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1、现代数控技术发展(Development of CNC),冯 显 英（教授、博士生导师）山东大学数控技术研究中心电话：053188392873（O）13953191186E_mail:FXY FXYing_SDU,9:39 AM,2,即：制造业要能造出好的产品，必须有先进的工具（设备、刀具、检具等）。现代制造业则必须以现代制造工具作基础，而数控设备则是其关键。,9:39 AM,3,数控技术的广泛含义,1.流程工业的过程工业控制;2.机械制造业的运动控制；3.机械制造业自动化功能控制.,数控系统+数控装备,9:39 AM,4,制造业和制造技术的形成，只有两百年的历史。18世纪后期，以蒸汽机和工具
2、机发明为特征的产业革命，开始了以机器为主导地位的制造业新纪元，促成了制造企业雏形 工厂式生产的出现。19世纪末、20世纪初，内燃机的发明引发了制造业的革命；由福特、斯隆开创了流水式、大批量生产模式。2战后，微电子技术、计算机技术、自动化技术得到了迅速发展，推动了制造技术向高质量和柔性化生产的方向发展。70年代开始，大量生产模式已不能适应新的市场特点，于是相继出现了计算机集成制造、丰田生产模式（精益生产）。也就是说，受市场多样化、个性化的牵引及商业竞争加剧的影响，制造技术进入了面向市场、柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。90年代,相继出现了智能制造、敏捷制造、下一代制造等新的制造
3、理念。随着社会需求个性化、多样化的发展：生产规模沿“单件小批量少品种大批量多品种变批量专业化、专门化批量协同生产”的方向发展。制造资源配置沿着“劳动密集型设备密集型-信息密集型-知识密集型”的方向发展。与之相适应，制造技术的：生产方式则沿着“手工-机械化-单机自动化-刚性流水自动化-柔性自动化-智能自动化”的方向发展。,1.制造业的历史回顾,9:39 AM,5,20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用(1946年），计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50多个年头。数控技术经厉了2个阶段和6代的
4、发展：第阶段：硬件数控（）第代：年的电子管第代：年晶体管分离元件第代：年的小规模集成电路第阶段：软件数控（）第代：年的小型计算机第代：年的微处理器第代：年基于个人机（PC-BASED）,2.CNC产生与发展,9:39 AM,6,数控系统的演变,第六代,9:39 AM,7,数控系统的技术参数进步状况,9:39 AM,8,数控系统的功能水平,9:39 AM,9,CNC市场现状,目前CNC市场，国际上最大的数控系统生产厂是日本公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约45%左右，其次是德国的西门子公司约占15%以上，再次是西班牙发格，意大利菲地亚，法国的，日本的三菱、安川。国产数控系统厂家主要有华中
5、数控、北京航天机床数控集团、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300-400套。国内中高端数控系统被德、日垄断:在高、精、尖技术方面的差距则达到了年。如果没有“中国芯”，就要让人牵着鼻子走，你没有跟他讨价还价的资格；原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。有些高端技术，还要受禁。,9:39 AM,10,第代的CNC系统主要特点,（）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上；（）基于平台，技术进步快，升级换代容易；（）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使
6、数控功能扩展到很宽的领域（如、，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。,9:39 AM,11,3.CNC发展趋势智能思考型软件化数控系统,长期以来，CNC传统的封闭式体系结构，只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数
7、，无法实时动态调整，更无法修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。在现代制造系统中的全新制造模式中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补
8、偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。,9:39 AM,12,3.CNC发展趋势智能思考型软件化数控系统(1),1)性能发展方向:(1)高速、高精、高效化。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程
9、的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。(3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。,9:39 AM,13,(4)智能化思考型。早期的系统按程序设定执行。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为，CNC和人工智能相互结合，使CNC具有了智能化思考型控制功能。主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控
10、制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，高速加工运动控制的提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度等参数和状态的监测、监控功能等。从而达到最佳控制的目的。2)功能发展方向(1)用户界面图形化：图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过视窗操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)科学计算可视化：高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息
