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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 步進電機

開放式數控系統的狀況及在超精密加工中的應用

發布日期：2022-04-18 點擊率：101

數控技術經過四十多年的發展日益成熟，于90年代初出現了開放性數控系統的概念，并逐漸出現了開放性數控系統取代以往專用數控系統的趨勢。目前，各發達國家都在競相發展自己的開放式體系結構的數控系統，如美國的“下一代工作站/機床控制器體系結構” NGC(The Next GenerationWork-station/Machine Control)；歐洲的“自動化系統中開放式體系結構OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation Systems)；日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)等。我國國家計委和科技部在99年7月14日發布的《當前國家優先發展的高技術產業化重點領域指南》中制造技術中的第一項即為“適用先進的數控機床及開放式數控系統”。目前開放式數控系統也已經應用于超精密加工領域。
1 開放式數控系統的特點
目前的專用數控系統(包括軟件和硬件)，基本不具備可移植性，都是為特定的機床或設備專門開發的，從而使得其成本十分昂貴。隨著制造技術的發展，要求整個制造系統具有更多的開放性，集成為一個具有更大柔性的系統。在九十年代初就出現了開放式數控系統的概念，目前的開放式數控系統多以 PC機為基礎，配上各種控制卡。與以往的專用數控系統相比，開放式數控系統一般具有如下特點：
格較低，性能價格比極高
由于開放式數控系統具有較強的可移植性，使其開發費用大大下降，維修更簡易，質量更可靠，性能更加完善，增強了開放式數控系統的市場競爭能力。以往一套專用超精密數控加工系統動輒就上百萬，更存在禁運的問題，而一套開放式超精密加工數控系統成本則低得多。
模塊化的設計
開放式數控系統中的各模塊相互獨立，可讓用戶在較大范圍內根據需求配置系統，如機床軸數、 I/O點數等，而當系統硬件改變時，只需簡單修改數控系統軟件，即可滿足需求。具有更大的靈活性，更能適應市場的動態變化。
豐富友好的人機界面
機床制造商或用戶可在開放式環境下用不同的編程語言隨心所欲地開發最適合自己用途的人機界面，完善自己的數控系統，如某些特殊機床的專用控制功能，而不必過多地考慮數控系統控制器的核心部分。
優良的開放性能
開放式數控系統能方便地掛上第三方的應用軟件，如各種 CAD/CAM軟件、測試軟件或管理軟件滿足自己的需求。開放式數控系統可集眾家之長，其優勢是不言而喻的。
支持多種操作平臺
開放式結構的數控系統比以往的專用數控系統能更好地支持各種不同的操作平臺，如： windows windowsNT， Unix， OS2等。
2 開放式數控系統在超精密加工中的應用
開放式數控系統由于其自身的優越性，目前在超精密加工中也得到了較廣泛的應用。
國外開放式數控系統在超精密加工中的應用
英國 Rank Pneumo公司在八十年代末開發了 Nanoform300機床。該機床不僅能夠進行切削加工，還可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡。機床的控制系統采用的是美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動控制器(PMAC)。該控制器采用了先進的數字信號處理技術。最初選用的是摩托羅拉的56001數字信號處理器(DSP)。每個卡可控制多達8個伺服軸，可用 PC、XT/AT、VME、STD32或 PCI總線形式(都可完全脫機運行)。16/18位的DAC輸出分辨率。10/15MHZ的編碼計數率，高達320MHZ的有效輸入帶寬。開放式的結構可控制任何型號的電機，具有極強的處理能力和高度的靈活性，適于現今實際應用中的各種總線結構、電機類型、反饋元件和指令數據結構，是開放式數控系統在超精密加工中一個鉸早的成功應用。

Rank Pneumo公司新推出的 Nanoform250超精密加工系統，是一臺兩軸超精密 CNC機床，能進行超精密車削和磨削。該機床可以直接磨削出能達到光學系統要求的具有光學表面質量和面型精度的硬脆材料光學零件。機床最大加工工件直徑達到250mm。機床數控系統的分辨率為1．25nm，其數控系統 Nanoform300相似，仍是采用美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動控制器。

與該公司有密切關系的美國 Precitech公司，在其后來推出的眾多機床上，都采用了開放式的數控系統結構，但其控制器不再是采用美國 DELTATAU公司的可編程多軸運動控制器。改為采用 Precitech自己開發的UltrapathTM DSP 在 Naonoform200、 Nan0form350、 Nanoform600、PLANOFORM550、 Freeform4000、 Freeform5000等 Precitech公司最新的機床上皆采用基于 Precitechs UltrapathTM DSP的開放式數控系統。目前該數控系統的資料較少，但這么多機床使用同一套數控系統，可見該系統的可移植性及其它性能都應是很好的。

美國摩爾公司目前最新的三臺機床 Nanotech500FG、 Nanotech350UPL、Nanotechl50AG當中，除了 Nanotech500FG用的是帶高速串行總線的專用Fanucl5i數控系統。NanoteCh350UPL和 Nanotechl50AG采用的是開放式數控系統。與 Nanoform300、Nanoform250相同， NanoteCh350UPL采用的是美國 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，而 Nanotechl50AG采用的是Aerotech公司 UNIDEX600控制器。該控制器可控制多達16個伺服軸，可執行高速位置鎖存。控制器上所用的是高達33／66MHZ的 RISC處理器，其上的 i960芯片能在一個時鐘周期內執行數條指令，控制器上集成了高達32MB的 DRAM，提供了強大的處理能力，同其它開放式數系統一樣，也具有很強的靈活性，提供了豐富的支持軟件。
國內開放式數控系統的狀況及在超精密加工中的應用
近年來，國內對開放式數控系統的研究也在不斷深入，為數眾多的高校科研院所開發了自己的開放式數控系統。較典型的有華中理工大學的華中I型數控系統，北京航空航天大學的中華I型數控系統，中國科學院沈陽計算技術研究所的藍天系列高檔數控系統、西安交通大學剛在首屆中國國際高新技術成果交易會推出的五軸五聯動數控系統等。
但由于超精密加工的獨特性，這些數控系統都還不能直接用于超精密加工。我實驗室正在研制的 Nanosys300非球面超精密復合加工系統中，經論證選用的是 DELTA TAU公司的 PMAC控制器。

本系統采用的是 PC總線結構，上位機為工控機，通過系統總線與 PMAC通訊，也可通過雙口 RAM與 PMAC進行高速數據交換；控制器上有高速的 DSP處理加工數據：用高精度的LVDT測頭對刀;通過16位的 DAC驅動主軸電機和伺服電機：用高分辨率、高精度的編碼器和光柵實現系統的閉環雙位置反饋控制。
3 結束語
可以預見，開放式數控系統以其自身的優越性將會成為未來先進數控系統的主流，在超精密加工中的應用也會更加廣泛，我們應該抓緊時間采取措施，投入大量人力、財力進行研究開發，推動我國數控技術的發展

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