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数控系统技术的发展新趋势ro-629

数控系统技术的发展新趋势ro-629

日期:2020-04-18 21:51点击数:

  数控系统技术的发展新趋势

  1引言

  机械工业是我国国民经济的重要支柱产业,必须改变早期生产过程操作与控制实施主要由人来完成造成的金字塔式管理结构,其中关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综合生产指标优化。回顾数控技术的发展,它是以数控机床的发展揭开序幕的,二次大战后,美国空军为了军备需要,首先进行数控技术的研发工作。随着科学的飞速发展,数控技术的发展异常迅猛.从发展的角度看,数控技术大致经历了以下几个发展阶段。世界上第一台数控机床在美国诞生,是由美国帕森斯公司(ParsonsCo.)和麻省理工学院伺服机构研究所 (ServoMechanismusLaboratoryoftheMassachu-SettsInstituteofTechnology)为推进导弹和飞机的研制联合开发的,1955年进入实用阶段,称之为第一代数控系统。由于晶体管的发明,1959年,数控系统采用了晶体管元件和印刷电路板技术,使系统的可靠性提高、成本下降,数控技术跨入了第二阶段。20世纪60年代以后,随着体积小、功耗底的小规模集成电路在数控系统中的使用和专用功能器件的出现,数控系统以其更可靠的性能进入了第三代。这三代数控系统均为硬件式数控,零件程序的输入、运算、插补及控制功能均由专用硬件来完成,其功能简单、柔性通用性差、设计研发周期较长。20世纪70年代初,小型计算机的普及并逐渐在数控系统中得以应用,系统中的许多功能由软件来实现,计算机数控(CNC)技术从此问世,数控系统进入了第四代。随着计算机技术的飞速发展,1974 年,数控系统进入了其发展史上的第五个阶段,也就是微处理器的投入使用。20世纪80年代以后,随着数控系统和其他相关技术的发展,产品逐渐规格化系列化,数控系统的效率、精度、可靠性进一步提高,投资少见效快的柔性加工系统FMS(FlexibleManufactureSystem)进入实用化阶段。现在数控系统使用的微处理器(CPU),己普遍采用32位或64位字长,时钟频率高于16MHz。大规模/超大规模集成电路、精简指令集计算机和多 CPU的使用,使得数控系统的运算速度和处理能力进一步提高。在这种背景下,人们从系统角度出发,重点思考更多的是整个系统的优化问题,当然这并不意味着人们对众多单项关键技术的研究兴趣减少。

  2数控技术的快速演进

  数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术,是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的,是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础,是现代机床装备的灵魂和核心,有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。一般数控系统由输入/输出(I/O)装置、数字控制系统、驱动控制装置、电器逻辑控制执行装置等4个部分组成。数控机床就是采用了数控系统的机床,是高效率、高精度、高柔性和高度自动化的现代机械加工设备,是高度机电一体化的产品.但是随着信息化程度的逐步提高,对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展,为了产品在市场上增强竞争力,提高综合效益,现在人们考虑更多的是把传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下,思考如何用信息化技术去促进工业自动化快速向高端发展。在全球市场环境影响和推动下,改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长,生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境,减少消耗,降低成本,提高生产效率,提高运行安全性,必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗,产品只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。

  制造工业发展面临众多挑战,关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综合生产指标优化。生产指标优化系统和集成支撑系统由ERP、MES和PCS组成,其主要功能是将综合生产指标转化为生产计划、作业计划,作业计划转化为作业标准,作业标准转化为生产指令,由操作者去操作和控制生产过程。综合生产指标优化系统由综合生产指标优化子系统、工艺指标优化子系统和过程控制子系统等三层结构组成。综合生产指标优化系统的功能将综合生产指标分解为生产计划、作业计划、工艺指标、控制回路优化设定值,一般采用混合智能优化控制策略,在实现模式上是将智能行为和常规控制方法相结合。

