数控系统的智能化

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化的基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化; 在智能化的基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理; 在网络化的基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网实现了中央集中控制的群控加工。

1. 数控系统的智能化

数控机床数控系统的智能化包含两个方面的含义:

①指数控系统操作维护时的方便直观性，即智能数控系统可以把晦涩的数控指令变成可视化的图形，使不懂编程的人通过直观的图形指引来编程;

②指智能数控系统的适应性，即它具有一定的思维能力，能应对环境和条件的变化做出预警和调整。

数控系统是机床的“大脑”，其体系结构正在向以PC为基础的人机界面+数控核心+现场总线技术的方向发展。由于PC的资源丰富，在此框架上建立起来的数控系统已经成为市场的主流产品，并在客户化和智能化方面得到飞速发展。

传统的数控系统是根据程序指令控制机床的运动来完成零件的加工，所有的动作和加工轨迹都是事先通过程序输入到数控系统中，不管加工条件和环境如何变化，数控系统都严格地执行事先下达的命令，是一个被动的执行者。在复杂的环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品的加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

智能化数控机床要解决的问题是: 如何使数控机床根据当前的加工条件和环境，通过自主判断和决策以适应外界的变化，从而保证加工任务顺利完成。智能化数控机床能对自身和外部环境进行感知，可自行分析各种与机床、加工状态和环境有关的信息，并自行采取应对措施来保证加工过程的最优化。换句话说，机床已经进化到可根据命令进行自主思考，进而适应柔性和高效生产的要求。数控机床的智能化可分为操作智能化、加工智能化、维护智能化、管理智能化等几个层次。

智能化的主要发展趋势如下:

①自动识别加工特征、带有工艺规划的编程系统。

②自动防止刀具和工件干涉碰撞，智能刀具监控技术可自主发现刀具存在的问题，并实施相应的应对策略。

③对机床振动情况监测，进行机床振动等级评价，借助相应的抑振算法或智能主轴转速调整自动抑制振动，以提高加工的平稳性和刀具寿命。

④自动位置检测和补偿功能，自动补偿主轴、立柱、床身等热变形的影响。

⑤自动补充润滑油和抑制噪声的功能。

⑥机床故障诊断及维护等。

因此，智能化数控系统的配置将根据不同的目标和应用场合进行选择和组合，有针对、有选择地集成智能化技术，构筑由简单到高级的智能化产品体系。

德国的西门子、海德汉，日本的FANUC、三菱是我国应用的主流数控系统，它们通过增加智能化的功能而不断提升产品的性价比，从而赢得市场。西门子数控系统采用模块化的结构设计，从低端的801到高端的840D系列，已发展成为面向不同应用领域，从简单的客户化到复杂的具有较高智能化的产品。

828D是西门子最新推出的紧凑型数控系统，它集CNC、PLC、操作界面以及轴控制功能于一体，支持车、铣两种工艺应用。其外形简洁紧凑，系统采用NV-RAM技术进行数据存储与保护，因无电池、无硬盘、无风扇，所以免维护。828D最多可控制6轴，可进行4轴联动插补。虽然828D可控制的轴数、系统的功能和柔性不如840D，但其采用了基于80位浮点数进行插补计算，纳米计算精度充分保证了系统的控制精确性。可以说828D是一个性能卓越的定制化了的840D系统。

828D数控系统的智能化体现在以下几个方面。

(1) 操作智能化

采用图形化用户界面，操作按键采用形象化的图符来代表按钮的功能。它具有“动画支持”功能，可精确地显示刀具运动，直观显示型腔的螺旋铣削，以及深孔钻削时的排屑和断屑机理等动态过程。828D通过Shop Mill/Shop Turn工步式编程方式，采用直观易读的程序编辑器和“动画支持”，且集成有编程向导“Program Guide”，将高级语言编程的灵活性和工艺循环编程的便利性进行完美结合，从而节省了大量的编程时间。

(2) 加工智能化

在工件准备时，828D只需测量工件边沿、拐角或者内孔，系统会自动确定工件零点偏置 (包括旋转角度)，而不需要找正工件。同样，无论使用“触碰法”，还是刀具测量系统来对刀，只需按动一键，刀具几何尺寸就会自动保存到刀具补偿中。828D采用了加速度控制功能，平滑的加速和减速运动可以延长机床的使用寿命，进而提高机床的生产力。基于动态前馈控制功能，系统可以在指令值发出之前就计算出跟随误差，并提前进行补偿，从而保证最佳的轮廓精度。除了常规的补偿功能外，828D还集成了温度补偿功能，可以补偿机床内所有可能的温度变化，从而保证工件加工精度的一致性。

