处理系统和刀具交换系统）组成。一般来说，多采用数控机床和加工中心。加工中心是FMS中基本的制造设备，它具有较大的柔性，便于工序集中加工，可减少加工站的数目，从而简化FMS的体系检验站由机床及计算机控制的坐标测量机（CMM）执行检验工作。CMM外形类似三坐标铣床，工作原理类似与数控机床，由计算机控制被测件的位置。清洗站通常设置在检验站或输出系统之前，根据工件材料和形状不同，采用高压空气从适当方向吹洗平板和工件以达到清洗的目的。装卸站设在物料处理系统中最靠近自动仓库和FMS的入口处，多数采用人力装卸工件、刀具。除必要的工作台和工具（如悬挂吊、气动搬手等）之外，还有中央计算机连接的终端，供装卸工与中央计算机通信控制站。FMS的控制系统是分布式的，除了中央计算机之外，每个制造单元以及多数工作站上均设有控制站或通信终端。制造单元的控制站对本单元进行监控。工作台上的传感器检测系统采集的信息，一部分被工作站的控制站留用，另一部分直接传输到中层或上层控制站。有些工作站（如物料处理系统、自动仓库等）只设置简单的通信终端，供车间巡回工与中央计算机通信用。2.物料输送与存储系统。该系统是完成工件输送搬运以及存储功能的工件供给系统。FMS物料处理系统是一个既有高度柔性又被高度控制的物流系统，它使得FMS中所有的设备协调、高效地工作。3.刀具管理系统。该系统能实现FMS系统内刀具循环的优化管理。FMS具有中央刀库，配备完善的刀具管理系统，可以实现刀具预调，将机床刀库与中央刀库进行批交换，可以检测系统中每一把刀具的参数、磨损情况、寿命和空间位置，还可以预报下一阶段的刀具信息等。4.监控和管理系统。该部分是FMS的控制中心，负责组织CNC机床、物料系统各类设备协调工作，执行调度排序，完成加工和测量工作。在功能齐全而高效的软件系统支持下，控制系统主要完成以下控制功