  3新技术在数控系统中的广泛应用

  3.1数字图像处理技术应用

  目前,数字图像处理技术在工业生产中有广泛的应用,如自动装配线中用于检测零件的质量、并对零件进行分类,检查印刷电路板疵病,对弹性力学照片、流体力学图片的阻力和升力进行分析,采用机器视觉跟踪先进的设计和制造技术等。数字图像处理技术发展迅猛,无论在理论上还是在实践上都有着巨大的潜力,对我国的现代化建设有着深远的影响。其发展方向主要体现在以下几个方面:在高分辨率、高速度方面,其目标是实现实时处理;立体化使图像包含的信息更为丰富和完整,将图像和图形结合实现三维成像或多维成像;智能化可实现图像的自动生成、自动识别和处理;在新理论新算法研究方面,近年来,在图像处理领域引入了一些新的理论及算法,如Wavelet、神经网络、遗传算法等,促进了图像处理技术在数控系统中应用的发展。

  3.2自动编程技术的应用

  数控自动编程技术受到广泛关注,各国的专家学者都在潜心研究自动编程系统。数控加工是指在数控机床上按事先编制好的程序,对零件进行自动加工的一种加工工艺方法,零件加工的最终效果直接取决于数控程序编制的效率和准确率。数控编程是目前提高加工精度、表面加工质量、加工效率以及实现生产自动化最重要的一环,在制造业中有应用广泛。数控编程分为手工编程和自动编程,对于那些程序量大、轨迹计算复杂的零件,根本不可能采用手工编程,即使能编制出加工程序,其低下的效率亦根本不能满足市场的需求。受飞速发展的技术革命的巨大冲击,传统的机械设计和制造方式发生了根本性的变化,产品的设计生产周期越来越短,逐渐向小批量、多品种、高精高效加工的方向发展。特别是随着计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术的推广和计算机数控加工技术的广泛应用,计算机辅助自动编程势在必行。自动编程是用计算机代替编程人员完成编程工作,自动生成加工指令,解决一些人工编程难以解决的难题,充分利用计算机计算速度快而准的特点,可极大地提高编程的效率和准确率。

  自数控机床问世以来,数控编程经历了两个阶段:数控语言编程和CAD/CAM集成编程。在数控语言编程阶段,为解决数控加工的编程问题,世界各国研究了上百种语言,其中以50年代美国麻省理工学院开发的一种专门用于机械零件的数控编程语言APT(AutomaticallyProgrammedTool)最具有代表性。APT编程是把用APT语言编写的程序输入计算机,由内部的编译系统自动生成数控加工指令。APT语言先后经历了APTII,APTIII,APTIN,APT-AC,APTIV/SS等几个发展阶段,能处理二维、三维及多坐标零件的加工。APT语言的出现使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级上升到面向几何元素和加工方式的高级语言,具有程序编制简单、走刀路径灵活的特点。但随着计算机技术及CAD技术的快速发展,其不足之处日益表现出来,它受语言描述能力的限制,对用户的要求较高,难以满足设计与制造一体化的要求。在CAD/CAM集成编程阶段,借助良好的软件开发平台,可充分利用CAD软件的图形编辑功能,将零件图直接绘制在计算机上,并形成图形文件。然后输入工艺参数并调用数控编程模块,计算机可以自动进行数据处理、生成数控加工程序。同时可在屏幕上动态显示刀具的走刀轨迹。这种方法无须操作者输入数据,因此大大减小了人为误差,最大限度地提高了编程的效率和加工的质量。由于图形编程系统由零件图直接生成数控加工指令,故可直接利用CAD进行零件图的设计。20世纪80年代在CAD/CAM一体化概念的基础上,逐渐形成了计算机集成制造系统(CIMS)。与APT语言相比,它有以下几个特点:

  其一,这种编程方法是直接面向零件的几何图形,不需进行复杂的数学计算,不需要用具体的语言描述零件的几何形状,具有直观、简便、准确和便于检查的优点;

