数控技术发展和应用

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，JohnparsonsandFrankstulenparsonscorporation,（Traversecity,Michigan)提出了数控加工思想。theideaofusingcoordinatepositiondatacontainedonpunchedcardstodefineandmachinethesurfacecontoursofairfoilshapesairfoil±0.0015inch(±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年，KeaneyandTrecherCo.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，MollinCo.研制了第一台柔性制造系统（FMS）(DavidWilliamson)。(System24,(24hr/day,16hrhumanworkerunattended)IBM1360/140,7machinetools)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。CincinnatiMillingMachineCo.VerticalHydro-Telmillingmachine

292vacuumtubes计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturingsystem: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JosephHarrington博士在其论文《ComputerIntegratedManufacturing》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：①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；②整个制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，numericalcontrol）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（NCsystem）：实现数控技术的机电控制设备；

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。要求：高转速（10000r/min），大功率（2.2~250kW)，宽调速范围(1:10~1:1000)。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、、机机床床I/O电电路路和和装装置置PLC(ProgrammableLogicController)：：用于于完完成成与与逻逻辑辑运运算算有有关关顺顺序序动动作作的的I/O控控制制，，它它由由硬硬件件和和软软件件组组成成；；1969年年，美美国国数数字字设设备备公公司司（（DEC-DigitalEquipmentCorporation)研研制出出世世界界第第1台台PLC，，并并在在GM公公司司汽汽车车自自动动装装配配线线上上试试用用成成功功。。独立立式式、、嵌嵌入入式式。。机床床I/O电电路路和和装装置置：：实现现I/O控控制制的的执执行行部部件件(由由继继电电器器、、电电磁磁阀阀、、行行程程开开关关、、接接触触器器等等组组成成的逻逻辑辑电电路路；；)功能能：：接受受CNC的的M、、S、、T指指令令，，对对其其进进行行译译码码并并转转换换成成对对应应的的控控制制信信号号控控制辅辅助助装装置置完完成成机机床床相相应应的的开开关关动动作作并并接接受受操操作作面面板板和和机机床床侧侧的的I/O信信号，，送送给给CNC装装置置，，经经其其处处理理后后，，输输出出指指令令控控制制CNC系系统统的的工工作作状状态态和机机床床的的动动作作。数控控机机床床物物理理结结构构数控控机机床床的的特特点点优点点：：1．．适适应应性性强强；；2．．加加工工精精度度高高、、质质量量稳稳定定；；3．．生生产产效效率率高高、、经经济济效效益益好好；；4．．减减轻轻操操作作者者的的劳劳动动强强度度、、操操作作简简单单；；5．．有有利利于于生生产产管管理理的的现现代代化化；；6.具具有有故故障障诊诊断断和和监监控控能能力力；；问题：1．造价较高高；

