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1、数控技术发展和应用,太原理工大学董长双,一、前 言,数控技术是使用计算机对整个机械机械加工过程进行信息处理与控制，达到生产过程自动化的一门技术。是FMS、CIMS的技术基础。数控机床是当代机械制造业的装备主流。数控技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)微电子技术；(7)软件技术等。,二、数控技术的产生,20世纪40年末，John parsons and Frank stulen parsons corporation,（Traverse city,Michigan)提出了数控加工思想。the i
2、dea of using coordinate position data contained on punched cards to define and machine the surface contours of airfoil shapes airfoil 0.0015 inch(0.038mm)1951年4月，美国空军和 MIT伺服实验室签协议，研发数控机床。1952年3月，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。1959
3、年，Keaney and Trecher Co.研制了第一台加工中心（MC),加工中心是具有刀库和自动换刀装置的数控机床。1967年，Mollin Co.研制了第一台柔性制造系统（FMS）(David Williamson)。(System 24,(24hr/day,16hr human worker unattended)IBM1360/140,7 machine tools)柔性制造系统是由加工系统（若干台数控机床和加工中心）、物料运送及管理系统和计算机管理系统组成的自动加工线。,Cincinnati Milling Machine Co.Vertical Hydro-Tel millin
4、g machine292 vacuum tubes,计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system:CIMS),计算机集成制造(CIM)是一种企业生产制造与生产管理进行优化的哲理。这种哲理首先是在1974年美国Joseph Harrington博士在其论文Computer Integrated Manufacturing中提出的。CIM是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其基本思想是：制造企业中的各个部分（即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务）是一个互相紧密相关的整体；整个制
5、造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集、传递、加工和利用的过程，最终产品仅是数据的物化表现。前者体现了集成的思想，它将企业决策、经营管理、生产制造、销售及售后服务有机地结合在一起；后者就是信息制造观的思想。CIMS定义：由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。,计算机集体制造系统体系结构,CIMS：,三、数字控制与数控机床基本概念与分类,基本概念 数字控制（NC，numerical control）GB8129-87,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控系统（NC system）：实现数控技术的机电控
6、制设备；数控机床：装备了数控系统的机床。机床：机床是从金属的毛坯上切削掉多余的材料，使工件具有要求的形状和寸，取得规定的精度和光洁度。普通机床：人工手动操作的机床。机床类别及代号：（JB1838-85）车床（C）钻床（Z）镗床（T）磨床（M）齿轮加工机床（Y）螺纹加 工机床（S)铣床（X）刨插床（B)拉床（L）特种加工机床（D）锯床（G)其他加工机床（Q)（GB/T15375-94）车床（C）钻床（Z）镗床（T）磨床（M）齿轮加工机床（Y）螺纹加 工机床（S)铣床（X）刨插床（B)拉床（L）锯床（G)其他加工机床（Q),数控机床加工过程,零件图,首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将
7、加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。,加工程序,数控装置,伺服系统,机床,数控机床的组成,本图是数控机床的组成框图。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1 输入/输出设备2.控制面板 3 数控装置4 伺服单元5 PLC及接口6 机床本体7 测量装置,伺服单元、驱动装置和测量装置,伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机（鼠笼型三相感应电机），实现零件切削加工运动。要
