智能数控系统发展现状及其关键技术_杨占玺

!1W /!智能数控系统发展现状及其关键技术杨占玺!韩秋实!"!!机械科学研究院"北京.000]]#"北京信息科技大学机电工程学院"北京.00.Z-$摘要!在总结国内外有关开放化(集成化(智能化数控系统的结构框架体系及相关研究内容的基础上"提出了基于工业!%机_运动控制卡形式的智能数控系统结构"分析了该结构的优点%最后讨论了智能数控系统的相关关键技术%关键词!智能数控系统开放式数控系统运动控制卡多传感器信息融合D "B"0(-4")5$).I ">E "&’)(0(21"#(=6)5"0012")5797,>#5"48>?@=B"#:*!"3>?i *<,B*!"#!G B*#">A "H%&E 9C !"A B*#%D E (A *%#A %"#H T %A B#9+9$E "X %*I *#$.000]]"G 3?&"G9++%$%9C !%A B"#*A "+h4+%A ’D 9#*A 4#$*#%%D *#$"X %*I *#$6#C 9D &"’*9#(A *%#A %hT %A B#9+9$E 7#*F %D ,*’E "X %*I *#$.00.Z-"G 3?$&’()*+,)!6#’B*,"D ’*A +%"9#’B%J",*,9C D %F *%N *#$’B%D %,%"D A B 9#’B%C D "&%N 9D )"#H D %+"’*F %",K%A ’,9C ’B%9K%#L*#$"*#’%$D "’%H "#H *#’%++*$%#’G ?G,E ,’%&"’B%&"*#C D "&%N 9D )9C *#’%++*$%#’G ?G,E ,’%&J",%H 9#*#L H<,’D *"+O G"#H &9’*9#A 9#’D 9+A "D H *,KD 9K9,%HR T B%"HF "#’"$%,9C ’B%*#’%++*$%#’G ?G,E ,’%&"D %"#"L +E S %HR Y *#"++E "’B%)%E ’%A B#9+9$*%,9C ’B%,E ,’%&"D %H*,A <,,%HR -./01*2(!6#’%++*$%#’G ?G(E ,’%&&P K%#G ?G(E ,’%&&!9’*9#G 9#’D 9+G "D H &!<+’*Q ,%#,9D Y <,*9#3开放式数控系统国内外研究现状开放式结构控制器’PK%#>D A B*’%A ’<D %G 9#’D 9++%D (的概念起源于上世纪20年代美国国防部发起的下一代控制器’?@GQ ?%:’@%#%D "’*9#G 9#’D 9++%D (的研究计划"由于开放式数控系统与传统数控系统相比%具有开放性&移植性&扩展性和网络化等优势%因此美国&欧洲&日本以及中国等许多国家都开始了有关开放式数控系统的相关内容的研究".ZZ]年美国的W 大汽车公司克莱斯勒&福特和通用在?@G 计划的指导下联合提出P !>G ’P K%#!9H<+"D >D A B*’%A ’<D %G 9#’D 9++%D (的研究计划#.$,.ZZ-年欧共体联合启动了P(>G >’P K%#(E ,’%&>D A B*’%A ’<D %C 9D G 9#’D 9+,N *’B*#><’9&"’*9#(E ,L ’%&,(研究计划#-$,日本T 9E 9’"&T 9,B*J"&!"S ")等1家公司启动了P(4G ’P K%#(E ,’%&4#F *D 9#&%#’C 9D G 9#L ’D 9++%D (研究计划#W $"国内华中数控&航空数控等单位在-000年经国家经贸委的支持%提出了开放式数控系统’P?G (技术规范%制定了P ?G 系统技术标准%并在5*#<:系统平台上%开发了基本符合该技术规范的开放式数控系统验证样机%具有一定的互操作性&可移置性&可伸缩性和相容性等开放性特征"目前开放式的数控系统主要有W 