數控系統(tǒng)技術的發(fā)展新趨勢

發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心瀏覽：1805

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1引言

機械工業(yè)是我國國民經濟的重要支柱產業(yè)，必須改變早期生產過程操作與控制實施主要由人來完成造成的金字塔式管理結構，其中關鍵問題是如何構建綜合自動化系統(tǒng)來實現扁平化管理和綜合生產指標優(yōu)化�；仡檾悼丶夹g的發(fā)展，它是以數控機床的發(fā)展揭開序幕的，二次大戰(zhàn)后，美國空軍為了軍備需要，首先進行數控技術的研發(fā)工作。隨著科學的飛速發(fā)展，數控技術的發(fā)展異常迅猛.從發(fā)展的角度看，數控技術大致經歷了以下幾個發(fā)展階段。世界上第一臺數控機床在美國誕生，是由美國帕森斯公司(ParsonsCo.)和麻省理工學院伺服機構研究所(ServoMechanismusLaboratoryoftheMassachu-SettsInstituteofTechnology)為推進導彈和飛機的研制聯合開發(fā)的，1955年進入實用階段，稱之為第一代數控系統(tǒng)。由于晶體管的發(fā)明，1959年，數控系統(tǒng)采用了晶體管元件和印刷電路板技術，使系統(tǒng)的可靠性提高、成本下降，數控技術跨入了第二階段。20世紀60年代以后，隨著體積小、功耗底的小規(guī)模集成電路在數控系統(tǒng)中的使用和專用功能器件的出現，數控系統(tǒng)以其更可靠的性能進入了第三代。這三代數控系統(tǒng)均為硬件式數控，零件程序的輸入、運算、插補及控制功能均由專用硬件來完成,其功能簡單、柔性通用性差、設計研發(fā)周期較長。20世紀70年代初，小型計算機的普及并逐漸在數控系統(tǒng)中得以應用，系統(tǒng)中的許多功能由軟件來實現，計算機數控(CNC)技術從此問世，數控系統(tǒng)進入了第四代。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，1974年，數控系統(tǒng)進入了其發(fā)展史上的第五個階段，也就是微處理器的投入使用。20世紀80年代以后，隨著數控系統(tǒng)和其他相關技術的發(fā)展，產品逐漸規(guī)格化系列化，數控系統(tǒng)的效率、精度、可靠性進一步提高，投資少見效快的柔性加工系統(tǒng)FMS(FlexibleManufactureSystem)進入實用化階段�，F在數控系統(tǒng)使用的微處理器(CPU)，己普遍采用32位或64位字長，時鐘頻率高于16MHz。大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路、精簡指令集計算機和多CPU的使用，使得數控系統(tǒng)的運算速度和處理能力進一步提高。在這種背景下，人們從系統(tǒng)角度出發(fā)，重點思考更多的是整個系統(tǒng)的優(yōu)化問題，當然這并不意味著人們對眾多單項關鍵技術的研究興趣減少。

2數控技術的快速演進

數控技術是一門集計算機技術、自動化控制技術、測量技術、現代機械制造技術、微電子技術、信息處理技術等多學科交叉的綜合技術，是近年來應用領域中發(fā)展十分迅速的一項綜合性的高新技術。它是為適應高精度、高速度、復雜零件的加工而出現的，是實現自動化、數字化、柔性化、信息化、集成化、網絡化的基礎，是現代機床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應用領域和廣闊的應用前景。一般數控系統(tǒng)由輸入/輸出(I/O)裝置、數字控制系統(tǒng)、驅動控制裝置、電器邏輯控制執(zhí)行裝置等4個部分組成。數控機床就是采用了數控系統(tǒng)的機床，是高效率、高精度、高柔性和高度自動化的現代機械加工設備，是高度機電一體化的產品.但是隨著信息化程度的逐步提高，對實現綜合生產指標優(yōu)化的綜合自動化系統(tǒng)的需求不斷增長及通信技術與計算機及其網絡技術的融合發(fā)展，為了產品在市場上增強競爭力，提高綜合效益，現在人們考慮更多的是把傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)技術放在企業(yè)信息化大背景下，思考如何用信息化技術去促進工業(yè)自動化快速向高端發(fā)展。在全球市場環(huán)境影響和推動下，改進產品質量、提高生產效率和降低產品成本的需求不斷增長，生產的實時優(yōu)化受到過程工業(yè)的普遍重視并廣泛加以采用。為了適應變化的經濟環(huán)境，減少消耗，降低成本，提高生產效率，提高運行安全性，必須對控制、優(yōu)化、計劃與調度以及生產過程管理實現無縫集成。要降低生產成本、提高產品質量、減少環(huán)境污染和資源消耗，產品只能通過全流程自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計來實現。