  其二,有利于实现CAD/CAM的一体化。通常的数控自动编程系统是和相应的CAD软件连在一起的一体化软件系统,既可进行计算机辅助设计,又可以直接调用己设计好的图形;

  其三,这类软件都可在通用计算机上进行,无需专用的编程机,便于推广,是自动编程系统的发展方向。

  由于我国在数控编程系统方面起步较晚,虽然作了大量的工作,但相对于发达国家还有很大差距。在APT语言的基础上,开发了一些同类的语言,但从总体上看,由于资金技术等主客观因素的限制,研制的许多软件缺乏系统性,还有待于进一步完善,才能更好地服务于机械制造加工等行业。日益增多的复杂零件的出现和高精高效的加工,对数控自动编程系统提出了越来越高的要求,同时为适应高速加工、并行工程、敏捷制造和CIMS等先进制造技术的发展。进入20世纪90年代以后,随着微电子、自动控制和数控加工技术发展日益迅速,数控自动编程和加工技术呈现出一些新的发展趋势,主要表现在以下几个方面。

  (1)集成化程度进一步提高

  集成化是指将数控编程系统和其他计算机辅助设计系统、加工过程控制系统、质量控制系统,如:CAD,CAE,CAPP,CAM等系统集成到一起,形成一个自动化的CIMS系统,以便实现集成系统内部信息的充分利用,提高产品设计制造过程的效率与质量。

  (2)智能化程度进一步增强

  智能化方面的工作刚刚开始,是指把人类的专业知识融入到集成化的系统中,采用人工智能的方法建立各类知识库,包括专家系统、智能库、自学习功能等。

  (3)并行化

  随着计算机技术和网络技术的发展,特别是Internet技术的普及应用,计算机协同工作得到高度重视,新产品的开发要求相关学科的专家协同工作,形成一种新的工作模式一一群组工作,从而缩短产品的开发周期,降低制造成本,提高产品的质量。

  3.3人工智能控制技术的应用

  智能控制的产生来源于被控系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能。智能控制是传统控制发展的高级阶段,它是当代科学技术高度分化而又走向高度综合的重要产物。智能控制系统的核心集中在 “智能上”,而智能只能靠模拟人类的智能。因此,模拟人类模糊逻辑思维的模糊集合论、模拟人的大脑神经系统的结构和功能的神经网络理论,以及模拟人的感知-行动的进化论等,都已成为研究智能控制理论的新学科基础的组成部分。20世纪70年代开始,人们从控制论角度总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系,提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉,创立了人-机交互式分级递阶智能控制的系统结构。基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器已广泛成功用于工业过程控制,模糊控制与人工智能中的产生式系统、专家系统思想的相互渗透,推动了智能控制的发展。进入80年代后,专家系统技术逐渐成熟,神经网络的应用研究获得重要进展,90年代以来,智能控制的应用研究势头异常迅猛,将模糊系统、神经网络、进化计算等进行综合应用,这三个新学科已成为智能控制的重要基础。

