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1、现代数控制造执行系统技术与应用读书报告数控系统发展趋势学号： 姓名： 专业： 数控系统发展趋势1、 数控系统的概述1.1 概述自1952年美国研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术的发展十分迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控(CNC)，它是综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感、测试、机械制造等技术而形成的一门边缘学科。近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动、电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，
2、是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。机床数控系统，即计算机数字控制（CNC）系统是在传统的硬件数控(NC)的基础上发展起来的。它主要由硬件和软件两大部分组成。通过系统控制软件与硬件的配合，完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等。CNC系统利用计算机来实现零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、插补运算、公英制变换、图形显示和固定循环等。使数控机床按照操作设计要求，加工出需要的零件。1.2 发展历程数控系统也由当初的电子管式起步，
3、发展到了今天的开放式数控系统，经历了以下几个发展阶段: 分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路微机式的数控系统。第一代数控系统，以MIT 研制的三坐标数控系统为标志，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。第二代数控系统，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。第三代数控系统，60 年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，推动了数控系统的进一步发展。上述三代，都属于硬逻辑数控系统，称为NC（Numberical Control）。1970 年在芝加哥展览会上，首次展出了采用小型计算
4、机的计算机数控CNC（Computer Numberical Control）装置，标志着计算机数控技术的问世，数控系统发展到了第四代。第五代数控系统，20 世纪70 年代后期，中、大规模集成电路技术所取得成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生，并逐步应用于数控系统。进入90 年代，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。1.3 数控系统的组成是由系统程序、输入输出设备、通信设备、数控装置、可编程控制器、伺服驱动装置和测量装置等组成。数控装置是数控系统的核心，数控装置有两种类型：一是完全
5、由硬件逻辑电路的专用硬件组成的数控装置即NC 装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。由于计算机技术的不断发展，尤其是微处理器和微型计算机应用于数控装置后，现在NC装置已逐步被CNC装置所取代。数控系统的硬件除了一般计算机具有的CPU、EPROM、RAM接口外，还具有数控位置控制器、手动数据输入(MDA)接口、视频显示(CRT 或LCD)接口和PLC 接口等。所以CNC 装置是一种专用计算机。目前CNC系统大都采用体积小，成本低，功能强的微处理机。系统主要由微机及其相应的I/O 设备、外部设备、机床控制及其I/O 通道组成。数控系统的软件分为管理软件和控制软件两种。管理软
6、件用来管理零件程序的输入、输出、刀具位置、系统参数、零件程序显示、机床状态及报警，故障诊断等。控制软件由译码、插补运算、刀具补偿、速度控制、位置控制等软件组成。 系统程序存于计算机内存储器。所有的数控功能基本上都依靠该程序来实现。硬件是软件活动的物理基础。而软件则是整个系统的灵魂，整个CNC装置的活动均依靠系统软件来指挥。2、国内外数控系统的发展现状2.1 国外数控系统的发展现状在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。国外的主要数控系统制造商有西门子（Siemens）、法兰克（FANUC）、三菱电机（Mitsubishi Electric）、海德汉（HEIDENHAIN
7、）、博世力士乐（Bosch Rexroth）、日本大隈（Okuma）等。纳米插补与控制技术已走向实用阶段。纳米插补将产生的以纳米为单位的指令提供给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工表面的平滑性。将“纳米插补”应用于所有插补之后，可实现纳米级别的高质量加工。在两年一届的美国芝加哥国际制造技术（机床）展览会（IMTS 2010）上，法兰克就展出了30i/31i/32i/35i-MODEL B数控系统。除了伺服控制外，“纳米插补” 也可以用于Cs 轴轮廓控制；刚性攻螺纹等主轴功能。西门子展出的828D 所独有的80bit浮点计算精度，可使插补达到很高的轮廓控制精度，从
8、而获得很好的工件精度。此外，三菱公司的M700V 系列的数控系统也可实现纳米级插补。机器人使用广泛。未来机床的功能不仅局限于简单的加工，而且还具有一定自主完成复杂任务的能力。机器人作为数控系统的一个重要应用领域，其技术和产品近年来得到快速发展。机器人的应用领域，不仅仅局限于传统的搬运、堆垛、喷漆、焊接等岗位，而且延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域，从传统的减轻劳动强度的繁重工种，发展到IC 封装、视觉跟踪及颜色分检等领域，大大提高了数控机床的工作效率。典型的产品有德国的KUKA，FANUC 公司的M- 1iA、M- 2000iA、M- 710ic。智能化加工不断扩展。随着
9、人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。应用自适应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息，并自动调整系统中的相关参数，改进系统的运行状态；车间内的加工监测与管理可实时获取数控机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床状态，使相关维护提前，避免事故发生，保证其不稳定工
10、况下生产的安全，减少机床故障率，提高机床利用率。应用先进的伺服控制技术，伺服系统能通过自动识别由切削力导致的振动，产生反向的作用力，消除振动。应用主轴振动控制技术，在主轴嵌入位移传感器，机床可以自动识别当前的切削状态，一旦切削不稳定，机床会自动调整切削参数，保证加工的稳定性。CAD/CAM 技术的应用。当前，为了使数控机床操作者更加便利地编制数控加工程序，解决复杂曲面的编程问题，国际数控系统制造商将图形化、集成化的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机互动性的主要途径。最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床加工提供了有力的支持，可以大幅地提高加工效率。ESPRIT、CIMATRO
11、N等一些著名CAM软件公司的产品除了具备传统的CAM软件功能模块，还开发了多任务编程、对加工过程的动态仿真等新的功能模块。2.2 国内数控系统的发展现状我国数控技术起步于1958 年，发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段是封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了较大的进步。第三阶段是实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。目前我国数控技术的发展已由研究开发阶段向推广应用阶段过渡
12、，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。现已出现了一批能百台成批量生产数控机床、数控系统的企业。国内数控系统基本占领了低端数控系统市场，在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。其中，武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司、北京航天数控系统有限公司和上海电气（集团）总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统，分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。近期，武汉重型机床集团有限公司应用华中数控系统，成功开发了CKX5680 数控七轴五联动车铣复合加工机床。国内主要数控系统生产基地有华中数控、航天数控、广州数控和上海开通数控等。国内的数字化交流伺服驱动系统产品也有了很大
