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标题:智能数控系统技术进展

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一、概述

  1智能数控系统技术内涵

  智能数控系统技术是研究将被加工件的几何信息和加工工艺信息等经智能化交流伺服系统处理,转换成一系列运动、动作指令,输送给伺服电动机来完成工件加工的一门技术。

  2智能数控系统技术的地位和作用

  在先进制造技术中,智能数控系统技术是柔性制造自动化技术的最重要的基础技术,具有智能化交流伺服系统的数控机床对通用加工具有良好的适应性,为单件、中小批量常规零件或常规复杂零件的加工提供了高效的自动化加工手段。

  二、智能数控系统技术前沿分析

  121世纪初十年的需求

  高精度、高速化、高柔性化、高可靠性、复合加工功能、智能化和基于工业PC机的开放式的智能数控系统。

  2智能数控系统技术发展趋势

  (1)能进行高速、高精度和多轴(5轴以上)联动加工。

  (2)高可靠性。

  (3)具有一定智能化能力。

  (4)有完善的监控和诊断能力。

  (5)易于进线或联网。

  (6)简化编程和能进行图形仿真。

  (7)可控制多种外围设备。

  3智能数控系统技术发展前沿分析

  高性能智能化交流伺服系统的研究是智能数控系统技术发展的前沿。将人工神经网络、专家系统、模糊逻辑及遗传算法等人工智能系统与现代交流伺服控制理论方法相结合,研究适合高性能智能化交流伺服系统的控制方法:分层递阶智能控制、定性与定量控制的协调方法、模糊神经网络并行学习算法、智能容错鲁棒控制器设计及智能控制的稳定性分析方法。使交流伺服系统的性能达到快响应、高精度、鲁棒性及高可靠性智能化的目标,并能在高精度数控机床中得到应用。

  4智能数控系统技术发展特点

  (1)选用高速32位处理机,采用高速高精度采样插补,大幅度提高采样频率,根据被插补曲线曲率的变化,自适应地调节进给速度并自动进行加减速控制。

  (2)采用智能化交流伺服系统,实现多轴控制。

  (3)采用基于工业PC机的开放式数控系统,彩色CRT图形显示,人机对话及自动诊断功能,具有多种监控、监测和补偿功能。

  (4)有很强的网络功能,系统化功能和通信功能,实现标准化、通用化和模块化。

  (5)采用转角棗线位移双闭环位置控制,实时映射加工控制以及位姿自适应控制。

  三、智能数控系统重要技术分析与预测

  1智能数控系统技术概要

  (1)高可靠性。选用高速的586、686等新型高性能CPU作为系统的运算和控制核心。CPU主要完成系统管理、人机交互、动态显示、预处理和插补计算等任务。提高系统集成度,严把质量关,在软件设计、电源设计、接插件设计、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性设计,从而全面提高系统的可靠性。

  (2)高精度控制。数控系统的控制精度,是保证数控机床加工精度的关键。数控系统对机床的各坐标轴采用高精度智能化交流伺服系统驱动控制。高精度智能化交流伺服系统由智能控制器、自动检测和自动识别技术与586或686微机、新型功率电子器件(IGBT)的逆变器、数字信号处理器(DSP)、数字式位置传感器、SPWM以及交流永磁同步电动机或笼型异步伺服电动机构成。利用知识工程、机器学习、人工智能技术、实序逻辑模型、模糊Petri网的原理和方法,建立适合于复杂交流伺服系统的知识结构,广义知识表示及知识的自动获取方法,为综合智能控制提供信息基础。将模糊逻辑、人工神经网络、遗传算法和专家系统所具有的特性(自学习、自组织、自识别)集中于交流伺服控制器上,设计出不依赖于对象模型的智能控制器,这是智能化交流伺服系统的基础。

  (3)操作方便。在操作方面,利用多媒体技术,增加触摸屏操作功能及语音提示功能,使系统的使用更加方便。

  (4)加工信息获取的自动化。在加工信息获取方面,往上实现CAD/CAM/CNC一体化,使复杂工作的加工更加容易;往下增加实物映身加工功能,实现无程序数控加工。

  (5)功能先进。一方面采用新型现场总线联网技术,增加网络实时控制功能,使数控机床可以方便地组成生产线,由中央计算机进行统一管理和控制,提高机床的运行效益,在此基础上,还可进一步构成FMS和CIMS;另一方面采用位姿自适应控制功能,使单件小批量工件加工时,无须采用精密夹具或进行人工找正,提高加工过程的敏捷性。

  (6)模块化开放式结构。系统软件及硬件均采用模块化开放式结构,不仅使系统配置灵活,可适用于车床、铣床、钻床、磨床、加工中心及电加工机床等各类设备,而且还使系统易于扩充功能和升级。

  2智能数控系统技术研究开发预测

  (1)研究开发的增长率。通过“八五”攻关,我国数控技术,特别是其核心技术棗数控系统已进入新的发展阶段,已经由引进、消化吸收进入了自主开发的新阶段,为智能数控系统技术的研究打下了技术基础。该技术的研发费用的年增长率在10%以上。