11、,3.CNC发展趋势智能思考型软件化数控系统(2),9:39 AM,14,（3）插补和补偿方式多样化：多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能等。加加速度控制功能：加加速度，移动突变时，振动，导致表面质量降低（4）内装高性能PL C：梯图可视化编程，在线监控、仿真、调试运行。（5）多媒体数控技术：集计算机、声像和通信技术于一体，具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设
12、备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。3)体系结构的发展(1)集成化、超薄型、超小型化：采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。,3.CNC发展趋势智能思考型软件化数控系统(3),9:39 AM,15,(2)模块化：硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的
13、增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化：构成DNC系统、远程监控和诊断、交互(4)通用型开放式闭环控制模式：总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。新一代智能化思考型CNC系统,3.CNC发展趋势智能思考型软件化数控系统(4),智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系，具有智能思考功能。,9:39 AM,16,4.CNC-现代数控技术理解,1）数控技术的发展过程,传统封闭式数控系统的缺点,（1）各厂家产品软硬件不兼容
14、，主流技术远落后于PC软硬件技术，购买、使用成本高;（2）系统功能固定，不能充分反映数控设备制造厂的生产经验，很难满足最终用户的特殊要求;（3）缺乏统一、有效和高速的通道与外部互连，信息被锁在“黑匣子”中，成为自动化的“孤岛”;（4）人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。,9:39 AM,17,PC-NC结构的不足,（1）仍存在专有硬件（2）信息的交换还不是完全开放的（3）与I/O接口连线多（4）成本高（5）工业化设计不如传统数控系统,软件化开放式是数控系统的发展方向,（1）基于标准的PC硬件（2）信息的完全开放，软件模块的PnP，（3）与I/O的连接为现场总线结构 PROFIBUS，SE
15、RCOS，MACRO,HS-Link,IEEE1394a(b),实时以太网（4）完善的网络功能（5）成本低注：SERCOS-SErial Real-time COmmunications System,9:39 AM,18,2).现代数控技术的基本构成-数控系统体系结构（开放式、智能化、软件化）,9:39 AM,19,3).开放式数控系统的主要进展,开放性的定义 可移植性（Portability）-POSIX1003.1b 可缩放(升级）性（Scalability）可扩展性（Extensibility）可交换性（Exchangeable）-Configurable 统一的操作界面（Unifor
16、mity interface）,国内外主要研究计划（1）美国的NGC、EMC、OMAC（2）欧共体的ESPRIT 6379 OSACA（3）日本联合六大公司成立了OSEC组织（4）美国MDSI公司、Soft Servo 和德国PA公司（5）国内华中、航天、蓝天、珠峰（6）大学研究计划,9:39 AM,20,OSACA-Open System Architecture for Controls within Automation Systems OSACA is a joint European project which aims to improve the competitiveness
17、of the manufacturers of machine tools and control systems in the world market.The main goal of the project is to specify a system architecture for open control systems which is manufacturer independent.The achievements of the OSACA project will reduce the time to market for new products as well as i
18、ncreasing the flexibility of customised control systems and reducing the cost of development,maintenance,training and writing of documentation.Figures&FactsProject start:November 1992 Project end:June 1998Total duration:66 months Total effort:96 man yearsTotal costs:12.3 MECU,9:39 AM,21,OPC(1),9:39
19、AM,22,OPC(2),9:39 AM,23,OPC(3),9:39 AM,24,标准化、模块化软硬件体系结构 软件化数控内核实时操作系统数控系统与驱动和数字I/O连接-现场总线 网络化是E-Manufacturing对数控系统的必然要求 自治智能化是下一代CNC系统的发展方向#:STEPNC（ISO14649),4).开放式数控系统的发展方向,FIELDBUS,PROFIBUS PA/FMS/DPSERCOS-SErial Real-time COmmunications SystemMACROSIEEE1394-FIREWIRECANController Area NetworkHS-L