8、求：高转速（10000r/min），大功率（2.2250kW)，宽调速范围(1:101:1000)。进给伺服驱动装置和进给电机（永磁同步电机）,实现零件切削加工成形运动。要求：定位精度高，响应速度快，调度范围宽，低速大转矩。测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用：保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令。进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令：实现零件加工的切削运动（速度控制）,PLC、机床I/O电路和装置,PLC(Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；19
9、69年，美国数字设备公司（DEC-Digital Equipment Corporation)研制出世界第1台PLC，并在GM公司汽车自动装配线上试用成功。独立式、嵌入式。机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；)功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号控制辅助装置完成机床相应的开关动作并接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。,数控机床物理结构,数控机床的特点,优点：1 适应性强；2 加工精度高、质量稳定；3 生产效率高、经济效益好；4
10、减轻操作者的劳动强度、操作简单；5 有利于生产管理的现代化；6.具有故障诊断和监控能力；问题：1造价较高；2调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；3对编程人员的技术水平要求较高。,数控机床特别适合高精度、复杂零件的加工,80年代的东芝事件1987年5月27日，日本警视厅逮捕了日本东芝机械公司铸造部部长林隆二和机床事业部部长谷村弘明。东芝机械公司曾与挪威康士堡公司合谋，非法向前苏联出口大型铣床等高技术产品。上世纪60年代末，苏联情报机关在美国海军机要部门建立的间谍网不断获得美国核潜艇跟踪苏联潜艇的情报。苏联潜艇的噪音很大，美国海军在200海里以外就能侦测到。1979年底，克格勃高级官员奥西波夫
11、以全苏技术机械进口公司副总经理的身份，通过日本和光贸易股份公司驻莫斯科事务所所长熊谷独与日本伊藤忠商社、东芝公司和挪威康士堡公司接上了头。在巨大的商业利益的诱惑下，东芝公司和康士堡公司同意向苏联提供四台MBP11OS型九轴数控大型船用螺旋桨铣床，此项合同成交额达37亿日元（1850万美圆）。这种高约10米、宽22米、重250吨的铣床，可以精确地加工出巨大的螺旋桨，使潜艇推进器发出的噪音大大降低。为了掩人耳目，苏联没有向日本订购与九轴五联动铣床相配套的计算机控制系统，而是要求挪威国营武器制造公司康士堡贸易公司向东芝公司提供四台NC2000数字控制装置，由东芝公司完成总装后，出口苏联。苏联为此还与
12、康士堡公司单独签订了秘密合同。这种数控装置通常与不受“巴统”限制的两轴机床配套使用，但是只要改变一下配线和电路，就可作为九轴机床的数控装置。,东芝事件,一个月后，东芝公司即向日本通产省申领向苏联出口的许可证。申领书隐瞒了九轴 机床的高性能，伪称产品是用于加工水力发电机叶片的简易TDP70110型两轴机床，从而获得了通产省的出口许可证。这四台精密机床顺利到达苏联并很快发挥作用。到1985年，苏联制.造出的新型潜艇噪音仅相当于原来潜艇的10，使美国海军只能在20海里以内才能侦测出来。1986年10月，一艘美国核潜艇因为没有侦测到它正在追踪的苏联潜艇的噪音而与苏联潜艇相撞。1985年12月，苏联、日
13、本秘密协议当事人之一、东芝公司的熊谷独因与他的雇主发生纠纷而辞职，并愤而向“巴统”主席盖尼尔.陶瑞格揭发了东芝事件。陶瑞格立即要求日方调查此事。日本通产省对东芝公司进行调查时，东芝公司以预先签署的假合同和其它技术文件为证，对此事矢口否认。经过进一步调查，1987年初，美国人掌握了苏联从日本获取精密机床的真凭实据。在美国的压力下，日本警视厅对东芝公司进行突击检查，查获了全部有关秘密资料，并逮捕了涉案人员。在以后的几个月里，美国朝野群情激愤，再三谴责日本，并对东芝公司进行了制裁。当时的日本首相中曾根康弘不得不向美国表示道歉，日本方面还花1亿日元在美国的50多家报纸上整版刊登“悔罪广告”。心惊胆颤的
14、挪威政府除了向美国保证今后决不再发生类似事件外，还关闭了康士堡公司驻莫斯科办事处，并停止了该公司正在与东欧国家进行的全部贸易。不久后，挪威又以从事窃取科技情报的间谍活动为由，驱逐了苏联一名外交官和三名贸易代表。静音潜艇的技术,东芝事件,巴黎统筹委员会(简称“巴统”)两有趣事情1.苏工程师晚上安装调试两台机床2.30岁挪威电脑技师 波路斯塔特喜结良缘,数控机床的分类,从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：按运动控制轨迹分类1.点位控制数控机床 2.直线控制数控机床 3.轮廓控制数控机床,按伺服系统的类型分类,1 开环控制数控机床 一般用于经济型数控机床和旧机床改造,2 闭环控