种结构形式+专用G?G_O G 机&工业O G_运动控制卡和全软件型"其中%工业O G_运动控制卡形式的开放式数控系统可以充分利用g *#H9N ,或5*#<:通用操作系统以及高级编程语言进行系统的开发%因此是目前开发比较简单&性能比较好并且不断被采用的一种结构形式"除以上W 种结构形式的开放式数控系统%目前国内王振华&朱国力#]$&上海交通大学陈宗雨#^$和天津大学的王太勇#1%a $等分别提出了基于现场总线形式的开放式数控系统%并对基于总线形式的数控系统的基本框架&总线性能等相关方面进行了研究"基于总线形式的数控系统在一定程度上可以解决传统数控系统的开放性&网络化&集成化和智能化等方面的问题"9智能化数控系统国内外研究现状智能加工的基本目的是解决加工过程中不确定的&需要人干预才能解决的问题%其最终目的是由计算机取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动%实现加工过程的决策&监测与控制的自动化"作为可以实现智能加工的智能化数控系统是智能化制造单元的关键单元之一%是实现智能制造系统的重要基础单元"国!1]/!内有关智能化数控加工的研究始于.ZZ-年由华中理工大学牵头%向国家自然科学基金委员会建议设立的智能制造重点项目"该项目中的智能化单元技术研究内容中包括了智能数控技术的相关研究%由清华大学来承担并在刀具优选和切削参数自动生成研究方面以及在智能化自适应技术方面取得了一定的研究成果"国内外很多学者在智能数控系统结构框架方面进行了大量的研究%提出了不同的结构框架"程涛等基于>$%#’思想提出了智能数控系统的结构框架%该系统支持异构制造设备的集成和网络化的制造模式#2$,李斌等采用分级别控制策略%构建了智能集成数控系统的结构框架%将不同的智能加工模块集成到数控系统中#Z $,>+’*#’",8等根据等级制的控制策略%提出了在OG 机基础上进行硬件的扩展%添加多个f (O 板的智能数控系统结构框架%不同的f(O 板实现不同的功能%方便地将不同的模块集成在一起实现智能加工#.0b.-$,‘8"&"S ")*等提出了开放式智能数控系统的结构框架%通过双端口[>!实现数控系统与上位机之间的数据共享%并将加工过程分为实时和非实时控制部分进行不同的处理#.W $"根据不同的智能数控系统的框架结构%各种智能数控系统具有不同的功能模块"文献#2$中程涛等基于>$%#’的思想构建的智能数控系统的框架结构%如图.所示"该智能数控原型系统主要通过在原数控系统中加入一些功能模块%如通信模块&智能自适应控制模块&刀具监控模块以及误差补偿模块等%增强原数控系统的功能以提高其智能化水平%并通过给传统数控设备增加一个网络智能代理’>$%#’(以实现与其他数控设备的通信&协作及资源共享"文献#Z $#.]$中李斌等采用分级别控制策略构建的智能集成数控系统的结构框架%如图-所示"该结构框架由W 个智能级别组成+基本控制级&智能决策级和学习组织级"自上而下各级的智能水平逐步降低%而控制精度和响应速度逐步提高"智能决策级根据功能可以划分为不同的模块+智能自律控制模块&智能工艺规划模块&智能监视诊断模块和智能接口模块"文献#.^$中梁建成和李圣怡等提出了由过程模型模块&传感器集成模块&决策规划模块&控制模块及知识库和数据库等模块组成的机床智能加工系统的基本结构"文献#.1$#.a $中上海大学的刘锬等将G6!(中一些功能实现’如G>f e G >!e G >O O e ?G O 等(抽象为一系列独立的功能模块%并将这些功能模块集成在一起%组建集成化的数控系统"文献#.2$中日本神户大学的!9D *N ")*等详细讨论了智能机床的结构框架%如图W 所示%并指出智能机床的重要技术%包括加工自动规划和决策技术&加工过程的智能监测技术以及加工过程的智能控制技术等"文献#.0b-.