2．调调试和维修比比较复杂，需需要专门的技技术人员；3．对编程程人员的技术术水平要求较较高。数控机床特别别适合高精度度、复杂零件件的加工80年代的东东芝事件1987年5月27日，，日本警视厅厅逮捕了日本本东芝机械公公司铸造部部部长林隆二和和机床事业部部部长谷村弘弘明。东芝机机械公司曾与与挪威康士堡堡公司合谋，，非法向前苏苏联出口大型型铣床等高技技术产品。上世纪60年年代末，苏联联情报机关在在美国海军机机要部门建立立的间谍网不不断获得美国国核潜艇跟踪踪苏联潜艇的的情报。苏联联潜艇的噪音音很大，美国国海军在200海里以外外就能侦测到到。1979年底底，克格勃高高级官员奥西西波夫以全苏苏技术机械进进口公司副总总经理的身份份，通过日本本和光贸易股股份公司驻莫莫斯科事务所所所长熊谷独独与日本伊藤藤忠商社、东东芝公司和挪挪威康士堡公公司接上了头头。在巨大的的商业利益的的诱惑下，东东芝公司和康康士堡公司同同意向苏联提提供四台MBP—11OS型九轴数数控大型船用用螺旋桨铣床床，此项合同同成交额达37亿日元（（1850万万美圆）。这这种高约10米、宽22米、重250吨的铣床床，可以精确确地加工出巨巨大的螺旋桨桨，使潜艇推推进器发出的的噪音大大降降低。为为了掩人耳耳目，苏联没没有向日本订订购与九轴五五联动铣床相相配套的计算算机控制系统统，而是要求求挪威国营武武器制造公司司———康士士堡贸易公司司向东芝公司司提供四台NC—2000数字控制制装置，由东东芝公司完成成总装后，出出口苏联。苏苏联为此还与与康士堡公司司单独签订了了秘密合同。。这种数控装装置通常与不不受“巴统””限制的两轴轴机床配套使使用，但是只只要改变一下下配线和电路路，就可作为为九轴机床的的数控装置。。东芝事件一个月后，东东芝公司即向向日本通产省省申领向苏联联出口的许可可证。申领书书隐瞒了九轴轴机床的高性能能，伪称产品品是用于加工工水力发电机机叶片的简易易TDP—70／110型两轴机床，从而获得得了通产省的的出口许可证证。这四台精精密机床顺利利到达苏联并并很快发挥作作用。到1985年年，苏联制.造出的新型潜艇噪音音仅相当于原原来潜艇的10％，使美国海军只只能在20海里以内内才能侦测出出来。1986年10月月，一艘美国国核潜艇因为为没有侦测到到它正在追踪踪的苏联潜艇的噪噪音而与苏联联潜艇相撞。。1985年12月，苏联联、日本秘密密协议当事人人之一、东芝芝公司的熊谷谷独因与他的的雇主发生纠纷而辞辞职，并愤而而向“巴统””主席盖尼尔尔.陶瑞格揭揭发了东芝事事件。陶瑞格格立即要求日方调查此此事。日本通通产省对东芝芝公司进行调调查时，东芝芝公司以预先先签署的假合合同和其它技术文文件为证，对对此事矢口否否认。经过进进一步调查，，1987年年初，美国人人掌握了苏联从日本获获取精密机床床的真凭实据据。在美国的的压力下，日日本警视厅对对东芝公司进进行突击检查，查查获了全部有有关秘密资料料，并逮捕了了涉案人员。。在以后的几几个月里，美美国朝野群情激愤愤，再三谴责责日本，并对对东芝公司进进行了制裁。。当时的日本本首相中曾根根康弘不得不向美美国表示道歉歉，日本方面面还花1亿日日元在美国的的50多家报报纸上整版刊刊登“悔罪广告”。心心惊胆颤的挪挪威政府除了了向美国保证证今后决不再再发生类似事事件外，还关关闭了康士堡公司驻驻莫斯科办事事处，并停止止了该公司正正在与东欧国国家进行的全全部贸易。不不久后，挪威又以以从事窃取科科技情报的间间谍活动为由由，驱逐了苏苏联一名外交交官和三名贸贸易代表。静音潜艇的技技术东芝事件巴黎统筹委员员会(简称““巴统”)两有趣事情1.苏工程程师晚上安装装调试两台机机床2.30岁岁挪威电脑技技师波路斯斯塔特喜结良良缘数控机床的分分类从不同的角度度对数控机床床进行分类，，常见的有以以下几种分类类方法：按运动控制轨轨迹分类1.点位控控制数控机床床2.直线控控制数控机床床3.轮廓控控制数控机床床按伺服系统的的类型分类1．开环控控制数控机床床一般用于经济济型数控机床床和旧机床改改造2．闭环控控制数控机床床理论上，该系系统可以消除除整个驱动和和传动环节的的误差、间隙隙和失动量，，具有很高的的位置精度，，但位置环内内的许多机械械传动环节的的摩擦特性、、刚性和间隙隙都是非线性性的，很容易易造成系统的的不稳定，因因此要求系统统的动态特性性要求高，闭闭环系统的设设计、安装和和调试都有相相当的难度。。主要用于精精度要求很高高的镗铣床，，超精车床、、超精磨床以以及较大型的的数控机床。3．半闭环环控制数控机机床半闭环数控系系统精度比开开环系统好，，比闭环差，，同时具有结结构简单，调调试方便等特特点，在现代代数控机床中中得到广泛应应用。按数控系统体体系结构分类类1传统封闭闭式数控系统统早期开发的封封闭系统结构构数控系统，，系统的扩展展、改变必须须求助于开发发商。目前占占领着数控系系统的大部分分市场。如FUNUC0系列、MITSUBISHIM50、Simens810等。。2“PC””嵌入“NC”结构数控控系统制造商在既不不愿放弃多年年来积累的数数控技术资源源、又想利用用计算机丰富富的软件资源源的情况下开开发的产品。。具有一定的的开放性，但但NC体系结结构不开放，，用户无法介介入系统核心心。