数控技术发展趋势.doc

党建、教学与科研学术论坛Academic Forum of Party Construction, Teaching and Since & Technology Study文章编号：(编辑给出)数控技术的现状及发展趋势范绪杰1，(1.沈阳工业大学大学 机械工程学院，沈阳 110870；辽宁省)摘 要：目的:了解国内外数控技术现状及发展趋势，对外来数控技术发展做出预测。方法:通过了解新兴技术及其未来发展前景和对已有的传统成熟技术作比较。结果:本文简要介绍了国内外数控技术的现状及发展动态，以及面临的问题。结论:只有了解数控技术的发展方向，掌握先进数控技术，才能改变我国数控技术落后的现状。关键词：数控技术；伺服电机；用电主轴；并联机床；发展趋势 The actuality and tendency of Number Control Technology Fan xu jie，（1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology，Shenyang, China; Correspondent Author：Fan xu jie, 811409611）Abstract：Purpose: understand the tendency and actuality of Number Control Technology,forecast the future Number Control Technologys development. Means: though acquainting new technology and its development perspectives , comparing with traditional and mature technology. Result: this article mainly tells us about the tendency of Number Control Technology of domestic and Other Overseas , and some problems which we will face. Conclusion: only understand the tendency of Number Control Technology and grasp advanced technology,will us change the problem which we are behindhand in Number Control Technology.Key words：number nontrol nechnology；actuating motor ;Motor Spindle ；Parallel Machine Tool ；tendency发表状态：已发表(请注明发表期刊/年/期/页码)/已录用(请注明录用期刊)/已投寄/首次公开.基金项目：项目名称（编号）; 项目名称（编号）.作者简介：第1作者(出生年)，性别，籍贯(省、市/县)，职称，学位，主要从事、的研究；通信方式： ，E-mail: ，联系电话: .请尽量以学生为第1作者，导师为第2作者，其他作者在后.1.数控技术国内外现状及发展趋势 1.1数控技术国内外现状随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各工业大国不惜投巨资，对现代制造技术进行研究开发。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，其从发明到现在已有近50年历史，按电子器件可分为五个发展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。数控技术集高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性化、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的变革，由专业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、搞笑控制，加工过程可以自动修正，调节与补偿各项系数，实现了在线诊断和智能化故障处理。我国的数控系统大多是传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工变量大多以经验固定参数形式事先设定，加工程序实际是在手工方式或通过CAD/CAM自动编程之后进行。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。在复杂的加工环境下，不可能做到实时动态调整。2.1国内外数控技术发展趋势2.1.1性能发展方向速度、效率和精度是机械制造技术的关键性能指标。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，同时采用改善机床动态、静态特性等有措施，机床将能沿着更高性能发展方向不断前进。 实时智能化。科学发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着实时响应的方向发展，而实时系统也朝着具有智能行为的，跟复杂的应用发展，由此产生实时智能控制这一新的领域。柔性化包含两方面：数控系统本身和其采用的模块化设计。未来的数控系统的功能覆盖面将更大，可剪裁性更强，可以满足不同客户的需要。工艺复合性和多轴化也将是未来数控技术发展的趋势，这样可以减少工序和辅助时间，从而降低成本。2.1.2功能发展方向 用户界面图形化。为了使数控系统和使用者交流起来更加方便，未来的用户界面将会变得更加图形化。借助INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化和多媒体等技术的日益成熟，图形用户界面将会成为更多非专业人士的首选。