13、的发展，已能满足一般的应用，并能与进口产品竞争，占领了国内的大部分市场。伺服系统和伺服电机生产基地主要有兰州电机厂、华中数控、广州数控、航天数控和开通数控等。2.3 国内数控系统的发展存在的问题然而，由于我国原有数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差，技术积累较少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产中高档数控系统在性能、功能和可靠性方面与国外相比仍有较大的差距，限制了数控系统的发展。主要问题有以下几方面：技术创新成分低、消化吸收能力不足。技术引进是加快我国数控技术发展的一条重要途径，但引进技术后要实现从根本上提高我国数控技术水平，必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强，不
14、但无法摆脱对国外技术的依赖，而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用。技术创新环境不完善。我国尚未形成有利于企业技术创新的竞争环境。企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力，其主动技术创新意识不强。企业还没有建立良好的技术创新机制，绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态，很难取得高水平的科研成果。产品可靠性、稳定性不高。可靠性、稳定性上与国外技术相差较大，影响了产品的市场占有率。网络化程度不够。我国数控技术的网络化程度不够，其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。体系结构不够开放。大部分数控产品体系结构不够开放，用户接口不完善，少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产
15、品，只是停留在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融入到系统中，无形中流失了很多对数控技术改进、创新和完善的资源。服务水平与能力欠缺。一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，只注重推销而不注重售前与售后服务，导致用户对制造商缺乏信心。3、数控系统的发展趋势3.1新一代数控系统采用开放式体系结构进入20世纪90年代以来,由于计算机技术的飞速发展,推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智能化、网络化方向发展。近几年,
16、许多国家纷纷研究开发这种系统,如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC,欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA,日本的OSEC计划等。一些开发研究成果已得到应用,如Cincin2nati - Milacron 公司从1995 年开始生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100 系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术,如多媒体技术,实现声控自动编程,图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向发展,每个芯片上可以集成更多个晶体管,使系统体积更小、更加小型化、微型化,可靠性大大提高。利用多CPU的
17、优势,实现故障自动排除;增强通信功能、提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统,其硬件、软件和总线规范都是对外开放的,由于有充足的软、硬件资源可供利用,不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持,而且也为用户的二次开发带来极大方便,促进了数控系统多档次,多品种的开发和广泛应用,既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统,又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统,开发生产周期大幅缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级,结构上不必变动。3.2新一代数控系统控制性能大幅提高随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制，模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动
18、编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电动机驱动系统已实用化。总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作
19、保证。为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：1) 高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。新一代数控机床(含加工中心)只有通过高速化来大幅度缩短切削工时才可能进一步提高生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。2) 高精度从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力
20、发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( 10 nm)，应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车，铣) 、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工,微细电解加工和各种复合加工等) 。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，大力发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。当前，机械加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了1倍，达到5m；精密加工精度提高了2个数量级；超精密加工精度进入纳米级( 0. 001 m)；主轴回转精度要求达到0.
21、 010. 05m；加工圆度为0. 1m；加工表面粗糙度Ra = 0. 003m等。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能，质量和可靠性，减少其装配时的工作量，从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从3 5 m提高到1 1. 5m。3) 高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性1个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作2班
22、的无人工厂而言，如果要求在16 h内连续正常工作，无故障率P ( t) 99%的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3 000h。MTBF大于3 000 h，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别巨大，我们只对1台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10 1(数控系统的可靠比主机高1个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33 333. 3 h，而其中的数控装置，主轴及驱动等的MTBF就必须大于10 万h。当前国外数控装置的MTBF值已达6 000 h以上，驱动装置达30 000 h以上。4) 模块化、专门化与个性化机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比
23、显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种，小批量的特点，机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化、个性化是近几年来特别明显的发展趋势。5) 智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制，电动机参数的自适应运算，自动识别负载自动选定模型，自整定等；简化编程，简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断，智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。6) 柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机，加工
24、中心和数控复合加工机床)，线( FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段车间独立制造岛,FA)，体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓和完善； CNC单机向高精度,高速度和高柔性方向发展；数控机床及其柔性制造系统能方便地与CAD /CAM /CAPP /MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。参考文献1
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