(3) 维护智能化

828D系统具有方便的数据管理功能，可在屏幕上直观地显示所有存储介质，进行本地、网络甚至Internet上文件数据的传递。备份管理功能 (Easy Archive) 简化了机床数据的备份及升级工作，通过简单的操作就可将机床数据、用户数据 (如补偿数据等) 进行分类备份存储管理。828D通过维护计划“Service Planer”功能集中管理必要的机床维护任务，不用配置任何用户画面，只需将所需要的维护周期输入维护计划内即可 (例如，在对冷却液进行必要更换之前所剩余的时间)，系统会自动提醒操作人员及时对机床进行维护。此外人们越来越关注机床的服务与技术支持，短信功能 (Easy Message)提供了一个技术平台，使得报警信息、机床维护信息能够以短信的形式通知服务人员，从而大大缩短了客户等待服务的时间。

(4) 管理智能化

828D不仅能够识别刀库中的刀具，即使在刀具列表中随意创建的刀具，也可被编程和模拟，只需一个按键，刀具管理功能便可为它搜寻合适的刀套位置。系统支持文字命名刀具，在工件程序中只需调用该刀具名，使刀具管理在整个车间或工厂有唯一的识别码。

2. 国内数控系统的发展

华中数控、沈阳高精数控和飞阳数控基于PC软硬件平台已开发出具有独立知识产权的中高档数控系统。沈阳机床集团将飞阳数控系统同机床一起进行工业设计，从人机工程的角度将数控系统和机床融合在一起。

飞阳数控将机床制造厂家和最终用户的经验、知识融入数控系统中，形成了较有特点的产品。由于采用了开放的体系结构，飞阳数控系统体现了数控技术和信息技术的发展，其使智能化的技术路线和途径更加宽广，同时也为客户进行二次开发提供了良好的手段。

飞阳数控实现了短信功能，将机床的加工状态以文本信息形式发送到指定的维护或管理人员的手机上，使其第一时间了解当前机床的状态，及时处理已经发生的故障。操作人员和维护人员还可以在短信平台上进行互动，所有事件都会记录在日志中，以方便日后查询和维护。

飞阳数控实现了远程服务功能，将用户工厂的数控机床通过互联网与系统制造商的网络相连，当机床发生故障时，用户可以登录到系统制造商的技术服务网站上，在故障案例库里检索对应的故障解决方案。对于检索不到的疑难故障，可以开放机床监控端口，上传机床状态、报警信息、参数信息、日志文件等到服务网站上，由系统供应商的技术人员提供远程诊断服务，解决工厂技术人员无法排除的故障。

随着控制技术、驱动技术和自适应技术的不断发展，数控系统的智能化和集成化已成为数控机床研究的重要领域。数控机床不仅延伸了人的体力，还要逐步解决代替脑力劳动问题，包括自主工艺规划、工夹具管理、生产控制和维护管理等，机床将变得越来越“聪明”和人性化。在未来的工厂里，数控机床不仅是一台加工设备，而且是工厂管理网络中的一个节点，具备更加广泛的人—机交互、物—物通信功能，从而开创数控技术的新纪元。

3. 智能CNC的实现

开放式软硬件平台是数控系统智能化的一个重要表现，ICNC硬件系统必须是标准化开放式的系统，软件支持系统必须丰富且具有实时多任务特性。数控系统是典型的实时多任务控制系统，以软硬件结合的方式来实现数控的实时性。插补位控模块是数控系统中实时性要求较高的任务，为了减轻PC的工作负担，保障系统的实时性，采用带有DSP芯片的运动控制卡完成，插补位控周期达1ms，保障了系统的实时性，从而可满足现代模具等复杂曲面微小程序段的高速加工。PC和运动控制卡的通信通过双端口RAM实现，其中控制轴数、联动方式和插补位控周期可由用户设定。控制器 (包括任务管理、软件插补和逻辑控制) 也是实时性要求很高的装置，通常以定时中断方式实现，为了保证软件的开放性，我们采用Windows API提供的多媒体定时中断来实现控制器功能。其他任务利用Windows支持抢占式多任务特性，以线程的方式实现。

实验系统的网络采用对等网络的概念实现，ICNC和PC通过以太网卡经HUB连接在一起。Windows95操作系统本身就可进行网络配置和管理，在IC-NC中以数据库的形式建立公共通信区，其他PC可通过操作ICNC中的数据库向其发出任务指令，ICNC可根据指令进行相应的处理，并将处理结果返回给发出者，从而完成协作任务。