如FUNUC16i、18i、21i，，Simens840D，Num1060等。。3“NC””嵌入“PC”结构开放放数控系统PC+运动控控制卡构成。。如PMAC-NC数控控系统（美国国DeltaTau),MAZATROL640CNC(MAZAK)4全软件型型开放数控系系统系统的计算机机数控软件全全部装在计算算机中，而硬硬件部分仅是是与伺服驱动动装置和外部部Ｉ／Ｏ之间间的标准通用用接口。如OpenCNC（（美国ＭDSI）PA8000NT(德国PowerAutomation)按工艺用途分分类1.切削加工类：：如数控铣床床、数控车床床、数控磨床床、加工中心心、数控齿轮轮加工机床、、FMC等。。2.成型加加工类：数控控折弯机、数数控弯管机、、数控冲压机机等。3.特种加加工类：数控控线切割机、、电火花加工工机、激光加加工机等。4.其它类类型：数控装装配机、数控控测量机、机机器人等。5.虚拟轴轴机床、快速速成型机虚拟轴机床虚拟轴机床(Virtualaxiamachinetool)也称并联机床床（Parallelkinematicsmachinetool)虚拟轴机床（（VirtualAxisMachineTools）实实质上是机器器人与机床的的混合物，其其在结构上完完全不同于传传统的数控机机床，具有模模块化程度高高，结构简单单，速度、动动态响应快，，造价低等优优点。克服了了传统的机床床设备一些无无法避免的固固有缺陷，如如：非对称、、复杂的结构构，笨重的床床身立柱，单单一的加工能能力，较低的的动态响应特特性等。1994年年在IMTS一经展展出，就在世世界范围内引引起轰动，多多家媒体把这这种机床称为为“机床结构构的重大革命命”，“21世纪的的新一代数控控加工设备””。不过数年年时间，这种种机床就得到到了快速的发发展。目前，，国内已有许许多单位对并并联机构装备备和工艺技术术开始进行了了研究。清华华大学与天津津大学合作于于1997年底研制制出我国第一一台大型镗铣铣类虚拟轴机机床原型样机机，并于1998年年4月在在第四届中国国机床工具商商品展览交易易会上展出，，受到各界广广泛重视。虚拟轴机床特特点和用途途：机床特点：由于采用珩架架结构，机床床重量轻高刚度、高精精度、高速度度及高加速度度实现6自自由度空间位位姿灵活变化化机床用途：特别适合于曲曲面加工，如如螺旋桨叶片片、汽轮机叶叶片、复杂光光学透镜、模模具型腔等复复杂三维曲面面。更换执行机构构后可用于移移载、装配、、能束加工等等。虚拟轴机床基基本理论虚拟轴的设计计理论。该理论包括6个伸缩杆的的长度决定动动平台位置的的一般理论及及特例、虚拟拟轴机床的运运动分析、虚虚拟轴机床的的力学分析等等。虚拟轴机床的的控制技术。。虚拟轴机床机机械结构简单单是以控制系系统的复杂为为条件的。虚拟轴机床的的误差分析技技术。虚拟轴比传统统机床具有更更高的精度，，但是存在影影响加工精度度的因素。。快速成型（RapidPrototypingRP)快速成型是一一种快速生成成模型或者零零件的制造技技术。在计算算机控制与管管理下，依靠靠已有的CAD数据，采采用材料精确确堆积的方式式，即由点点堆积成面，，由面堆积成成三维，最终终生成实体。。依靠此技术术可以生成非非常复杂的实实体，而且成成型的过程中中无需模具的的辅助。快速成型技术术的研究始于于1970年年代，但是直直到1980年代末才逐逐渐出现了成成熟的制造设设备。美国3M公司的AlanJ.Herbert（1978年））、日本名古古屋市工业研研究所的小玉玉秀男（1980年）、、美国UVP公司的CharlesW.Hull（1982年））、日本大阪阪工业技术研研究所的丸谷谷洋二（1993年），，各自独立地地提出了快速速成型的技术术设想，实现现的材料和方方式有差异，，但均以多层层叠加并固化来产产生实体。在在1986年年，CharlesW.Hull在美国获获得了光固化化立体造型设设备（SLA）的专利，，标志着快速速成型技术即即开始进入实实用阶段，在在设计领域及及汽车工业上上有广泛应用用。目前已有十余余种不同方法法，如光固化化立体造型（（SLA）、、层片叠加制制造（LOM）、选择性性激光烧结（（SLS）、、熔融沉积造造型（FDM）、掩模固固化法（SGC）、三维维印刷法（TDP）、喷喷粒法（BPM）等。其其中SLA是是使用最早和和最广泛的技技术，约占全全部快速成型型设备的70％左右。工艺过程：实体造型的构构建：三维维建模，反求求工程。实体造型的离离散处理：：将复杂的模模型用一系列列的微小三角角形平面来近近似模拟，每每个小三角形形用3个个顶点坐标和和一个法矢量量来描述（（STL格式式文件）实体造型的分分层处理：成成型高度方向向上用一系列列固定间隔的的平面切割被被离散过的模模型，以便提提取截面的轮轮廓信息。间间隔可以小至至亚毫米级。。成型加工：成型零件的后后处理：去除除支撑，另外外还可能需要要进行打磨、、抛光、涂上上油漆，或在在高温炉中烧烧结以提高强强度光固化立体造造型（SLA）该技术以光敏树脂的聚聚合反应为基础。