人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形动态跟踪和仿真等。 科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，是信息交流不再局限于文字语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。2.1.3体系结构的发展 集成化。未来的数控系统将会采用高度集成化的CPU、RISC芯片和大规模的可编程集成电路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。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可将基本模块，如CPU、存储器等，做成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能剪裁和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。网络化。通过使机床联网可以实现远程控制和无人控制，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行。通用型开放式闭环控制模式。采用通用型计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于剪裁、扩展和升级。2.伺服电机的现状及发展趋势2.1交流化、数字化、智能化2.1.1开环控制系统 步进电机可以用脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电机在加工精度、速度变化范围、低速性能方面不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。因此在精度要求不高的场合可以采用步进电机，其高可靠习性、低成本都是非常有利的。2.1.2半闭环和闭环位置控制系统 以直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可采用脉冲编码器内装与电机内部，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置、速度检测器件构成半闭环位置控制系统，也可采用直接安装在工作台上的光栅或感应同步器作为位置检测器，从而构成高精度的全闭环位置控制系统。 采用卡尔曼滤波器和状态观察器来实现在线辨识电动机参数。如将各种智能控制理论有机的结合起来，必将掀起交流伺服控制的一场革命。传感器检测技术的发展也极大的提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。普遍采用的霍尔传感器响应时间小于1微秒，这将大大提高伺服系统的灵敏性。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器。未来的伺服电机即使在小于1微米的转动时也显得平缓无爬行。以1GBT（绝缘栅双极性晶体管）和IPM（智能功率模块）等新型电力电子器件为基础的新一代高载波、低噪声变频器的开发，以及新的控制软件的介入，把变频调速引入了新的领域，使原来仅用于开环控制的变频器演变成了既能用于开环控制，也能用于闭环控制的通用型驱动器。通用型驱动器配置有大量参数和20多个菜单功能，便于用户在不改变硬件配置条件下，方便设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式。2.2机床大功率电主轴的高速化、一体化2.2.1高速化随着数控机床的主轴、进给系统等功能部件的突破，其主轴转速和进给速度都大幅度提高。日、欧、美各国竞相开发应用新一代高速数控机床。意大利某公司数控铣床电主轴转速最高可达7500r/min ，功率4kw。工作台的移动速度（进给速度），在分辨率为1微米时，在100m/min,（有的在200m/min)以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上。超高速加工将会是未来机加的主流方向，将会使制造技术面临第二次革命。超高速机床 是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴单 元则是超高速机床的“核心”部件，它的性能直接决定了机床的超高速加工性能。最佳适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转 子直接装入主轴组件的内部，形成电主轴 ，实 现机床主轴系统的一体化、“零传动”。电主轴具有结构紧凑 、重量轻、惯性小 、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡避免振动和 噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。2.2.2一体化电主轴一体化所融合的技术：高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部 分,理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷滚动轴承耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；油雾润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承 。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热；却装置：其主要作用是为了给电机散热，通常是给电机外壁通循环冷却剂，从而达到冷却的目的；脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到360000脉冲/转。