制造工業(yè)發(fā)展面臨眾多挑戰(zhàn)，關鍵問題是如何構建綜合自動化系統(tǒng)來實現扁平化管理和綜合生產指標優(yōu)化。生產指標優(yōu)化系統(tǒng)和集成支撐系統(tǒng)由ERP、MES和PCS組成，其主要功能是將綜合生產指標轉化為生產計劃、作業(yè)計劃，作業(yè)計劃轉化為作業(yè)標準,作業(yè)標準轉化為生產指令，由操作者去操作和控制生產過程。綜合生產指標優(yōu)化系統(tǒng)由綜合生產指標優(yōu)化子系統(tǒng)、工藝指標優(yōu)化子系統(tǒng)和過程控制子系統(tǒng)等三層結構組成。綜合生產指標優(yōu)化系統(tǒng)的功能將綜合生產指標分解為生產計劃、作業(yè)計劃、工藝指標、控制回路優(yōu)化設定值，一般采用混合智能優(yōu)化控制策略，在實現模式上是將智能行為和常規(guī)控制方法相結合。

3新技術在數控系統(tǒng)中的廣泛應用

3.1數字圖像處理技術應用

目前，數字圖像處理技術在工業(yè)生產中有廣泛的應用，如自動裝配線中用于檢測零件的質量、并對零件進行分類，檢查印刷電路板疵病，對彈性力學照片、流體力學圖片的阻力和升力進行分析，采用機器視覺跟蹤先進的設計和制造技術等。數字圖像處理技術發(fā)展迅猛，無論在理論上還是在實踐上都有著巨大的潛力，對我國的現代化建設有著深遠的影響。其發(fā)展方向主要體現在以下幾個方面:在高分辨率、高速度方面，其目標是實現實時處理;立體化使圖像包含的信息更為豐富和完整，將圖像和圖形結合實現三維成像或多維成像;智能化可實現圖像的自動生成、自動識別和處理;在新理論新算法研究方面，近年來，在圖像處理領域引入了一些新的理論及算法，如Wavelet、神經網絡、遺傳算法等，促進了圖像處理技術在數控系統(tǒng)中應用的發(fā)展。

3.2自動編程技術的應用

數控自動編程技術受到廣泛關注，各國的專家學者都在潛心研究自動編程系統(tǒng)。數控加工是指在數控機床上按事先編制好的程序，對零件進行自動加工的一種加工工藝方法，零件加工的最終效果直接取決于數控程序編制的效率和準確率。數控編程是目前提高加工精度、表面加工質量、加工效率以及實現生產自動化最重要的一環(huán)，在制造業(yè)中有應用廣泛。數控編程分為手工編程和自動編程，對于那些程序量大、軌跡計算復雜的零件，根本不可能采用手工編程，即使能編制出加工程序，其低下的效率亦根本不能滿足市場的需求。受飛速發(fā)展的技術革命的巨大沖擊，傳統(tǒng)的機械設計和制造方式發(fā)生了根本性的變化，產品的設計生產周期越來越短，逐漸向小批量、多品種、高精高效加工的方向發(fā)展。特別是隨著計算機輔助設計和制造(CAD/CAM)技術的推廣和計算機數控加工技術的廣泛應用，計算機輔助自動編程勢在必行。自動編程是用計算機代替編程人員完成編程工作，自動生成加工指令，解決一些人工編程難以解決的難題，充分利用計算機計算速度快而準的特點，可極大地提高編程的效率和準確率。