在计计算机控制下下的紫外激光，沿着零零件各分层截截面轮廓，对对液态树脂进行逐点点扫描，使被被扫描的树脂脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形形成线，最终终形成零件的的一个薄层的的固化截面，，而未被扫描描到的树脂保保持原来的液液态。当一层层固化完毕，，升降工作台台移动一个层层片厚度的距距离，在上一一层已经固化化的树脂表面面再覆盖一层层新的液态树树脂，用以进进行再一次的的扫描固化。。新固化的一一层牢固地粘粘合在前一层层上，如此循循环往复，直直到整个零件件原型制造完完毕。特点：有较高的精度度和较好的表表面质量，能能制造形状特特别复杂（如如空心零件））和特别精细细（如工艺品品、首饰等））的零件。层片叠加制造造（LOM））层片叠加制造造工艺是将单单面涂有热溶溶胶（在被加加热状态下可可产生粘性）的箔材（纸纸、陶瓷箔、、金属箔等））通过热辊加加热粘接在一一起，位于上上方的激光器器按照CAD分层模型所所获数据，用用激光束将箔箔材切割成所所制零件的内内外轮廓，然然后新的一层层箔材再叠加加在上面，通通过热压装置置和下面已切切割层粘合在在一起，激光光束再次切割割，在每一层层进行切割和和粘合的过程程，直至整个个零件模型制制作完成，选择性激光烧烧结（SLS）这种工艺也是是以激光器为为能量源，通通过红外激光束使塑料料、蜡、陶瓷瓷、金属或其其复合物的粉粉末均匀地烧烧结在加工平平面上。在工工作台上均匀匀铺上一层很很薄（亚毫米米级）的粉未未作为原料，，激光束在计计算机的控制制下，通过扫扫描器以一定定的速度和能能量密度按分分层面的二维维数据扫描。。经过激光束束扫描后，相相应位置的粉粉末就烧结成成一定厚度的的实体片层，，未扫描的地地方仍然保持持松散的粉末末状。这一层层扫描完毕，，随后需要对对下一层进行行扫描。先根根据物体截层层厚度而升降降工作台，铺铺粉滚筒再次次将粉末铺平平，可以开始始新一层的扫扫描。如此反反复，直至扫扫描完所有层层面。去掉多多余粉末，并并经过打磨、、烘干等适当当的后处理，，即可获得零零件。目前应应用此工艺时时，以蜡粉末末及塑料粉末末作为原料较较多，而用金金属粉或陶瓷瓷粉进行粘接接或烧结的工工艺尚未获得得实用。三维印刷工艺艺（3DP））三维印刷工艺艺，也称为三三维打印。1989年，，美国麻省理工工学院的EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty等在在美国申请了了三维印刷技技术的专利，，之后EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty又多次对该该技术进行完完善，形成了了今天的三维维印刷快速成成型工艺。通通过这个工工艺，在每一一层粘结完毕毕后，成型缸缸下降一个距距离（等于层层厚），供粉粉缸上升一段段高度，推出出多余粉末，，并被铺粉辊辊推到成型缸缸，铺平并被被压实。喷头头在计算机控控制下，按照照下一个截面面的二维几何何信息进行运运动，有选择择地喷射粘结结剂，最终构构成层面。原原理和打印机机非常相似，，即为三维打打印这一名称称的由来。铺铺粉辊铺粉时时多余的粉末末被粉末收集集装置收集。。如此周而复复始地送粉、、铺粉和喷射射粘结剂，最最终完成一个个三维粉体的的粘结，从而而生产制品。。三维P工工艺与SLS工艺都是将将粉末材料选选择性地粘结结成为一个整整体。其最大大的不同之处处在于三维P工艺不用将将粉末材料熔熔融，而是通通过喷嘴本身身会喷出粘合合剂，将这些些材料粘合在在一起。熔融沉积造型型（FDM））1993年美美国Stratasy公公司开发出了了第一台基于于熔融沉积造造型的设备。。将CAD模模型分为一层层层极薄的截截面，生成控控制FDM喷喷嘴移动轨迹迹的二维几何何信息。FDM加热头把把热熔性材料料（ABS树树脂、尼龙、、蜡等）加热热到临界状态态，呈现半流流体性质，在在计算机控制制下，沿CAD确定的二二维几何信息息运动轨迹，，喷头将半流流动状态的材材料挤压出来来，凝固形成成轮廓形状的的薄层。当一一层完毕后，，通过垂直升升降系统降下下新形成层，，进行固化。。这样层层堆堆积粘结，自自下而上形成成一个零件的的三维实体。。FDM工艺的的关键是保持持材料的半流流动性。这些些材料并没有有固定的熔点点，需要精确确控制其温度度。快速成型（原原形）特点使用三维扫描描和快速成型型技术，将原原作进行复制制，可以保留留极其复杂的的细节。可生成成高复复杂度度的产产品。。产品制制造过过程几几乎与与零件件的复复杂程程度无无关，，相比比传统统制造造方式式（如如铸造），使使用快快速成成型技技术可可以制制作出出外形形极为为复杂杂的产产品，，对于于传统统工艺艺来说说，一一些特特殊的的形状状无法法完成成。便于修修改，，生产产迅速速。整个生生产过过程数数字化化，与与CAD模模型具具有直直接的的关联联，可可随时时修改改数据据后进进行制制造，，尤其其适用用于产产品设设计阶阶段的的模型型制造造。