  古典控制和现代控制理论的主要特征是基于模型的控制。由于被控对象越来越复杂,其复杂性表现为高度的非线性、高噪声干扰、动态突变性以及分散的传感元件与执行元件,分层和分散的决策机构,多时间尺度,复杂的信息结构等,这些复杂性都难以用精确的数学模型来描述。除了上述复杂性外,往往还存在着某些不确定性,不确定性更难以用精确的数学模型来描述。因此,基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。但是,如果把人工智能的方法引入控制系统将控制理论的分析和理论的洞察力与人工智能的灵活的框架结合起来,就有可能得到新的认识和控制上的新突破。近20年来的研究成果表明,把人工智能的方法和反馈控制理论相结合,解决复杂系统的控制难题是十分有效的。智能控制对当代多种前沿学科、多种先进技术和多种科学方法加以高度综合和集成,例如生命科学、脑科学、神经生理学、思维科学、认知科学、计算机科学、人工智能、知识工程、模式识别、系统论、信息论、控制论、模糊集合论、粗糙集合论、人工神经网络、进化论以及耗散结构论、协同论、突变论、混沌学、人工生命等理论、技术和方法,都对智能控制理论的形成和发展起着重要作用。智能控制的应用领域十分广泛,一个智能系统一般都离不开控制,因此,从这个意义上说,智能系统都是智能控制系统。从广义上讲,智能控制是研究对复杂的不确定性被控对象(过程)采用人工智能的方法有效的克服系统的不确定性,使系统从无序到期望的有序状态转移的方法及规律。这里的被控对象是广义的,也包括数控系统。例如可用遗传进化算法寻找最优化的加工路径,用各种智能控制算法实现数控系统中高精度的闭环控制等等,多学科技术的密切合作,可以更有效的模拟和综合人类的智能,开创智能控制论在数控系统中应用的新篇章。

  4计算机集成制造系统(CIMS)快速发展

  改革开放以来,人们越来越认识到面对的是全球市场的竞争。一个企业要生存、发展,就必须提高产品质量、降低成本、缩短新产品开发周期和产品交货周期,而要做到这些,就必须改造企业的运行机制,使之适应复杂多变的外部环境。企业改造的一个重要方面就是实现信息流和物流的集成,实现总体优化。CIMS包括人/机构、管理和技术三个基本的要素,其相互关系如图1所示:

  

  

图1CIMS三要素的集成

  人是企业中生产要素之一,人是企业的最活跃、最宝贵的因素。现代的制造企业,是多层次多部门的纵横交错的系统,必须采用一整套管理制度和方法,进行科学管理。企业的好坏,很大程度上反映了企业管理水平的高低。现代企业中,技术开发担负着为产品制造过程提供先进的产品设计、工艺流程、技术手段、质量保证等,技术是生产的保证。CIMS中的三要素是相互关联、相互支持和相互制约的,在CIMS中,人仍然起主导作用:技术靠人来掌握,人制定管理模式,确定组织机构,同时也受组织的和管理模式的制约,管理不仅管人,也管技术,技术也支持管理。一个正常运行的企业就是通过这三个要素的集成而形成的统一的有机整体。由于具体企业不同,所建立起来的CIMS系统在结构、功能等方面也是千差万别的,但建立统一的信息平台,以便实现管理控制一体化和信息集成,使有用的信息不致流失和沉淀,充分发挥信息的效益却是一致的。

  CIM(ComputerIntegratedManufacturing) 最早是由美国约瑟夫哈林顿博士在1973年提出的,是企业组织、管理与运行的一种新哲理,它借助计算机硬软件,综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术等,将企业生产经营全过程中有关人、技术和管理三要素及有关的信息流、物流和价值流(资金流)有机地集成并优化运行,以实现产品的高质晕、低成本、交货期短,提高企业的应变能力和综合竞争能力,从而使企业赢得竞争。从CIM概念的提出到现在己有20余年了。20年来,CIM的概念已从美国等发达国家传播到发展中国家,己从典型的离散型机械制造业扩展到化工、冶金等连续或半连续制造业。CIM概念己被越来越多的人所接受,成为指导工厂自动化的哲理,有越来越多的工厂按CIM哲理,采用计算机技术实现信息集成,建成了不同水平的计算机集成制造系统。CIMS (ComputerIntegratedManufacturingSystem)是按CIM哲理建成的复杂人机系统。它从企业的经营战略目标出发,综合考虑企业中人、技术和管理的作用,用各种先进技术手段,包括计算机硬软件,实现企业生产经营全过程中的信息流和物流的集成,并在产品质量、生产成本、生产周期等方面达到总体优化,以便为企业带来更大的经济效益。可以说,CIM作为一种新的哲理,适用于各种制造企业,也可以推广到其它企业。CIMS概念,直到20世纪80年代,制造业面临复杂的竞争环境,这一概念才被广泛接受,,并成为制造工业的新一代生产模式。