15、制数控机床理论上，该系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置精度，但位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统的不稳定，因此要求系统的动态特性要求高，闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度。主要用于精度要求很高的镗铣床，超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床。,3 半闭环控制数控机床半闭环数控系统精度比开环系统好，比闭环差，同时具有结构简单，调试方便等特点，在现代数控机床中得到广泛应用。,按数控系统体系结构分类,1 传统封闭式数控系统 早期开发的封闭系统结构数控系统，系统的扩展、改变必须求助于开发商。目前占领着数控系统的大部分市场。
16、如FUNUC 0系列、MITSUBISHI M50、Simens810等。2“PC”嵌入“NC”结构数控系统 制造商在既不愿放弃多年来积累的数控技术资源、又想利用计算机丰富的软件资源的情况下开发的产品。具有一定的开放性，但NC体系结构不开放，用户无法介入系统核心。如FUNUC 16i、18i、21i，Simens840D，Num1060等。3“NC”嵌入“PC”结构开放数控系统 PC+运动控制卡构成。如PMAC-NC数控系统（美国Delta Tau),MAZATROL 640CNC(MAZAK)4 全软件型开放数控系统 系统的计算机数控软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是与伺服驱动装置和外部之
17、间的标准通用接口。如 Open CNC（美国DSI）PA8000NT(德国 Power Automation),按工艺用途分类,1.切削加工类：如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。2.成型加工类：数控折弯机、数控弯管机、数控冲压机等。3.特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。4.其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。5.虚拟轴机床、快速成型机,虚拟轴机床,虚拟轴机床(Virtual axia machine tool)也称并联机床（Parallel kinematics machine tool),虚拟轴机床（Virtual Axis M
18、achine Tools）实质上是机器人与机床的混合物，其在结构上完全不同于传统的数控机床，具有模块化程度高，结构简单，速度、动态响应快，造价低等优点。克服了传统的机床设备一些无法避免的固有缺陷，如：非对称、复杂的结构，笨重的床身立柱，单一的加工能力，较低的动态响应特性等。1994 年在 IMTS 一经展出，就在世界范围内引起轰动，多家媒体把这种机床称为“机床结构的重大革命”，“21 世纪的新一代数控加工设备”。不过数年时间，这种机床就得到了快速的发展。目前，国内已有许多单位对并联机构装备和工艺技术开始进行了研究。清华大学与天津大学合作于 1997 年底研制出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型
19、样机，并于 1998 年 4 月在第四届中国机床工具商品展览交易会上展出，受到各界广泛重视。,虚拟轴机床特点 和用途：,机床特点：由于采用珩架结构，机床重量轻 高刚度、高精度、高速度及高加速度 实现 6 自由度空间位姿灵活变化 机床用途：特别适合于曲面加工，如螺旋桨叶片、汽轮机叶片、复杂光学透镜、模具型腔等复杂三维曲面。更换执行机构后可用于移载、装配、能束加工等。,虚拟轴机床基本理论,虚拟轴的设计理论。该理论包括6个伸缩杆的长度决定动平台位置的一般理论及特例、虚拟轴机床的运动分析、虚拟轴机床的力学分析等。虚拟轴机床的控制技术。虚拟轴机床机械结构简单是以控制系统的复杂为条件的。虚拟轴机床的误差分
20、析技术。虚拟轴比传统机床具有更高的精度，但是存在影响加工精度的因素。,快速成型（Rapid Prototyping RP),快速成型是一种快速生成模型或者零件的制造技术。在计算机控制与管理下，依靠已有的CAD数据，采用材料精确堆积的方 式，即由点堆积成面，由面堆积成三维，最终生成实体。依靠此技术可以生成非常复杂的实体，而且成型的过程中无需模具的辅助。快速成型技术的研究始于1970年代，但是直到1980年代末才逐渐出现了成熟的制造设备。美国3M公司的Alan J.Herbert（1978年）、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W.Hull（1982年
21、）、日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二（1993年），各自独立地提出了快速成型的技术设想，实现的材料和方式有差异，但均以多层叠,加并固化来产生实体。在1986年，Charles W.Hull在美国获得了光固化立体造型设备（SLA）的专利，标志着快速成型技术即开始进入实用阶段，在设计领域及汽车工业上有广泛应用。目前已有十余种不同方法，如光固化立体造型（SLA）、层片叠加制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积造型（FDM）、掩模固化法（SGC）、三维印刷法（TDP）、喷粒法（BPM）等。其中SLA是使用最早和最广泛的技术，约占全部快速成型设备的70左右。工艺过程：实体造型的构建：三维建模