3.1直线伺服进给技术已趋成熟传统的滚珠丝杠驱动加工虽然加工精度高，实现高速化的成本也较低，但其毕竟是机械传动，势必存在弹性变形，摩擦等不可避免的误差。自从93年机床运用直线电机直接驱动，它不仅保留了滚珠丝杠传动的高速、高精特点，还表现出其独特的优点。高刚度:直线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。更宽的速度范围:现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达1:10000以上。加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。运行平稳，位置精度高,基本上取决于位置反馈检测元件,无行程限制。采用模块结构，可接长适应不同行程要求采用直线电机直接驱动。省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差，减少维护工作。轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。因此未来直线电机直接驱动势必替代滚珠丝杠驱动。3. 用电主轴的现状及发展趋势3.1电主轴结构及工作原理 图一为电主轴的机构简图，其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴，从而实现电动机、主轴一体化。 电主轴较传统的机床主轴相比有很多优越性，主轴由内装式电动机直接驱动,省去了中间传动环节,具有结构紧凑、机械效率高、噪声低等优点。采用交流变频调速和矢量控制,输出功率大,调整范围宽,功率转矩特性好。机械结构简单，转动惯量小，可实现很高的速度和加速度及定角度的快速准停。主轴运行的更平稳，主轴使用寿命更长。3.2国内外电主轴技术的发展趋势国外高速电主轴技术由于研究较早,电主轴单元发展较快,技术水平也处于领先地位,并且随着变频技术及数字技术的发展日趋完善,逐步形成了一系列标准产品,高转速电动主釉在机床行业和工业制造业中普遍采用。最近及今后一段时间,着重发展研究大功率、大扭矩、调速范围宽、能实现快速制启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电动主轴单元。近几年美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术。著名的有德国的GME公司、Siemens公司、意大利的Gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等,它们的技术水平代表了这个领域的世界领先水平。具有功率大，转速高，采用高速、高刚度轴承，精密加工与精密装配工艺水平高和配套控制系统水平高等特点。4. 并联机床的现状及发展趋势虚拟轴并联机床4.1虚拟轴并联机床简述虚拟轴并联机床是一种知识密集性机构 ,实质上它是现代机器人技术与机床结构技术结合的产物 。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念 ,抛弃了固定导轨的刀具导向方式 ,采用了多杆并联机构驱动 ,大大提高了机床的刚度 ,使加工精度和加工质量都有较大的改进 ,另外 ,由于其进给速度的提高 ,从而使高速 、超高速加工更容易实现 。由于这种机床具有高刚度 、高承载能力 、高速度 、高精度以及重量轻 、机械结构简单 、标准化程度高等优点 ,在许多领域都得到了成功的应用 。可以说 ,虚拟轴数控机床被认为是本世纪最具有革命性的机床设计的突破 ,代表了 21 世纪机床发展的方向 4. 2虚拟轴并联机床的研究现状自从1965年stewart提出著名的stewart平台机构，开始了并联机构的虚拟机床研究。但开始 ,人们还只是对这种机构停留在理论分析上 。直到 90 年代 ,美国 、俄国等国家的专家将这种机构用于虚拟轴机床方面的研究 ,开创了并联虚拟轴机床研究方面的文章 。目前 ,在该方面的研究领域也十分广泛 ,如位置求解 、奇异性研究 、路径规划及多构型分析 、工作空间 、新型并联机器人机构的研究 、以及动力学的研究等 。目前 ,人们所了解的虚拟轴并联机床类型有二自由度 、三自由度 、法面三自由度 、纯移动三自由度和六自由度虚拟轴并联机床 。 虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自度数控机床 ,与传统的数控机床相比 ,并联式数控机床结构简单 ,传动链短 ,刚度大 ,质量轻 ,切削效率高 ,成本低 ,特别容易实现六轴联动 ,因而能加工更复杂的三维曲面 。4.2虚拟轴数控并联机床的发展方向4.2.1新型虚拟并联机床的研究 继续发展新型虚拟轴并联机床 ,特别是结构简单实用的欠秩机构 ,尽管欠秩机构在其工作空间中运动受到约束而失去一定自由度 ,但结构简单 、实用 。4.2.2多并联机床协同作业研究 如何组织多个并联机床构成群体 ,以及这样的群体中如何实现并联机床个体与群体的合作 ,已成为当今并联机床研究领域的一个新课题 ,具有重要的理论与现实意义 。在多并联机床之运动协调 、载荷分布 、避免轨迹重复等问题方面还需进一步深研究。4.2.3快速位置求解法的研究虚拟轴并联机床动力学研究有其特殊性 ,其动力学问题的求解应满足实时性 ,智能化和可控性要求 ,这样就要求动力学的算法在满足精度的前题下 ,必须满足高效的要求 。4.2.4并联机床组成原理的研究研究自由度计算 、运动副类型 、支链类型 ,还要研究已知运动特性的并联机床的设计原理与并联机床之间的关系 。4.2.5虚拟轴并联机床运动控制的研究在对虚拟轴机床的分析中发现 ,这种机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂 ,因此 ,要结合我国的国情发展有中国特色的虚拟轴数控机床产品 ,其中比较关键的问题之一是解决其控制问题 。目前 ,许多研究人员已经在机床运动控制算法 、刀具运动轨迹的直接控