  CIMS发展经历了三个主要的阶段:

  (1)以信息集成为特征的CIMS发展阶段,CIMS 概念提出于20世纪70年代,在80年代得以应用并迅速发展。这一时期的CIMS是以信息集成为特征的发展阶段。以信息集成为特征的CIMS,可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化、各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥,实际存在于制造业生产中的各种资源浪费可以大幅度减少,从而可以获得更好的整体效益,满足这一时期市场竞争的需要。

  (2)以过程集成为特征的CIMS发展阶段,进入 20世纪90年代以来,新产品如雨后春笋般诞生,产品更新周期日益缩短。随着廉价高性能工作站的普及,加速新产品开发的软件工具得到迅速发展。并行工程作为加速新产品开发过程的综合手段迅速获得了推广,并行工程己成为当时制造业竞争中赢得生存和发展的重要手段。并行工程是集成地、并行地设计产品及相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法,是井发式的,信息流向是多方向的,只有支持过程集成的CIMS系统才能满足并行产品开发的工艺方法、先进的技术手段(工装等)、先进的质量保证等,因此CIMS技术是生产的保证。在CIMS中的三要素是相互关联,相互支持,相互制约的。在CIMS中,人仍然起主导作用,技术靠人来掌握,人制定管理模式,确定组织机构,同时也受组织的和管理模式的制约,管理不仅管人,也管技术,技术也支持管理,一个正常运行的企业就是通过这三个要素的集成而成为一个统一的有机整体。

  (3)以企业集成为特征的CIMS阶段,21世纪技术的发展及市场的竞争沿着20世纪90年代展开的道路前进,危机与机遇井存。一方面随着技术发展速度加快和生活水平提高,人们对新产品的不断追求,两者结合将给企业提供空前的机遇;另一方面随着技术装备及工具软件的日新月异,开发周期越来越短,有同样加工能力的企业日益增多,竞争将更加激烈。竞争使得一个产品生产的批量越来越少,过去适宜于人批量生产的刚性生产线,越来越不适应新的形势。一个企业应有能力将原有的刚性生产线改成柔性生产线,迅速将企业的组织及装备重组,以对市场机遇作出敏捷反应,源源不断地生产出用户所需求的“个性化”产品。当一旦发现自己的企业无能力单独作出敏捷反应时,应通过高速信息公路的工厂子网和其它企业进行合作,可组织跨企业开发的动态联合公司,以对机遇作出快速响应。敏捷制造强调将柔性的、先进的、实用的制造技术,熟练掌握生产技能的、高素质的劳动者以及企业之间和企业内部灵活的管理三者有机地集成,实现总体最优化,对千变万化的市场作快速响应。敏捷制造企业较并行工程阶段的制造企业有了进一步的发展,更强调企业结盟。CIMS要有效地支持敏捷制造,从运行集成技术来说,必须发展一种高鲁棒性的集成技术,可以在不中断系统运行的情况下修改软件系统。在企业外,应发展建筑在网络基础上的集成技术,包括异地组建动态联合公司、异地设计、异地制造等有关的集成技术,在信息高速公路中建立工厂子网,乃致全球企业网,作为动态集成的主要工具。

  企业的任务是将原材料转换成产品,以满足社会的需要。在社会主义市场经济环境中,我国企业已经或正在从生产型向生产经营型转变。生产经营型企业的管理体系一般由调查、决策、投入、转换、产出5个部分组成,制造业的基本流程如图2所示。

  

  

图2制造业基本流程

  5结束语

  改革开放以来,我国数控系统技术方面取得了长足的发展,但数控系统技术是一项综合性很强的高新技术,涉及多学科多技术的交叉应用成果,现代数控系统本身就是一个复杂的系统工程,上述文中提到的也只是作者的一些感受,未必一定恰当。