$中>+’*#’",8等根据等级制的控制策略%提出了在OG 机基础上进行硬件的扩展%添加多个f (O 板的智能数控系统结构框架"通过f (O 的扩展以实现多种功能%可以方便地将不同的模块集成在一起实现智能加工"!1^/!:基于工业!%机S 运动控制卡的智能数控系统数控系统的开放化是实现数控系统网络化&集成化和智能的基础"国内外学者在数控系统开放化的基础上提出了多种智能数控系统的结构框架%各有各自的优点和不足"全软件性型的数控系统的开放性最好%但是其开发的难度太大,专用G?G_O G 机形式的数控系统的开放性相对来说比较差,基于总线形式的数控系统的开放性比较好%但是其总线的性能是否能满足智能数控系统的要求%还需要进一步的研究,而工业OG_运动控制卡形式的数控系统在开放性及性能等方面都较好%并且该类型的数控系统的使用有逐步扩大的趋势%因此提出了基于工业OG 机_运动控制卡的开放式智能数控系统的结构框架%如图]所示"该系统主要由工业OG 机&运动控制卡以及多传感器系统等组成"’.(工业O G 机是实现智能数控系统的主要组成部分%主要由^个智能模块和W 个接口组成"智能模块分别为加工过程智能控制&故障智能诊断&加工工艺智能规划&多传感器信息融合以及知识库和数据库,W 个接口分别为传感器接口&运动控制接口和通讯接口"’-(运动控制卡实现机床各种运动的控制功能"采用通用的运动控制卡可以避免不必要功能的开发%节省系统开发的时间及费用"运动控制卡通过运动控制接口实现与工业OG 机之间的通讯"’W (多传感器系统是实现智能数控系统的重要组成部分"多传感器系统采集机床的加工过程的相关信息%通过传感器接口实现与工业OG 机的通讯"传感器信息融合模块将采集的信息进行融合&特征提取等处理后%将处理的结果提供给其他智能模块"此外%通过通讯接口可以实现工业O G 机与企业内部网或互联网的信息交换%可以实现G>f e G >!e G ?G 等之间的互联"基于工业O G_运动控制卡的智能数控系统结构的主要特点+’.(充分利用工业O G_运动控制卡形式的开放式数控系统中工业O G 机的功能与特点%硬件容易扩展%软件比较容易开发"’-(采用多传感器信息融合技术%采集机床加工过程中的各种信息%为实现加工过程的智能控制&故障诊断以及加工工艺的优化提供强有力的基础"’W (采用各功能模块化设计%可根据实际需要进行功能的重组"!11/!;亟待研发的智能化数控系统的关键技术’.(数控系统的开放化及网络化技术的研究"开发基于总线形式的开放式数控系统%基于工业O G 的开放式数控系统以及全软形式的数控系统等"’-(高性能智能伺服系统的研究"研究具有智能自适应&自学习功能的伺服控制算法%以提高伺服系统的精度%增强系统的特性%以及采用智能技术进行运动误差补偿等"’W (多传感器信息融合理论及技术的研究"通过多个传感器对机床加工过程的状态进行监测%特征信息的提取%运用多传感器信息融合技术%对多种信息进行融合%实现对系统的工况进行实时监视和对系统的故障进行快速诊断%提高系统的可靠性,同时可以使用多传感器信息实现加工过程的智能控制%以实现提高加工效率和加工精度等目的"’](G >f e G >!e G ?G 集成一体化技术的研究"’^(绿色制造技术在智能数控系统中的应用研究%如节能技术&绿色切削等"参考文献.P !>G ’P K%#!9H<+"D >D A B*’%A ’<D %G 9#’D 9++%D (%B’’K +e e N N N R 9&"A R 9D $-P (>G >’P K%#(E ,’%&>D A B*’%A ’<D %C 9D G 9#’D 9+,N *’B*#><’9&"’*9#(E ,L ’%&,(%B’’K +e e N N N R 9,"A "R 9D $W P (4G ’P K%#(E ,’%&4#F *D 9#&%#’C 9D G 9#’D 9++%D (%B’’K +e e 9,%A R ,))Q *#A R A 9R I K e]王振华%朱国力R 基于现场总线的新型开放式数控系统研究R 中国机械工程%-00.’](+WZ^bWZ2^陈宗雨%王立峰%李从心R 全分散式数控系统的研究R 机械与电子%-00^’.