数控技术大作业

1、 2015-16 学年第 二 学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考 核 科 目： 数控技术学生所在院（系）：机电工程学院 学生所在学科： 机械工程 姓 名： 杨朔学 号： 1502210088题目：1、数控技术的发展趋势2、叙述比较积分法差补的原理，并画出用软件实现时的流程图3、描述任意一种数控系统产品的软件结构。4、简述永磁同步电机矢量控制原理。 1.数控技术的发展趋势1.1数控技术简介 数控系统是数字控制系统简称，是数控机床的关键技术所在。早期是由硬件电路构成的，称为硬件数控；1970年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替，称为计算机数控系统。CNC系统是根据计算机存储器中存储

2、的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序输入装置、输出装置、计算机数控装置、可编程逻辑控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。CNC系统的核心是CNC装置。1.2数控技术发展的历史与趋势1.2.1数控技术的发展简史数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下： 1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。 1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，

3、并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。 1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，研制成功使用微处理器

4、和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC)，这是第五代数控系统。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现智能化，网络化制造。现在，数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技

5、术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。1.2.2数控技术发展趋势（1）体系开放化发展 计算机技术的飞速发展，推动数控系统更快地更新换代。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易地实现智能化、网络化。 1)向未来技术开放：软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容。 2)向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的

6、各种组合以满足特殊应用要求； 3)数控标准的建立：标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。（2）高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 1）主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min； 2）进给率：分辨率为0.01µm时，最大进给率达到240m/min可获得复杂型面的精确加工； 3）运算速度： CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到上千兆赫。使得当分辨率为0.1µm、0.01µm时仍能获得高达24240m/m

7、in的进给速度； 4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。（3）高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01µm/脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； 采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，

8、对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%； 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。（4）功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 国内外的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等

9、)以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。（5）控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： 1）加工过程自适应控制技术 2）加工参数的智能优化与选择 3）智能故障自诊断与自修复技术智能故障回放和故障仿真技术4）智能化交流伺服驱动装置（6）驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机

10、床行业的高度重视，被认为是 “21世纪新一代数控加工设备”。（7）信息交互网络化 使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。（8）多轴联动化方向发展 在加工自由曲面时，而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削三维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度，多轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。1.3数控技术的发展现状1.3.1国内发展现状随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国

11、的相关研究也越来越受到重视。经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。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。国内的数字化交流伺服驱动系统产品也有了很大的发展，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

12、控、广州数控、航天数控和开通数控等。1.3.2国外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）、发那克（FANUC）、三菱电机（Mitsubishi Electric）、海德汉（HEIDENHAIN）、博世力士乐（Bosch Rexroth）、日本大隈（Okuma）等。（1） 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

13、造技术（机床）展览会（IMTS 2010）上，发那克就展出了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。（2） 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

14、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。（3） 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、CIMATRON等一些著名CAM软件公

15、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。1.3.3国内数控技术发展与国外数控技术发展存在的差距国内数控系统与国外数控系统存在的差距主要体现在中高档机床数控系统上。 高性能数控系统、电主轴、纳米精度光栅等功能部件及整机设计制造的核心技术，是发展高端数控机床最关键的因素。据了解，数控系统相当于数控机床的大脑，在整个机器的价值中占到五分之一数控加工中心。它的作用，是将用户设定的加工目标，换算成具体的加工步骤，指挥机床。目前我国制造数控机床的厂家，很多是购买国外的数控系统。 据介绍，近几年来，国产的低端数控系统基本把国外竞争对手挤出了中国市场；

16、而高端市场则正好相反，国产只占不到十分之一。高端数控系统市场基本上在法那科和西门子等厂家的掌握中。国外高档数控系统，在高速和高精度表现上，以及在五轴加工和智能化方面比国内产品表现都好，而且其平均无故障时间是国内产品的4倍。 数控系统的体系结构、数控机床加工中心软硬配件、高速高精算法都需要长时间的研究和改善。国内电子基础产业落后，决定了我国高档数控系统的弱势表现。除了数控系统水平的差距，关键零部件领域的薄弱也限制了国产机床的高度。在一些机床展会上，也能看到应用法纳科或西门子数控系统的国产高端机床，与国外装配同样大脑的机床相比，转速只有国外的三分之一，误差范围是别人的5倍。2比较积分法2.1比较积