  (2)社会条件制约。由于存在条块分割、行业隔阂等问题,使国家对智能数控系统研究、生产组织与协调能力受到削弱,致使国家宏观调控效果不佳,由此造成智能数控系统在研究开发上,技术力量分散,进而在一定程序上妨碍了智能数控系统的健康发展。

  (3)经济条件制约。国家在智能数控方面的投入较少,缺乏相应的技术规范和发展目标,这对智能数控系统的发展产生了不利影响。

  (4)实用化的时期预测。由于智能数控系统技术中的关键技术还需进一步研究和完善,因此智能数控系统技术实用化大约在2005年。

  3智能数控系统技术发展的突破点

  智能数控系统技术发展的突破点是高精度智能化交流伺服系统的研制,它的智能水平决定了数控系统的控制精度,是提高数控机床加工精度的关键技术。

  4市场预测

  智能数控系统技术是先进制造技术的核心,关系到国家战略地位和综合国力的水平,其市场前景广阔。预计到2010年,国产数控机床在国内市场的占有率将达到50%,其中智能数控机床占20%。

  四、规划发展项目建议

  1智能数控系统技术在国外的发展现状及趋势

  (1)智能数控系统技术的关键技术棗高性能智能化交流伺服系统的研究和开发应用已引起国内外的高度重视。国外已经开发研制了通用的变频器和高性能产品,许多类型的高精度交流伺服系统已成功运用到数控机床位置控制及电气传动执行机构中,国内在这方面的研究处于比较低的水平,实用化与国产化水平较低,没有形成相应的产品系列,无法满足工业的需要,仍有待进行深入的研究。其发展趋势是研究高精度、高可靠性、快响应的智能化交流伺服系统的控制理论方法与检测技术。

  (2)智能数控系统技术发展的一个显著特点是基于工业PC机的开放式数控系统的出现。工业PC机以高性能、低价格、高可靠性和开放的结构进入数控系统领域,使数控系统更具开发能力,更能实现高精度加工,提高分辨率,改善伺服跟踪系统,控制功能更可靠,而价格则大幅度下降。因此,近年来基于工业PC机的数控系统成为热点开发的课题。国内外各大数控公司都致力于开发新型开放式数控系统。

  发展趋势是进一步研究可靠性、实时性等一系列问题,为全开放式智能数控系统产品走向市场铺平道路。

  2规划目标及重点

  在以下领域有较大创新和发展,其中有的领域接近或达到国际先进水平。

  (1)复杂交流伺服控制系统的传感器信息融合处理技术,解决复杂的信息获取,提高伺服系统的控制精度。

  (2)高精度数字伺服系统的协调优化、自学习、自组织及自识别的控制方法。

  (3)研制具有快响应、高精度、鲁棒性、高可靠性及智能化性能的交流伺服驱动系统。

  (4)实时性的保证问题的研究。实时性指系统的数据处理速度能满足伺服驱动的要求,由于数控系统在位置控制时对控制时间滞后性相当敏感,所以对智能数控系统的实时性要求相当高。

  (5)高速网络技术研究。为实现智能数控系统各组成部件之间的开放化,必须实现各部件的接口标准化。伺服驱动的接口主要以网络型接口形式为主。为保证数控设备的伺服控制性能,用于高速伺服的通信网络及接口技术是智能数控系统的重要技术。

  (6)软件开发问题研究。长期以来,CNC积累了大量的实用软件,将这些软件在开放式的工业PC机环境下重构或移植是一个值得研究的问题。同时应充分利用现有PC机的软、硬件资源进行智能数控系统的开发和应用。

  3智能数控系统技术主要研究内容

  (1)建立一种交流伺服系统的混合知识模型。

  (2)研究新的快速辨识、优化和自学习控制算法。

  (3)具有自适应、自学习功能的最优鲁棒伺服控制。

  (4)高精度数字伺服系统协调控制。

  (5)多传感器信息融合的自动检测与自动识别。

  (6)高精度与多轴以上联动加工。

  (7)开发基于CAN总线的新型网络数控系统。

  (8)实现CAD/CAM/CNC一体化,能对三维曲面进行现场造型、编程、修改和数控加工。

  (9)实现多任务的并行处理。在数控机床加工的同时,用户还可以在系统上进行几何造型和数控编程。

  (10)与可编程逻辑控制器配套,为系统完成刀库管理、主轴管理等复杂的逻辑控制功能提供保证。

  智能数控系统技术是先进制造技术中最重要的基础技术,它具有高可靠性、高控制精度、使用方便、加工信息获取自动化、功能先进以及模块化开放式结构等特点。其关键技术是高性能智能化交流伺服系统的研究和开发。新一代智能数控系统的核心是采用与PC机体系结构兼容和多机系统互联技术的设计而形成的开放式系统。


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