(+-0b -]1王太勇%王涛等R 基于现场总线的分布式数控系统体系结构的研究R 制造业自动化%-00^’Z (+]a b^0ag "#$T8%5*3g %[%#G=%%’"+R R[%,%"D A B 9#*#’%++*$%#’G ?G K+"’C 9D &J",%H 9#B*%D "D A B*A "+"#H H*,’D *J<’%H "D A B*’%A ’<D %C 9D $D *#H*#$&"A B*#%%‘%E 4#$*#%%D *#$!"’%D *"+,%-00]’+(+-^Z Q -102程涛%吴波%杨叔子等R 支持分布式网络化制造的智能数控系统的研究R 中国制造工程%-00]%2’.^(+122b1ZW Z 李斌%吴雅等R 智能集成数控系统的开发研究R 华中理工大学学报%.ZZ]’.-(+aW b a1.0>+’*#’",8%?%N %++?%6’9!R !9H<+"D G ?GH%,*$#C 9D *#’%++*$%#’&"A B*L #*#$%O "D ’.+f %,*$#9C "B*%D "D A B*A "+&9’*9#A 9#’D 9+&9H<+%C 9D G ?G &"A B*#%’99+,RV 9<D #"+9C!"#<C "A ’<D *#$(A *%#A %"#H 4#$*#%%D *#$%T D "#,"A ’*9#,9C ’B%>(!4%.ZZ1%..2’](+^01Q ^.W ..>+’*#’",8%4D 9+?>RP K%#"D A B*’%A ’<D %&9H<+"D ’99+)*’C 9D &9’*9#"#H &"A B*#*#$KD 9A %,,A 9#’D 9+%>##"+,9C G 6[O %.ZZ2%]a ’.(+-Z^Q W00.-4D 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组合机床与自动化加工技术%-00.’a (+^.b^^-.樊留群%姜迪刚等R 智能化数控系统智能表示及实现方法的研究R 中国机械工程%-000’](+].-b].^第一作者!杨占玺"博士研究生"主要研究方向!开放式数控系统&加工过程的智能监测与控制等#$编辑徐洁兰%/’收稿日期+-002Q0^Q -.(//文章编号!2.-.2如果您想发表对本文的看法"请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%’书讯’金属切削刀具设计手册袁哲俊%刘华明主编%-002年出版"邮购价+-0-元本书系统全面地介绍了各种金属切削刀具的结构及其设计%包括普通刀具和复杂刀具的设计"全书共分.1章%介绍了刀具的共同问题+刀具几何参数的定义和刀具材料,普通刀具部分介绍了车刀&孔加工刀具&铣刀和螺纹刀具,复杂刀具部分介绍了拉刀&数控刀具&齿轮刀具和加工非渐开线齿形工件的刀具"对常用的标准刀具%扼要地介绍了刀具的结构特点和设计方法"对非标准刀具和一些参考资料中叙述较少的先进高效刀具%则较详细地介绍了它们的设计方法"书中除附有大量的图表&数据&标准资料&部分刀具合理正确使用的经验资料和技术要求外%对不少刀具列有详细的设计计算步骤%并附有设计示例和工作图"书未附有刀具夹持部分的结构和尺寸%作为设计时参考"本书可供刀具设计人员作为案头书%并可供刀具制造和使用的工程技术人员以及机械制造专业的师生参考"来款请寄+北京市朝阳区望京路]号%机床杂志社收%邮编+.00.0-"。