自數控機床問世以來，數控編程經歷了兩個階段:數控語言編程和CAD/CAM集成編程。在數控語言編程階段，為解決數控加工的編程問題，世界各國研究了上百種語言，其中以50年代美國麻省理工學院開發(fā)的一種專門用于機械零件的數控編程語言APT(AutomaticallyProgrammedTool)最具有代表性。APT編程是把用APT語言編寫的程序輸入計算機，由內部的編譯系統(tǒng)自動生成數控加工指令。APT語言先后經歷了APTII,APTIII,APTIN,APT-AC，APTIV/SS等幾個發(fā)展階段，能處理二維、三維及多坐標零件的加工。APT語言的出現使數控加工編程從面向機床指令的“匯編語言”級上升到面向幾何元素和加工方式的高級語言，具有程序編制簡單、走刀路徑靈活的特點。但隨著計算機技術及CAD技術的快速發(fā)展，其不足之處日益表現出來，它受語言描述能力的限制，對用戶的要求較高，難以滿足設計與制造一體化的要求。在CAD/CAM集成編程階段，借助良好的軟件開發(fā)平臺，可充分利用CAD軟件的圖形編輯功能，將零件圖直接繪制在計算機上，并形成圖形文件。然后輸入工藝參數并調用數控編程模塊，計算機可以自動進行數據處理、生成數控加工程序。同時可在屏幕上動態(tài)顯示刀具的走刀軌跡。這種方法無須操作者輸入數據，因此大大減小了人為誤差，最大限度地提高了編程的效率和加工的質量。由于圖形編程系統(tǒng)由零件圖直接生成數控加工指令，故可直接利用CAD進行零件圖的設計。20世紀80年代在CAD/CAM一體化概念的基礎上，逐漸形成了計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。與APT語言相比，它有以下幾個特點:

其一，這種編程方法是直接面向零件的幾何圖形，不需進行復雜的數學計算，不需要用具體的語言描述零件的幾何形狀，具有直觀、簡便、準確和便于檢查的優(yōu)點;

其二，有利于實現CAD/CAM的一體化。通常的數控自動編程系統(tǒng)是和相應的CAD軟件連在一起的一體化軟件系統(tǒng)，既可進行計算機輔助設計，又可以直接調用己設計好的圖形;

其三，這類軟件都可在通用計算機上進行，無需專用的編程機，便于推廣，是自動編程系統(tǒng)的發(fā)展方向。

由于我國在數控編程系統(tǒng)方面起步較晚，雖然作了大量的工作，但相對于發(fā)達國家還有很大差距。在APT語言的基礎上，開發(fā)了一些同類的語言，但從總體上看，由于資金技術等主客觀因素的限制，研制的許多軟件缺乏系統(tǒng)性，還有待于進一步完善，才能更好地服務于機械制造加工等行業(yè)。日益增多的復雜零件的出現和高精高效的加工，對數控自動編程系統(tǒng)提出了越來越高的要求，同時為適應高速加工、并行工程、敏捷制造和CIMS等先進制造技術的發(fā)展。進入20世紀90年代以后，隨著微電子、自動控制和數控加工技術發(fā)展日益迅速，數控自動編程和加工技術呈現出一些新的發(fā)展趨勢，主要表現在以下幾個方面。

(1)集成化程度進一步提高

集成化是指將數控編程系統(tǒng)和其他計算機輔助設計系統(tǒng)、加工過程控制系統(tǒng)、質量控制系統(tǒng)，如:CAD,CAE,CAPP,CAM等系統(tǒng)集成到一起，形成一個自動化的CIMS系統(tǒng)，以便實現集成系統(tǒng)內部信息的充分利用，提高產品設計制造過程的效率與質量。