22、，反求工程。实体造型的离散处理：将复杂的模型用一系列的微小三角形平面来近似模拟，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法矢量来描述（STL格式文件）实体造型的分层处理：成型高度方向上用一系列固定间隔的平面切割被离散过的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔可以小至亚毫米级。成型加工：成型零件的后处理：去除支撑，另外还可能需要进行打磨、抛光、涂上油漆，或在高温炉中烧结以提高强度,光固化立体造型（SLA）,该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。在计算机控制下的紫外激光，沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描
23、到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。特点：有较高的精度和较好的表面质量，能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。,层片叠加制造（LOM）,层片叠加制造工艺是将单面涂有热溶胶（在被加热状态下可产生粘性）的箔材（纸、陶瓷箔、金属箔等）通过热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层箔材再叠加在上面，通过热压装置和
24、下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，在每一层进行切割和粘合的过程，直至整个零件模型制作完成，,选择性激光烧结（SLS）,这种工艺也是以激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所
25、有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未获得实用。,三维印刷工艺（3DP）,三维印刷工艺，也称为三维打印。1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty又多次对该技术进行完善，形成了今天的三维印刷快速成型工艺。通过这个工艺，在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚），供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺
26、平并被压实。喷头在计算机控制下，按照下一个截面的二维几何信息进行运动，有选择地喷射粘结剂，最终构成层面。原理和打印机非常相似，即为三维打印这一名称的由来。铺粉辊铺粉时多余的粉末被粉末收集装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结，从而生产制品。三维P工艺与SLS工艺都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。其最大的不同之处在于三维P工艺不用将粉末材料熔融，而是通过喷嘴本身会喷出粘合剂，将这些材料粘合在一起。,熔融沉积造型（FDM）,1993年美国Stratasy公司开发出了第一台基于熔融沉积造型的设备。将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的
27、二维几何信息。FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，呈现半流体性质，在计算机控制下，沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。FDM工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料并没有固定的熔点，需要精确控制其温度。,快速成型（原形）特点,使用三维扫描和快速成型技术，将原作进行复制，可以保留极其复杂的细节。可生成高复杂度的产品。产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关，相比传统制造方式（如铸造），使用快速成型技术可以制作出外
28、形极为复杂的产品，对于传统工艺来说，一些特殊的形状无法完成。便于修改，生产迅速。整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，可随时修改数据后进行制造，尤其适用于产品设计阶段的模型制造。固定的制造成本。传统的模型制作往往先需要模具，需要耗费大量时间，且模具的制造成本往往较高。快速成型技术的单个成品制作成本往往高于使用模具进行批量生产的平均成本，但是无需模具的一次性投资，对于只需要小规模生产的情况（比如在新产品开发中的设计模型），使用快速成型技术可以降低成本。固定的的生产效率。使用快速成型技术生产任何产品均使用雷同的材料堆积方式，对某一特定的产品的生产而言可能不是最优的方式。比如，生产时间会随
29、着产品体积的增大而迅速增加。,按联动轴数分,2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。,按功能水平分类,1.高级型数控系统 2.普及型数控系统 3.经济型数控系统,三、数控机床的选型,1.机床类型的选择,2.数控机床与数控系统的指标、功能,数控机床的主要指标：（1）规格指标 行程范围、工作台面尺寸、承载能力、主轴功率和进给轴扭矩、控制轴数和联动轴数（2）精度指标 定位精度（一般定位精度0.01mm、最高0.4m）重复定位精度（一般重复定位精度 0.005mm、最高0.3m）分度精度 回零精度（3）