固定的的制造造成本本。传统的的模型型制作作往往往先需需要模模具，，需要要耗费费大量量时间间，且且模具具的制制造成成本往往往较较高。。快速速成型型技术术的单单个成成品制制作成成本往往往高高于使使用模模具进进行批量生生产的平均均成本本，但但是无无需模模具的的一次次性投投资，，对于于只需需要小小规模模生产产的情情况（（比如如在新新产品品开发发中的的设计计模型型），，使用用快速速成型型技术术可以以降低低成本本。固定的的的生生产效效率。。使用快快速成成型技技术生生产任任何产产品均均使用用雷同同的材材料堆堆积方方式，，对某某一特特定的的产品品的生生产而而言可可能不不是最最优的的方式式。比比如，，生产产时间间会随随着产产品体体积的的增大大而迅迅速增增加。。按联动动轴数数分2轴联联动（（平面面曲线线）3轴联联动（（空间间曲面面，球球头刀刀）4轴联联动（（空间间曲面面）5轴联联动及及6轴轴联动动（空空间曲曲面））。。联动轴轴数越越多数数控系系统的的控制制算法法就越越复杂杂。按功能能水平平分类类1.高高级级型数数控系系统2.普普及型型数控控系统统3.经经济济型数数控系系统性能类别CPU位数联动轴数分辨率

(μm)进给速度(m/min)其它高级型1.325=<0.1>=24,(1μm)；

>=10,(0.1μm)三维动态，MAP,

数字交流伺服普及型16<5,3>0.1,<10<24,(1μm)；

<10,(0.1μm)字符/图形

交流伺服经济型8/16<3<10<8字符,步进电机三、数数控机机床的的选型型1.机机床类类型的的选择择2.数数控机机床与与数控控系统统的指指标、、功能能数控机机床的的主要要指标标：（1））规格格指标标行程范范围、、工作作台面面尺寸寸、承承载能能力、、主轴轴功率率和进进给轴轴扭矩矩、控控制轴轴数和和联动动轴数数（2））精度度指标标定位精精度（（一般般定位位精度度±0.01mm、、最高高±0.4μm）重复定定位精精度（（一般般重复复定位位精度度±±0.005mm、、最高高±0.3μm）分度精精度回零精精度（3））性能能指标标最高主主轴转转速和和最大大加速速度最高进进给速速度和和最快快移动动速度度（4））可靠靠性指指标平均无无故障障工作作时间间（MTBF））平均修修复时时间（（MTTR）数控系系统功功能（1））控制制功能能控制轴轴数和和联动动轴数数（2））准备备功能能指定机机床的的动作作方式式（3））插补补功能能现在数数控系系统不不仅有有直线线、圆圆弧插插补功功能，，而且且有抛抛物线线、椭椭圆、、螺旋旋线、、样条条曲线线插插补补功能能。（4））分辨辨率（（脉冲冲当量量）对控制制系统统，分分辨率率是可可以控控制的的最小小位移移量它它具有有以下下两方方面的的含义义：a表表示示数控控系统统发出出一个个指令令脉冲冲，经经伺服服系统统驱动动机床床上的的工件件（或或刀具具）移移动的的最小小位移移量。。称外部脉脉冲当当量。b表表示示内部部运算算的最最小设设定单单位，，称内部脉脉冲当当量，比外外部脉脉冲当当量小小得多多。数数控系系统在在输出出位移移量前前会自自动将将其转转换成成外部部脉冲冲当量量。（5））进给给功能能a进进给给速度度控制制mm/minb同同步进进给速速度控控制c进进给倍倍率控控制（6））自动动加减减速功功能机械设设备状状态改改变时时，系系统具具有自自动加加减速速功能能，避避免或或减小小冲击击。（7））主轴轴功能能a主主轴轴转速速控制制r/minb恒恒线速速度控控制c主轴轴定向向控制制dC轴轴控制制e主主轴倍倍率控控制（8）辅辅助功功能控制机机床辅辅助装装置通通断（（如主主轴启启停、、转向向、刀刀库启启停、、切削削液启启停等等）（9））刀具具管理理功能能实现刀刀具几几何尺尺寸和和刀具具寿命命管理理。（10）补补偿功功能a刀刀具具半径径和长长度补补偿b传传动动链误误差补补偿c非非线线性误误差补补偿（11）程程序编编制功功能a手手工编编程b自自动编编程语言式式自动动编程程：APT(自自动动编程程工具具)几何描描述；；运动动描述述；后后处理理描述述；辅辅助描描述。。CAD/CAM（计计算机机辅助助设计计、计计算机机辅助助制造造）图图形交交互编编程：：（UG,pro/E等等）（12）固固定循循环功功能将实现现典型型动作作的程程序预预先编编好并并存储储到内内存中中，用用代码码指定定，加加工时时调用这这类已已成为为固定定循环环指令令的代代码，，可大大大简简化编编程。。（13）人人机对对话功功能数控系系统配配有薄薄膜场场效应应晶体体管（（TFT））显示示屏，，实现现字符符、图图形显显示，，以便用用户的的操作作和使使用。。（14）自自诊断断功能能a开开机机自诊诊断b在在线线自诊诊断c离离线自自诊断断d远远程通通信诊诊断（15）通通讯功功能RS-232接接口、、Internet接口口四、数数控技技术的的发展展计算机机技术术的每每一点点进步步都在在推动动数控控技术术向前前发展展。