(2)智能化程度進一步增強

智能化方面的工作剛剛開始，是指把人類的專業(yè)知識融入到集成化的系統(tǒng)中，采用人工智能的方法建立各類知識庫，包括專家系統(tǒng)、智能庫、自學習功能等。

(3)并行化

隨著計算機技術和網絡技術的發(fā)展，特別是Internet技術的普及應用，計算機協(xié)同工作得到高度重視，新產品的開發(fā)要求相關學科的專家協(xié)同工作，形成一種新的工作模式一一群組工作，從而縮短產品的開發(fā)周期，降低制造成本，提高產品的質量。

3.3人工智能控制技術的應用

智能控制的產生來源于被控系統(tǒng)的高度復雜性、高度不確定性及人們要求越來越高的控制性能。智能控制是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級階段，它是當代科學技術高度分化而又走向高度綜合的重要產物。智能控制系統(tǒng)的核心集中在“智能上”，而智能只能靠模擬人類的智能。因此，模擬人類模糊邏輯思維的模糊集合論、模擬人的大腦神經系統(tǒng)的結構和功能的神經網絡理論，以及模擬人的感知－行動的進化論等，都已成為研究智能控制理論的新學科基礎的組成部分。20世紀70年代開始，人們從控制論角度總結了人工智能技術與自適應、自組織、自學習控制的關系，提出了智能控制就是人工智能技術與控制理論的交叉，創(chuàng)立了人－機交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結構�；谀：Z言描述控制規(guī)則的模糊控制器已廣泛成功用于工業(yè)過程控制，模糊控制與人工智能中的產生式系統(tǒng)、專家系統(tǒng)思想的相互滲透，推動了智能控制的發(fā)展。進入80年代后，專家系統(tǒng)技術逐漸成熟，神經網絡的應用研究獲得重要進展，90年代以來，智能控制的應用研究勢頭異常迅猛，將模糊系統(tǒng)、神經網絡、進化計算等進行綜合應用，這三個新學科已成為智能控制的重要基礎。

古典控制和現代控制理論的主要特征是基于模型的控制。由于被控對象越來越復雜，其復雜性表現為高度的非線性、高噪聲干擾、動態(tài)突變性以及分散的傳感元件與執(zhí)行元件，分層和分散的決策機構，多時間尺度，復雜的信息結構等，這些復雜性都難以用精確的數學模型來描述。除了上述復雜性外，往往還存在著某些不確定性，不確定性更難以用精確的數學模型來描述。因此，基于精確模型的傳統(tǒng)控制就難以解決上述復雜對象的控制問題。但是，如果把人工智能的方法引入控制系統(tǒng)將控制理論的分析和理論的洞察力與人工智能的靈活的框架結合起來，就有可能得到新的認識和控制上的新突破。近20年來的研究成果表明，把人工智能的方法和反饋控制理論相結合，解決復雜系統(tǒng)的控制難題是十分有效的。智能控制對當代多種前沿學科、多種先進技術和多種科學方法加以高度綜合和集成，例如生命科學、腦科學、神經生理學、思維科學、認知科學、計算機科學、人工智能、知識工程、模式識別、系統(tǒng)論、信息論、控制論、模糊集合論、粗糙集合論、人工神經網絡、進化論以及耗散結構論、協(xié)同論、突變論、混沌學、人工生命等理論、技術和方法，都對智能控制理論的形成和發(fā)展起著重要作用。智能控制的應用領域十分廣泛，一個智能系統(tǒng)一般都離不開控制，因此，從這個意義上說，智能系統(tǒng)都是智能控制系統(tǒng)。從廣義上講，智能控制是研究對復雜的不確定性被控對象(過程)采用人工智能的方法有效的克服系統(tǒng)的不確定性，使系統(tǒng)從無序到期望的有序狀態(tài)轉移的方法及規(guī)律。這里的被控對象是廣義的，也包括數控系統(tǒng)。例如可用遺傳進化算法尋找最優(yōu)化的加工路徑，用各種智能控制算法實現數控系統(tǒng)中高精度的閉環(huán)控制等等，多學科技術的密切合作,可以更有效的模擬和綜合人類的智能，開創(chuàng)智能控制論在數控系統(tǒng)中應用的新篇章。