20、INKReal time Ethernet(TCP/IP)USBUniversal Serial Bus,9:39 AM,25,SERCOS-SErial Real-time COmmunications System,9:39 AM,26,STEP-NC概要（以新的数据接口规范取代ISO 6983）,STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data ISO 10303）CNC 编程语言G、M代码ISO6983，由CAD-CAM系统产生新标准“CNC 控制器的数据模型”（Data model for computerized numeri
21、cal controllers ISO14649）旧标准存在问题：(1)基于ISO 6983标准的数控指令（G、M代码）支持面窄(无样条插值和五轴加工、前瞻功能（LOOKAHEAD)，而且系统之间不兼容。(2)获得的信息局限于程式化的动作和开关逻辑，故只能被动执行指令，缺乏智能化基础。(3)设计与加工的信息不兼容，产品信息只能单向流动，现场的修改难以自动反馈到上游系统。据NIST估计：数据的不兼容给制造业带来的损失多达900亿美元。(4)依赖CAM软件的后处理程序，其间的数据转换往往会造成信息流失。加工轴的刀具中心轨迹的编程，而不是零件的加工过程的编程,9:39 AM,27,CNC系统直接使用
22、符合STEP标准（ISO 10303）的CAD三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床，消除CAM与数控系统之间的信息流瓶颈，从而基于STEP建立起支持产品全生命周期的信息高速公路，解决目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题。,STEP-NC概要,新标准STEP-NC的基本思想可以简述为：,9:39 AM,28,STEP-NC概要,STEPNC的优势,9:39 AM,29,CIM,Turret Punching,Wire-cut,EDM,CNC Milling,CNC(5 AXES),5.CNC EQUIPMENTS,1
23、).数控设备的理解,9:39 AM,30,2).HSC技术及HSMT特点,n=70000rpm;内置感应电机；水冷；电磁轴承,n=100000rpm；液体静压轴承,瑞士IBAG Co.电主轴、直线电机,9:39 AM,31,HSM特点与高速CNC机床发展趋势,电主轴单元和直线电机驱动单元；高速化：n=10000150000rpm;a=(18)g，V=40120m/mim;高速CNC机床发展趋势1.高速、高精度向纵深方向发展;2.开放式、模块化、智能化和网络化结构；3.干切削和绿色化；4.从低层次应用起步的“并联串联”结构机床到真正意义上的“并联”结构的虚拟轴机床“串联”结构：即机床设计方案采用
24、典型的笛卡尔坐标制，各轴之间呈直角分布，包括刀具轴和工件轴，从而表现为一种串接的刚性组合。这样，机床上后运动的轴要受到先运动轴的带动和加速。“并联”结构：所有的驱动装置都支承在一个固定支座或地基之上，驱动装置直接作用于运动平台，平台上安装着主轴头、工件支座或者是机械手。在固定支座与运动平台之间形成了多个与平台自由度相适应的封闭运动链，而该运动链呈平行刚性分布，所以称这种运动力学为并行运动学。,9:39 AM,32,3).虚拟轴并联数控机床,9:39 AM,33,9:39 AM,34,9:39 AM,35,CNC应用复杂运动控制与曲面加工,3轴加工15x转台15x转台25x转台35x转台45X摆
25、头主轴换刀,9:39 AM,36,成组技术(相似性)GT FMC/FMS/CIM/CIMS(集成)并行工程PE(同步)准时生产JIT(准确)智能制造系统(IM-智能)敏捷制造 AM(灵活)精益生产LP(简化)虚拟制造VM CIPE(重组、标准化)电子商务 EC 网络化制造NM,TQCSEF,企业成功的关键因素,6.基于CNC的新型生产方式-企业新型运作模式和哲理（科学集成）,9:39 AM,37,1)数字化发展,管理数字化(ERP),设计数字化CAD/FEA/PDM,生产过程数字化(CAPP/CAM/CAT),加工装备数字化(CNC/DNC/FMC/CIMS),企业数字化,9:39 AM,38
26、,产品资源库制造资源库知 识 库,区域A,区域B,企业C,企业B,企业A,资源B,网络化制造系统,Internet/Intranet Extranet,平台,PDM ERP SCM CRM,资源A,技术基础体系,资源C,其它资源教育网,2)网络化运行,9:39 AM,39,3)虚拟技术应用(设计、制造、检测、仿真、装配等),9:39 AM,40,管路设计,强度分析,数字预装配,CAM,装配过程仿真,装配过程仿真,通过产品设计手段与设计过程的数字化，缩短新产品开发周期，提高企业产品创新能力。,4)创新设计(以三维CAD为代表),9:39 AM,41,通过企业内、外部管理的数字化，实现制造资源的最
27、优化配置,5)以ERP为代表的企业现代化管理,9:39 AM,42,通过加工装备的数字化、自动化和精密化，提高产品的加工精度和生产效率。,6).以CNC机床为代表的数字化装备(CNC/DNC/FMC/FMS/CIMS),9:39 AM,43,AMPS机电训练系统,数字化工程应用例(1),AMPS PARTS,9:39 AM,44,Car Door Latch Assembly Lines Project,数字化工程应用(2),9:39 AM,45,9:39 AM,46,（AMTB)硬盘马达及磁头定位件装配机,数字化工程应用(3),9:39 AM,47,(ABAAS)（Absorbent Breather Assembly Automated System,数字化工程应用(4),9:39 AM,48,谢谢大家,Thank You,