“六代代”1电电子子管，，1952，ParsonsCorp,MIT,美美空军军后勤勤司令令部合合作，，第一一台立立式铣铣；(292电电子管管）2晶晶体体管、、印刷刷电路路，1959，，晶体体管元元件的的出现现使电电子设设备的的体积积大大大减小小，数数控系系统中中广泛泛采用用晶体体管和和印刷刷电路路板，，K&T开开发第第一台台加工工中心心MILWAUKEE-MATIC。3小小规规模集集成电电路,1965,由由于它它体积积小、、功耗耗低，，使数数控系系统的的可靠靠性得得以进进一步步提高高。1967英英国最最初的的FMS.4通通用用小型型计算算机,1970，在在美国国芝加加哥国国际机机床展展览会会上，，首次次展出出了一一台以以通用用小型型计算算机作作为数数控装装置的的数控控系统统，特特征为为许多多数控控功能能由软软件完完成。。5微微处处理器器，1974，，开始始出现现的以以微处处理器器为核核心的的数控控系统统被人人们誉誉为第第五代代数控控系统统，近近30年来来，装装备微微处理理机数数控系系统的的数控控机床床得到到飞速速发展展和广广泛应应用。。6基基于于PC（PC-BASED））的数数控,20世纪纪80年代代，基基于PC开开发式式数控控系统统。数控技技术发发展趋趋势1．高高速速高精精度机床向向高速速化方方向发发展，，可充充分发发挥现现代刀刀具材材料的的性能能，可可大幅幅度提提高加加工效效率、、降低低加工工成本本，提提高零零件的的表面面加工工质量量和精精度。。上上世纪纪90年代代以来来，高高速主主轴单单元（（电主主轴，，转速速15000－－100000r/min））、高高速且且高加加/减减速度度的进进给运运动部部件（（快移移速度度60~120m/min，，切削削进给给速度度高达达60m/min））、高高性能能伺服服系统统以及及工具具系统统都出出现了了新的的突破破。高速切切削加加工1931年年德国国切削削物理理学家家萨洛蒙蒙(Salomon)提出高高速切切削理理论。。在常规规的切切削速速度范范围内内，切切削温温度随随着切切削速速度的的增大大而提提高。。对于于每一一种工工件材材料，，存在在一个个速度度范围围，在在这个个范围围内，，由于于切削削速度度太高高，任任何刀刀具都都无法法承受受，切切削加加工不不可能能进行行。但但是，，当切切削速速度进进一步步提高高，超超过这这个范范围后后，切切削温温度反反而降降低。。同时时切削削力也也会大大幅度度下降降。通常把切削削速度比常常规切削速速度高出5~10倍倍以上的切切削叫做高高速切削。。车削:700~7000m/min;铣削：300~6000m/min;钻削：200~1100m/min;磨削：150~360m/s;与传统切削削加工相比比，高速切切削加工发发生了本质质性的飞跃跃，其单位位功率的金金属切除率率提高了30%～40%，切切削力降降低了30%，刀具具的切削寿寿命提高了了70%，，留于工件件的切削热热大幅度降降低，低阶阶切削振动动几乎消失失。Salomon切削削速度与温温度实验曲曲线CPU采用用64位专专用总线结结构，采用用全数字伺伺服、运用用AI（AdvanceInterpolation)HRV(HighResponseVector)简易易指令集CPU（RISC））等。（FUNUCSERVOHRV4伺服位位置以纳米米为单位采采样，使用用αi脉冲冲编码器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：：0.4sCINCINNAIT公司HyperMach机床：：进给速度：：60m/min快进速度：：100m/min主轴转速：：60000r/min高精度：普通级：5μm精密级：1μm超精密级：：0.01μm2．智能能化数控系统的的智能化主主要体现在在以下几个个方面：（1）智智能化适应应控制技术术（随加工工过程切削削条件的变变化，自动动地调整切切削用量，，实现加工工过程最佳佳化）（2）自自动编程技技术（3）具有有故障自动动诊断功能能（4）智智能化交流流伺服驱动动装置智能化交流流伺服驱动动装置包括括智能主轴轴交流伺服服驱动装置置和智能进进给交流伺伺服驱动装装置。能自动识别别电动机及及负载的转转动惯量，，并自动对对控制系统统参数进行行优化和调调整，使驱驱动系统获获得最佳运运行效果。。（5）加加工参数智智能优化与与选择以加工工艺艺参数数据据库为支撑撑，建立专专家系统，，通过它提提供优化的的切削参数数，使加工工系统始终终处于最优优和最经济济的工作状状态，达到到提高编程程效率和加加工工艺技技术水平。。智能制造技技术包括括专家系统统、模糊推推理和人工工神经网络络三大部分分。专家系统先是采集领领域专家的的知识，然然后将知识识分解为事事实与规则则，存储于于知识库中中，通过推推理作出决决策。模糊推理模糊推理又又称模糊逻逻辑，它是是依靠模糊糊集和模糊糊逻辑模型型进行多个个因素的综综合考虑，，采用关系系矩阵算法法模型、隶隶属度函数数、加权、、约束等方方法，处理理模糊的、、不完全的的乃至相互互矛盾的信信息。