4計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)快速發(fā)展

改革開放以來，人們越來越認識到面對的是全球市場的競爭。一個企業(yè)要生存、發(fā)展，就必須提高產品質量、降低成本、縮短新產品開發(fā)周期和產品交貨周期，而要做到這些，就必須改造企業(yè)的運行機制，使之適應復雜多變的外部環(huán)境。企業(yè)改造的一個重要方面就是實現信息流和物流的集成，實現總體優(yōu)化。CIMS包括人/機構、管理和技術三個基本的要素，其相互關系如圖1所示:

圖1CIMS三要素的集成

人是企業(yè)中生產要素之一，人是企業(yè)的最活躍、最寶貴的因素�，F代的制造企業(yè)，是多層次多部門的縱橫交錯的系統(tǒng)，必須采用一整套管理制度和方法，進行科學管理。企業(yè)的好壞，很大程度上反映了企業(yè)管理水平的高低�，F代企業(yè)中，技術開發(fā)擔負著為產品制造過程提供先進的產品設計、工藝流程、技術手段、質量保證等，技術是生產的保證。CIMS中的三要素是相互關聯、相互支持和相互制約的，在CIMS中，人仍然起主導作用:技術靠人來掌握，人制定管理模式，確定組織機構，同時也受組織的和管理模式的制約，管理不僅管人，也管技術，技術也支持管理。一個正常運行的企業(yè)就是通過這三個要素的集成而形成的統(tǒng)一的有機整體。由于具體企業(yè)不同，所建立起來的CIMS系統(tǒng)在結構、功能等方面也是千差萬別的，但建立統(tǒng)一的信息平臺，以便實現管理控制一體化和信息集成，使有用的信息不致流失和沉淀，充分發(fā)揮信息的效益卻是一致的。

CIM(ComputerIntegratedManufacturing)最早是由美國約瑟夫哈林頓博士在1973年提出的，是企業(yè)組織、管理與運行的一種新哲理，它借助計算機硬軟件，綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術等，將企業(yè)生產經營全過程中有關人、技術和管理三要素及有關的信息流、物流和價值流(資金流)有機地集成并優(yōu)化運行，以實現產品的高質暈、低成本、交貨期短，提高企業(yè)的應變能力和綜合競爭能力，從而使企業(yè)贏得競爭。從CIM概念的提出到現在己有20余年了。20年來，CIM的概念已從美國等發(fā)達國家傳播到發(fā)展中國家，己從典型的離散型機械制造業(yè)擴展到化工、冶金等連續(xù)或半連續(xù)制造業(yè)。CIM概念己被越來越多的人所接受，成為指導工廠自動化的哲理，有越來越多的工廠按CIM哲理，采用計算機技術實現信息集成，建成了不同水平的計算機集成制造系統(tǒng)。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)是按CIM哲理建成的復雜人機系統(tǒng)。它從企業(yè)的經營戰(zhàn)略目標出發(fā)，綜合考慮企業(yè)中人、技術和管理的作用，用各種先進技術手段，包括計算機硬軟件，實現企業(yè)生產經營全過程中的信息流和物流的集成，并在產品質量、生產成本、生產周期等方面達到總體優(yōu)化，以便為企業(yè)帶來更大的經濟效益�？梢哉f，CIM作為一種新的哲理，適用于各種制造企業(yè)，也可以推廣到其它企業(yè)。CIMS概念，直到20世紀80年代，制造業(yè)面臨復雜的競爭環(huán)境,這一概念才被廣泛接受，,并成為制造工業(yè)的新一代生產模式。

CIMS發(fā)展經歷了三個主要的階段:

