数控技术现状及发展趋势

1、数控技术现状及发展趋势前言数控机床是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值和高利润的重要出口产品。数控机床已成为关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产品。数控机床集机械制造技术、 信息技术、微电子技术和自动化技术等为一体，随着科学技术的发展而不断地发展与创新。 作为一本数控机床教材如何在众多的技术内容中抓住本质、提取精华、突出重点，少而精地奉献给读者，是本书的编写难点，也是特色所在。本书编写既注 重应用性，又考虑到理论基础，同时还考虑其最新技术，理论叙述力求通俗易懂。内容是以数

2、控加工信息流为主线顺序展开，先后阐述了数控编程的基础及方法、计算机数控装置的硬软件、数控装置的轨迹控制原理、数控机床的伺服系统工作原理， 同时还叙述了数 控技术的基本概念、 数控机床的检测装置、数控机床的机械结构、 数控机床的故障诊断、数 控自动编程以及数控技术的发展等内容。1国内外数控技术发展状况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，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台数控铳床问世至今已经历了 50个年头。数控设备包括：车、铳、加工中心、链、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产

3、量有1020万台，产值上百亿美元。“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6. 8亿元，用于对1 . 2 1. 8万台机床的数控化改造。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本 FANUC公司，1年生产5万套以上 系统，占世界市场约40 %左右，其次是德国的西门子公司约占15 %以上，再次 是德海德汉尔、西班牙发格、意大利菲地亚、法国的NUM、日本的三菱、安川。 国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、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300400套。近10年，数控机床为适应加工技术 发

4、展，在以下几个技术领域都有巨大进步。1 . 1高速化由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由30004000r /min提高到800010000r /min ,铳床和加工中心主轴转速由 4000 8000r /min 提高到 12000r /min、24000r /min、40000r /min 以上快速移 动速度由过去的 10 20m /min 提高到 48m /min、60m /min、80m /min、120m /min , 在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，具已由过去一般机床的0. 5G (重力加速度)提高到1 . 52G,最高可达15G,直线电机在机床

5、上开 始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。1 . 2高精度化数控机床的定位精度已由一般的 0. 010. 02mm 提高到0. 008mm 左右， 亚微米级机床达到0. 0005mm 左右，纳米级机床达到 0. 0050. 01仙m, 最小分辨率为1nm (0. 000001mm )的数控系统和机床已有产品。数控中两 轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1仙的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。1 . 3复合加工、新结构机床大量出现 如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，用

6、并联校链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。1 . 4使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m /min ,加工铝件能达 5000m / min o1 . 5数控机床的开放性和联网管理数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为 21世纪制造

7、业发展的一个主要潮流。2数控技术的发展趋势2. 1性能发展方向(1)高速高精高效化。速度、精度和效率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Mi。(2)柔性化。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

8、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。(4)实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，具作用 是如何调度任务，以确保任务在规定期 限内完成。而人工智能则试图用计算模 型实现人类的各种智能行为。科学技术 发展到今天，实时系统和人工智能相互 结合，人工智能正向着具有实时响应 的、更现实的领域发展，而实时系统也 朝着具有智能行为的、更加复杂的应用 发展，由此产生了实时智能控制这一新

9、的领域。2. 2功能发展方向2.2.1用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之问的对话接口。由于不同用户对界面的 要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中 最困难的部分之一。当前INTERNET > 虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等 技术也对用户界面提出了更高要求。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. 2. 2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，使信息交流不再

10、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。可视化技 术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽 了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机 技术等，这对缩短产品设计周期、提高 产品质量、降低产品成本具有重要意 义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM ,如自动编程设计、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 仿真演示等。2. 2. 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、2D+2螺旋插补、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

11、项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。2. 3体系结构的发展2.3.1 集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、E-PLD、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FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于 携带等优点，可实现超大尺寸显示，成 为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21 世纪显示技术的主流。应用先进封装和 互连技术，将半导体和表面安装

12、技术融 为一体。通过提高集成电路密度、减少 互连长度和数量来降低产品价格，改进 性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠 性。2.3.2 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增减，构成 不同档次的数控系统。2.3.3 网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台 机床上对其它机床进行编程、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3智能化新一代PCNC数控 系统当前开发研究适应于复杂

13、制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能 化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算 机智能技术、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。4展望制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对 21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本章对数控技术和产业发展趋势 的分析，对我国数控领域存在的问题进 行研究的基础上，对21世纪我国数控 技术和产业的发展途径进行了探讨，提 出了以科技创新为先导，以商品化为主 干，以管理和营销为重点，以技术支持 和服务为后

14、盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发 展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，使我国数控技术和产业最终走向世界的前列。参考书：承恩，丁乃建.现代数控机床.北京：机械工业出版社，1991?任玉田.机床计算机数控技术.北京：北京理工大学出版社，1996?严爱珍.机床数控原理与系统.北京：机械工业出版社，1999?唐仲文等.机电一体化技术手册.北京：机械工业出版社，1999?廖效果，朱启逮.数字控制机床.武汉：华中理工大学出版社，1992?叶蓿华.数字控

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