人工神经网网络神经网络是是人脑部分分功能的某某些抽象、、简化与模模拟，由数数量巨大的的以神经元元为主的处处理单元互互连构成，，通过神经经元的相互互作用来实实现信息处处理。3体系结结构开放化化、柔性化化传统的数控控系统都是是专门、具具有不同的的编程语言言、非标准准人机接口口、多种实实时操作系统、、非标准的的硬件接口口等特征，，造成了数数控系统使使用和维护护的不便，，也限制了数控技技术的进一一步发展。。为了解决决这些问题题，人们提提出了“开放式数控控系统”的概念。概概念最早见见于1987年美国国NGC(NextGenerationController)计划，NGC控制技技术通过实实现基于相相互操作和和分级式的的软件模块块的“开放放式系统体体系结构标准准规范（SOSAS）”找到到解决问题题的办法。。开放式体系系结构数控控系统是开开放式、高高性能、智智能化、网网络化数控控系统的统统称。其核心心是开放式式，既系统统各模块与与运行平台台无关、系系统中各模模块之间的的互操作性及通信信接口的统统一性。现代开放式式数控系统统的体系结结构技术要要求：1）采用通通用性开放放式闭环控控制模式2）采用通通用计算机机组成总线线式、模块块化、开放放式体系结结构，利用用开放式的的数控技术软软、硬件平平台，可视视需求通过过重构、编编辑调整系系统的组成成，便于““剪裁”，扩展展和生级；；功能可专专用也可通通用，可组组成不同挡挡次、不同同类型、不不同集成程度的数数控系统；；功能价格格比可调，，可集成用用户的技术术诀窍。体系结构满满足了开放放式要求，，同时也具具有了柔性性化。4.交互互可视化为使设备易易操作和维维修，数控控系统应具具备以下三三个特点：：1）用户界界面图形化化，可通过过窗口和菜菜单进行操操作，以便便蓝图编程程和快速编编程、三维维彩色立体体动态显示示、图形模模拟、图象象动态跟踪踪和仿真及及不同方向向的视图和和局部显示示比例缩放放功能的实实现。2）计算可可视化，使使信息交流流不再局限限于用文字字和语言表表达，而可可以直接使使用图形、、图象、动动画等可视视信息，使使系统满足足参数自动动设定、刀刀具补偿和和刀具管理理数据的动动态处理和和显示，以以及加工过过程的可视视化仿真和和自动编程程设计等要要求。3）数控编编程自动化化，CAD/CAM图形交互互自动编程程和CAD/CAPP/CAM集成的的全自动编编程是数控控技术发展展的新趋势势。SIMENS840DShopmill、、Shopturn软件。。FANUC系统采用用“manualguideI””辅助编编程，操作作者可以根根据蓝图输输入图形尺尺寸，无需需G代码编编程，使数数控编程更更接近工程程语言、用用图形符号号说话。齿轮加工软软件多轴联动刀刀具磨软件件凸轮轴及曲曲轴加工软软件法向矢量插插补软件2012年年国家自然然科学二等等奖Z-109-2-02复杂曲曲面数字化化制造的几几何推理理理论和方法法丁汉汉(华华中科技大大学)，朱朱向阳(上上海交通大大学)，尹尹周平(华华中科技大大学)，朱朱利民(上上海交通大大学)，王王煜(香港中文文大学)5.通信信网络化为了实现机机床联网，，实现中央央集中控制制的群控加加工，数控控系统应该该有强的网网络功能，，通过联网网，可以在在任何一台台机床上对对其他机床床进行编程程、设定、、操作、运运行，不同同机床的画画面可同时时显示在每每一台机床床的屏幕上上，可进行行远程化控控制和无人人操作，实实现信息共共享、兼容容多种通信信协议，既既能满足单单机需要，，又能满足足柔性制造造单元、柔柔性制造系系统、计算算机集成制制造系统对对基层设备备的要求，，同时便于于形成“全全球制造””的基础单单元的需求求6.功能复复合化复合化：在一台设备备上实现多多种工艺步步骤的加工工，缩短加加工链车铣复合——车削中心心（ATC，动力刀刀头）；镗铣钻复合合—加工中中心（ATC））、五面加加工中心（（ATC，，主轴立卧卧转换）；；铣镗钻车复复合—复合合加工中心心；可更换主轴轴箱的数控控机床—组组合加工中中心；集车削和激激光加工于于一体的机机床；测量/制造造复合，在在加工后对对工件进行行在线测量量多功能复合合化机床消消除了车床床、铣床、、磨床、激激光设备等等之间的传传统差异。（1）车削削为主德国INDEX公司司的TRAUBTNX65多功能数控控车削中心心，具有双双主轴、4个刀塔，，第二主轴轴可作Y轴轴移动；德德国DMG公司的TWIN65双主轴轴车削中心心，上下各各有一个转转塔刀架，，可实现6面加工，，第二主轴轴可作横向向移动等。。（2）加工工中心的复复合化日本MAZAK公司司的新机床床为Integrexe-1550V型复合合车铣加工工中心，它它将5轴联联动加工中中心的功能能和CNC数控车削削中心的功功能融合到到了一起。。在市场中中，Mazak公司司的Integrex系列机机床被看作作是多功能能机床的同同义词。