(1)以信息集成為特征的CIMS發(fā)展階段，CIMS概念提出于20世紀70年代，在80年代得以應用并迅速發(fā)展。這一時期的CIMS是以信息集成為特征的發(fā)展階段。以信息集成為特征的CIMS，可以使各種生產要素之間的配置得到更好的優(yōu)化、各種生產要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮，實際存在于制造業(yè)生產中的各種資源浪費可以大幅度減少，從而可以獲得更好的整體效益，滿足這一時期市場競爭的需要。

(2)以過程集成為特征的CIMS發(fā)展階段，進入20世紀90年代以來，新產品如雨后春筍般誕生，產品更新周期日益縮短。隨著廉價高性能工作站的普及，加速新產品開發(fā)的軟件工具得到迅速發(fā)展。并行工程作為加速新產品開發(fā)過程的綜合手段迅速獲得了推廣，并行工程己成為當時制造業(yè)競爭中贏得生存和發(fā)展的重要手段。并行工程是集成地、并行地設計產品及相關的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法，是井發(fā)式的，信息流向是多方向的，只有支持過程集成的CIMS系統(tǒng)才能滿足并行產品開發(fā)的工藝方法、先進的技術手段(工裝等)、先進的質量保證等，因此CIMS技術是生產的保證。在CIMS中的三要素是相互關聯，相互支持，相互制約的。在CIMS中，人仍然起主導作用，技術靠人來掌握，人制定管理模式，確定組織機構，同時也受組織的和管理模式的制約，管理不僅管人，也管技術，技術也支持管理，一個正常運行的企業(yè)就是通過這三個要素的集成而成為一個統(tǒng)一的有機整體。

(3)以企業(yè)集成為特征的CIMS階段，21世紀技術的發(fā)展及市場的競爭沿著20世紀90年代展開的道路前進，危機與機遇井存。一方面隨著技術發(fā)展速度加快和生活水平提高，人們對新產品的不斷追求，兩者結合將給企業(yè)提供空前的機遇;另一方面隨著技術裝備及工具軟件的日新月異，開發(fā)周期越來越短，有同樣加工能力的企業(yè)日益增多，競爭將更加激烈。競爭使得一個產品生產的批量越來越少，過去適宜于人批量生產的剛性生產線，越來越不適應新的形勢。一個企業(yè)應有能力將原有的剛性生產線改成柔性生產線，迅速將企業(yè)的組織及裝備重組，以對市場機遇作出敏捷反應，源源不斷地生產出用戶所需求的“個性化”產品。當一旦發(fā)現自己的企業(yè)無能力單獨作出敏捷反應時，應通過高速信息公路的工廠子網和其它企業(yè)進行合作，可組織跨企業(yè)開發(fā)的動態(tài)聯合公司，以對機遇作出快速響應。敏捷制造強調將柔性的、先進的、實用的制造技術，熟練掌握生產技能的、高素質的勞動者以及企業(yè)之間和企業(yè)內部靈活的管理三者有機地集成，實現總體最優(yōu)化，對千變萬化的市場作快速響應。敏捷制造企業(yè)較并行工程階段的制造企業(yè)有了進一步的發(fā)展，更強調企業(yè)結盟。CIMS要有效地支持敏捷制造，從運行集成技術來說，必須發(fā)展一種高魯棒性的集成技術，可以在不中斷系統(tǒng)運行的情況下修改軟件系統(tǒng)。在企業(yè)外，應發(fā)展建筑在網絡基礎上的集成技術，包括異地組建動態(tài)聯合公司、異地設計、異地制造等有關的集成技術，在信息高速公路中建立工廠子網，乃致全球企業(yè)網，作為動態(tài)集成的主要工具。

企業(yè)的任務是將原材料轉換成產品，以滿足社會的需要。在社會主義市場經濟環(huán)境中，我國企業(yè)已經或正在從生產型向生產經營型轉變。生產經營型企業(yè)的管理體系一般由調查、決策、投入、轉換、產出5個部分組成，制造業(yè)的基本流程如圖2所示。