30、性能指标 最高主轴转速和最大加速度 最高进给速度和最快移动速度（4）可靠性指标 平均无故障工作时间（MTBF）平均修复时间（MTTR）,数控系统功能,（1）控制功能 控制轴数和联动轴数（2）准备功能 指定机床的动作方式（3）插补功能 现在数控系统不仅有直线、圆弧插补功能，而且有抛物线、椭圆、螺旋线、样条曲线 插补功能。（4）分辨率（脉冲当量）对控制系统，分辨率是可以控制的最小位移量它具有以下两方面的含义：a 表示数控系统发出一个指令脉冲，经伺服系统驱动机床上的工件（或刀具）移动的最小位移量。称外部脉冲当量。b 表示内部运算的最小设定单位，称内部脉冲当量，比外部脉冲当量小得多。数控系统在输出位移
31、量前会自动将其转换成外部脉冲当量。（5）进给功能 a 进给速度控制 mm/min b 同步进给速度控制 c 进给倍率控制（6）自动加减速功能 机械设备状态改变时，系统具有自动加减速功能，避免或减小冲击。（7）主轴功能 a 主轴转速控制 r/min b 恒线速度控制 c主轴定向控制 d C轴控制 e 主轴倍率控制,（8）辅助功能 控制机床辅助装置通断（如主轴启停、转向、刀库启停、切削液启停等）（9）刀具管理功能 实现刀具几何尺寸和刀具寿命管理。（10）补偿功能 a 刀具半径和长度补偿 b 传动链误差补偿 c 非线性误差补偿（11）程序编制功能 a 手工编程 b 自动编程 语言式自动编程：APT(
32、自动编程工具)几何描述；运动描述；后处理描述；辅助描述。CAD/CAM（计算机辅助设计、计算机辅助制造）图形交互编程：（UG,pro/E等）（12）固定循环功能 将实现典型动作的程序预先编好并存储到内存中，用代码指定，加工时 调用这类已成为固定循环指令的代码，可大大简化编程。（13）人机对话功能 数控系统配有薄膜场效应晶体管（TFT）显示屏，实现字符、图形显示，以便用户的操作和使用。（14）自诊断功能 a 开机自诊断 b 在线自诊断 c 离线自诊断 d 远程通信诊断（15）通讯功能 RS-232接口、Internet接口,四、数控技术的发展,计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。“六
33、代”1 电子管，1952，Parsons Corp,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；(292电子管）2 晶体管、印刷电路，1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心MILWAUKEE-MATIC。3 小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。1967英国最初的FMS.4 通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成。5 微处理器，1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人
34、们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。6 基于PC（PC-BASED）的数控,20世纪80年代，基于PC开发式数控系统。,数控技术发展趋势,1 高速高精度 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速15000100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。,高速切削加工,1931年德国切削物理学家萨洛蒙(S
35、alomon)提出高速切削理论。在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削速度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。但是，当切削速度进一步提高，超过这个范围后，切削温度反而降低。同时切削力也会大幅度下降。通常把切削速度比常规切削速度高出510倍以上的切削叫做高速切削。车削:7007000m/min;铣削：3006000m/min;钻削：2001100m/min;磨削：150360m/s;与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿
36、命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。,Salomon切削速度与温度实验曲线,CPU采用64位专用总线结构，采用全数字伺服、运用AI（Advance Interpolation)HRV(High Response Vector)简易指令集CPU（RISC）等。（FUNUC SERVO HRV4 伺服位置以纳米为单位采样，使用i脉冲编码器16000000p/r。）,高速：进给速度：80m/min 快进速度：120m/min 主轴转速：100000r/min 加速度：2g 换刀时间：0.4s CINCINNAIT公司 HyperMach机床：进给速度：60m/min 快