（3）磨削削为主该类复合机机床的代表表为瑞士MAGERLE公司司的MGR立式车磨磨复合加工工机，机床床上方配有有多个磨头头和一个车车刀架，可可以对零件件进行磨削削和精车；；日本森精精机制作所所的IGV-3NT磨头可回回转式立式式磨床，可可在一次装装卡下对零零件内外圆圆和端面进进行加工；；瑞士STUDER公司的S33万能能数控磨床床，可以在在一次装卡卡下实现多多线螺纹加加工和内外外圆、端面面加工。7.数控控机床机械械结构创新新1）直线电电机取代滚滚珠丝杠传统的滚珠珠丝杠传动动链结构需需要丝杠轴轴承座，联联轴器等，，结构复杂杂，传动链链中精度损损失多（轴轴承游隙、、丝杠螺距距误差、反反响间隙等等），而采采用直线电电机可以克克服传动链链中丢失的的精度，另另外从电气气角度看，，参数设置置更直接、、简便、精精确。平面电机2）电主轴轴取代主轴轴箱电主轴实现现了变频电电机和机床床主轴之间间的“零传传动”，这这是数控机机床传动的的重大变革革。它克服服了传统机机床皮带或或齿轮传动动的主轴系系统在高速速下打滑、、振动和噪噪音大、惯惯量大等弊弊端，可良良好地实现现主轴转速速的高速化化，有效改改善主轴高高速综合性性能。3）重心驱驱动从力学角度度分析，在在推动物体体移动时，，如果作用用点不在物物体重心，，则会产生生一个扭矩矩，对机床床定位来讲讲是一个不不稳定扰动动因素，影影响轮廓加加工精度和和稳定性。。通常单滚滚珠丝杠驱驱动力与工工件受力点点总是随着着加工轨迹迹变化而变变化的，既既工作台所所受的扭矩矩总是存在在的。采用用双丝杠驱驱动（重心心驱动）能能很好地解解决上述问问题，最显显著的作用用就是减少少振动，提提高加工精精度。振动随时间间的变化如如图表所示示。重心驱动设设备很快就就消除了振振动，反之之其他设备备的振动则则持续了较较长时间。。使用位于振振动设备顶顶端的刀具具加工工件件，会造成成加工面质质量的明显显恶化。另外，如果果在振动时时使用刀具具切割工件件，也会轻轻微磨损刀刀尖。因此此振动对刀刀具寿命来来说实为大大敌。更严重的是是，如果发发生振动，，数控装置置会将其作作为正常指指令之外的的动作进行行检测，而而为了修正正错误又要要驱动进给给电动机。。如此反复复，进一步步加剧了振振动。DCG有DCG无森精机公司司的车铣复复合加工中中心4.现有有机械结构构的变革1）内冷式滚珠珠丝杠高速数控机机床用新HMC系列列滚珠丝杠杠。HMC系列是NSK公司司于1997年推出出的，由于于采用了““空心强冷冷”技术，，带来了滚滚珠丝杠的的革命。现现在，NSK公司又又对HMC系列进行行了改进，，滚珠采用用了新的循循环方式，，在原有高高速的基础础上，实现现了静音、、振动小的的环保性。。2）内置铣削电电动机转塔塔传统的铣削削机构涉及及传动链、、齿轮等机机械部件，，结构、制制造工艺复复杂，装置置会产生大大量的热和和振动。而而带内置铣铣削电动机机转塔结构构，最大程程度上减少少了热量和和振动的产产生，避免免了传统损损耗，提高高了加工精精度和切削削性能。3）箱中箱、台台中台结构构4）衍架结构Table-in-Table(台台中台)结结构采用框架式式的箱形结结构，将一一个移动部部件嵌入另另一个部件件的框架箱箱中，达到到提高刚度度，减轻移移动部件质质量的目的的，以适应应60m/min以以上快速速移动和进进给的要求求。德国DS-Technology公公司的Ecospeed加加工中心将一个回转转体嵌入另另一个回转转体中，例例如，在B

轴工作作台中配置置C

轴工工作台，就就构成了双双坐标工作作台的台中中台结构(Table-in-table)德国EEW

衍架结结构HSM-Model

可按客客户的场地地空间大小小和使用需需要组合不不同的衍架架跨距、立立柱高度和和间距，最最大加工范范围可达151m××9m×4.25m。8.STEP——NCSTEP（（ISO10303）（StandardfortheExchangeofProductModelData－－－ISO10303）(1)目目前CNC系统现状状:绘制描述加加工零件几几何形状、、尺寸公差差和材料等等属性的CAD图纸纸，并以符符合STEP标准的的IGES格式存放放到文件；；将该IGES文件读读入CAM系统，后后置处理成成RS274D（ISO6983）标标准定义的的G代码；；由CNC读读入G代码码文件进行行数控加工工。可见目前前CNC系统基基于IGES和和ISO6983标准准STEP（ISO10303）（（StandardfortheExchangeofProductModelData－－－ISO10303））是关于于产品数数据表示示和交换换的国际际标准，，提供一一种不依依赖于具具体系统统的中性性机制，，能够描描述产品品整个生生命周期期内的数数据，实实现各个个工业领领域产品品信息的的标准化化。IGES建立CAD数据据输出的的统一接接口，使使不同数数据格式式的CAD之间间可以交交换数据据。其