17、分法简介比较积分法又称脉冲间隔法。逐点比较法由于以判别原理为基础，进给脉冲是跟随指令运算频率的，因而速度平稳，调节方便，但不易实现多坐标轴的联动。数字积分法虽然可以实现各种函数的插补和多坐标直线的插补。但是，由于其溢出脉冲频率与被积函数值大小有关，存在着速度调节不便的缺点。与其它插补方法相比, 比较积分法插补是一种插补精度高、运算关系简单、进给速度控制方便的插补算法。2.2比较积分法插补原理比较积分法是在逐点比较法、数字积分法基础上派生出来的一种插补算法。它综合了二者的优点, 不仅可以插补常见常用的直线、圆弧轮廓, 而且还可以插补非圆曲线轮廓。2.2.1比较积分法直线插补原理已知一条直线的起点

18、坐标在原点O(0,0)，终点坐标为E（Xe,Ye），则其上的动点N(Xi,Yi)必然满足下面等式Yi=YeXeXi对其求微分得： dYidXi=YeXe为此引入比较判别的思路建立两个被积函数之间的关系，于是将上式改写成增量形式YeXi=XeYi由于式中Xe、Ye均是以脉冲当量为单位的数字量，对上式两边进行积分，并假设增量Xi、Yi均为“1”个单位，则利用矩形法求得积分值为j=1XiYe=j=1YiXe在这里要指出的是，上式等号两边求和的项数不一定相等，等式左边是Xi项，而等式右边是Yi项。同时也表面，每当X方向发出一个进给脉冲相当于积分值增加了Ye；而每当Y方向发出一个进给脉冲，相当于积分值增

19、加了Xe。因此为了得到所要求的插补直线，必须协调控制两个方向发出的脉冲总数目，即X方向发出Xi个进给脉冲，Y方向发出Yi个进给脉冲，从而保证了上式两边的相等，也只有这样才能说明动点N（Xi,Yi）处于该直线上。为此，与逐点比较法相似，引入了一个判别函数Fi，即令Fi=i=1XiYe-j=1YiXe然后，可以根据各动点处Fi之值来决定下一步的进给方向。现假设向+X轴方向进给一步，则可推得Fi+1=Fi+Ye假设向+Y轴方向进给一步，则可推得Fi+1=Fi-Xe假设向+X和+Y轴同时进给，则可推得Fi+1=Fi+Ye-Xe在具体实现时，可使用一个脉冲源控制插补速度，从起点开始，每发出一个脉冲就计算

20、一次F的值，然后由F值的正负决定刀具的进给方向，并对F值进行修正。当F>0时，说明X轴输出脉冲时间超前，这时应使Y轴进行Xe的累加；当F<0时，则说明Y轴输出脉冲时间超前，这时应使X轴进行Ye的累加，类似依次进行下去即可实现直线插补。其规则参见表1。表1直线插补进给与判别函数F 的关系基准轴判别函数F进给函数F 计算X轴F0X、YFi+1=Fi+Ye-Xe（Xe>Ye）F<0XFi+1=Fi+YeY轴F0X、YFi+1=Fi+Ye-Xe（Xe<Ye）F<0YFi+1=Fi-Xe2.2.2比较积分法圆弧插补原理 设第一象限的顺圆圆弧起点为A(XS,YS), 终点为B (Xe,Ye), 圆心在坐标系的原点上, 则该圆弧的方程为:X2+Y2=R，对上式进行微分，整理后得-YdY=XdX用矩形公式对上式求积分得:YeYsYY=XsXeXX令：X=Y=1，Xe=Xs+m，Ye=Ys-n，则上式可变为：i=0m(Xs+i)=i=0n(