37、进速度：100m/min 主轴转速：60000r/min高精度：普通级：5m 精密级：1m 超精密级：0.01m,2 智能化,数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：（1）智能化适应控制技术（随加工过程切削条件的变化，自动地调整切削用量，实现加工过程最佳化）,（2）自动编程技术,（3）具有故障自动诊断功能,（4）智能化交流伺服驱动装置,智能化交流伺服驱动装置包括智能主轴交流伺服驱动装置和智能进给交流伺服驱动装置。能自动识别电动机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行效果。,（5）加工参数智能优化与选择,以加工工艺参数数据库为支撑，建立专家系统，通过它提供优
38、化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，达到提高编程效率和加工工艺技术水平。,智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。,专家系统,先是采集领域专家的知识，然后将知识分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理作出决策。,模糊推理,模糊推理又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。,人工神经网络,神经网络是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟，由数量巨大的以神经元为主的处理单元互连构成，通过神经元的相互作用来实现信息处理。,3 体系结构开放化、柔性化
39、,传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。概念最早见于1987年美国NGC(Next Generation Controller)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。开放式体系结构数控系统是开放式、高性能、智能化、网络化数控系统的统称。其核心是开放式，既系统各模块与运行平台无关、系统中各模块之间的互操作性及通信接口的统一性。现代开放
40、式数控系统的体系结构技术要求：1）采用通用性开放式闭环控制模式 2）采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式体系结构，利用开放式的数控技术软、硬件平台，可视需求通过重构、编辑调整系统的组成，便于“剪裁”，扩展和生级；功能可专用也可通用，可组成不同挡次、不同类型、不同集成程度的数控系统；功能价格比可调，可集成用户的技术诀窍。体系结构满足了开放式要求，同时也具有了柔性化。,4.交互可视化,为使设备易操作和维修，数控系统应具备以下三个特点：1）用户界面图形化，可通过窗口和菜单进行操作，以便蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态显示、图形模拟、图象动态跟踪和仿真及不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实
41、现。2）计算可视化，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、图象、动画等可视信息，使系统满足参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示，以及加工过程的可视化仿真和自动编程设计等要求。3）数控编程自动化，CAD/CAM图形交互自动编程和CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程是数控技术发展的新趋势。,SIMENS840D Shopmill、Shopturn 软件。FANUC系统采用“manual guide I”辅助编程，操作者可以根据蓝图输入图形尺寸，无需G代码编程，使数控编程更接近工程语言、用图形符号说话。齿轮加工软件 多轴联动刀具磨软件凸轮轴及曲轴加工软件法向矢
42、量插补软件2012年国家自然科学二等奖Z-109-2-02复杂曲面数字化制造的几何推理理论和方法 丁 汉(华中科技大学)，朱向阳(上海交通大学)，尹周平(华中科技大学)，朱利民(上海交通大学)，王 煜(香港中文大学),5.通信网络化,为了实现机床联网，实现中央集中控制的群控加工，数控系统应该有强的网络功能，通过联网，可以在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上，可进行远程化控制和无人操作，实现信息共享、兼容多种通信协议，既能满足单机需要，又能满足柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统对基层设备的要求，同时便于形成“全球制造”的基
43、础单元的需求,6.功能复合化,复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）；镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；铣镗钻车复合复合加工中心；可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；集车削和激光加工于一体的机床；测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量,多功能复合化机床消除了车床、铣床、磨床、激光设备等之间的传统差异。,（1）车削为主 德国INDEX公司的TRAUBTNX65多功能数控车削中心，具有双主轴、4个刀塔，第二主轴可作Y轴移动；德国DMG公司的TWIN65双主轴车削中心，上下各有一个转塔刀架，可实现6面加工，第二
44、主轴可作横向移动等。,（2）加工中心的复合化 日本MAZAK公司的新机床为Integrex e-1550V型复合车铣加工中心，它将5轴联动加工中心的功能和CNC数控车削中心的功能融合到了一起。在市场中，Mazak公司的Integrex系列机床被看作是多功能机床的同义词。,（3）磨削为主 该类复合机床的代表为瑞士MAGERLE公司的MGR立式车磨复合加工机，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车；日本森精机制作所的IGV-3NT磨头可回转式立式磨床，可在一次装卡下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33万能数控磨床，可以在一次装卡下实现多线螺纹加工和内外圆、端
45、面加工。,7.数控机床机械结构创新,1）直线电机取代滚珠丝杠,传统的滚珠丝杠传动链结构需要丝杠轴承座，联轴器等，结构复杂，传动链中精度损失多（轴承游隙、丝杠螺距误差、反响间隙等），而采用直线电机可以克服传动链中丢失的精度，另外从电气角度看，参数设置更直接、简便、精确。,平面电机,2）电主轴取代主轴箱,电主轴实现了变频电机和机床主轴之间的“零传动”，这是数控机床传动的重大变革。它克服了传统机床皮带或齿轮传动的主轴系统在高速下打滑、振动和噪音大、惯量大等弊端，可良好地实现主轴转速的高速化，有效改善主轴高速综合性能。,3）重心驱动,从力学角度分析，在推动物体移动时，如果作用点不在物体重心，则会产生一
46、个扭矩，对机床定位来讲是一个不稳定扰动因素，影响轮廓加工精度和稳定性。通常单滚珠丝杠驱动力与工件受力点总是随着加工轨迹变化而变化的，既工作台所受的扭矩总是存在的。采用双丝杠驱动（重心驱动）能很好地解决上述问题，最显著的作用就是减少振动，提高加工精度。,振动随时间的变化如图表所示。重心驱动设备很快就消除了振动，反之其他设备的振动则持续了较长时间。使用位于振动设备顶端的刀具加工工件，会造成加工面质量的明显恶化。另外，如果在振动时使用刀具切割工件，也会轻微磨损刀尖。因此振动对刀具寿命来说实为大敌。更严重的是，如果发生振动，数控装置会将其作为正常指令之外的动作进行检测，而为了修正错误又要驱动进给电动机
47、。如此反复，进一步加剧了振动。,DCG有,DCG无,森精机公司的车铣复合加工中心,4.现有机械结构的变革,1）内冷式滚珠丝杠 高速数控机床用新HMC系列滚珠丝杠。HMC系列是NSK公司于1997年推出的，由于采用了“空心强冷”技术，带来了滚珠丝杠的革命。现在，NSK公司又对HMC系列进行了改进，滚珠采用了新的循环方式，在原有高速的基础上，实现了静音、振动小的环保性。2）内置铣削电动机转塔 传统的铣削机构涉及传动链、齿轮等机械部件，结构、制造工艺复杂，装置会产生大量的热和振动。而带内置铣削电动机转塔结构，最大程度上减少了热量和振动的产生，避免了传统损耗，提高了加工精度和切削性能。3）箱中箱、台中
48、台结构 4）衍架结构,Table-in-Table(台中台)结构,采用框架式的箱形结构，将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中，达到提高刚度，减轻移动部件质量的目的，以适应60m/min以上快速移动和进给的要求。,德国DS-Technology公司的Ecospeed加工中心,将一个回转体嵌入另一个回转体中，例如，在B轴工作台中配置C轴工作台，就构成了双坐标工作台的台中台结构(Table-in-table),德国EEW衍架结构,HSM-Model可按客户的场地空间大小和使用需要组合不同的衍架跨距、立柱高度和间距，最大加工范围可达151m9m4.25m。,8.STEPNCSTEP（ISO10303
49、）（Standard for the Exchange of Product Model Data ISO 10303）,(1)目前CNC系统现状:绘制描述加工零件几何形状、尺寸公差和材料等属性的CAD图纸，并以符合STEP标准的IGES格式存放到文件；将该IGES文件读入CAM系统，后置处理成RS274D（ISO6983）标准定义的G代码；由CNC读入G代码文件进行数控加工。,可见目前CNC系统基于IGES和ISO6983标准,STEP（ISO10303）（Standard for the Exchange of Product Model Data ISO 10303）是关于产品数据表示和
50、交换的国际标准，提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的数据，实现各个工业领域产品信息的标准化。,IGES建立CAD数据输出的统一接口，使不同数据格式的CAD之间可以交换数据。其本质特征只是交换数据，不能传递工程图纸的真正意义。CAM与CNC间采用ISO6983，用G、M、S代码指定机床轴运动。其特征是面向加工过程，描述如何（HOW）加工。,这种始于60年代穿孔纸带时期的数控标准，已不能够满足当前数控技术高速发展的需要。,缺点：,按ISO6983由CAM生成的代码，数据量极大。不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能。设计信息生成G代码的同时丢失了尺寸公差、精度要求、表面
