第七章数控技术的发展趋势课件

一、数控机床的产生

在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样板加工的设备。1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。§7-1数控技术的产生与发展一、数控机床的产生在汽车、拖拉机等大量生产的工11952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一21952年的第一代——电子管数控机床1959年的第二代——晶体管数控机床1965年的第三代——集成电路数控机床1970年的第四代——小型计算机数控机床1974年的第五代——微型计算机数控系统1990年的第六代——基于PC的数控机床二、数控技术的发展半个世纪以来，随着计算机技术的发展，数控技术也得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。六代1952年的第一代——电子管数控机床二、数控技术的发展半个世31电子管：1952，ParsonsCorp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；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。1电子管：1952，ParsonsCorp.,MIT,4二个阶段

1955~1959，晶体管1952~1955，电子管

1959~1965，小规模集成电路

硬件数控二个阶段1955~1959，晶体管1952~1955，电子5

1974-微处理器(MCNC)1979超大规模集成电路(VLIC)1970s(1970~1974)，小型计算机1994~PC-NC.计算机数控1974-微处理器(MCNC)1970s(1970~16§7-2数控技术的发展趋势1、高速、高精度2、智能化

3、开放式数控系统4、网络化数控技术5、提高数控系统的可靠性6、实现数控装备的复合化7、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造

§7-2数控技术的发展趋势1、高速、高精度

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随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。1、加工高速化、高精度化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。（1）高速化高速CPU芯片主轴高速化，采用电主轴采用全数字交流伺服机床动、静态性能的改善随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、8上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速进给运动部件（快移速度60~120m/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。图切削速度的发展在分辨率为1μm时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200,000rpm换刀速度少于1s上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速15000－19提高机械的制造和装配精度；采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上1000000脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到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（2）加工高精度化采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术；设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术（研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％）。（2）加工高精度化采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误10普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。RaδVFVC250.10100002500200.0880002000150.0660001500100.044000100050.0220005000RaδVfVC19931994201920192019年度Ra——表面粗糙度（um），δ——加工误差（um），Vf——进给速度（mm/min），Vc——切削速度（m/min）图数控机床的高速化对加工质量的影响普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个111）加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及保证设备运行的安全性2）加工参数的智能优化：将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。2、控制智能化随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：1）加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机123）智能故障诊断与自修复技术

智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。

智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。

智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。

4）智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。3）智能故障诊断与自修复技术13（1）智能化适应控制技术图智能化适应控制下的进给速率（1）智能化适应控制技术图智能化适应控制下的进给速率14

（2）自动编程技术（2）自动编程技术15（3）具有故障自动诊断功能

（4）智能寻位加工（3）具有故障自动诊断功能（4）智能寻位加工16数控系统网络化是先进制造模式的要求，数控机床作为网络中的一个节点，有助于解决自动化孤岛问题。支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造对基层设备集成要求。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）3、加工网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求，数控机床作为网17数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。

网络通讯协议：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link，还有ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控181）传统数控系统的特点

由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。

功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式的生产环境和功能。对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应的培训。

对于使用者，控制器成为黑盒子无法自行修改更新。

为满足现代化生产的要求，数控系统需要具有：开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：具有平台无关性

接口协议：可传递性、可移植性

可进化性：智能化

语言统一化：中性语言NML：FADL、OSEL4、数控系统的开放化1）传统数控系统的特点为满足现代化生产的要求，数控系统19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年美国的NGC(NextGenerationController)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。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。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、202）开放化数控系统的概念

数控系统可以在统一的运行平台上开发，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明特色的名牌产品。（1）开放式数控装置的结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库2）开放化数控系统的概念（1）开放式数控装置的结构硬件配置软21（2）开放式数控系统的优点数控系统厂

品种减少、批量增加，易于满足用户要求；开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参与；软件开发效率提高，产品更新加快。

机床厂

可使整机具有个性化，降低开发成本。

减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。

最终用户

购买机床时的初期成本透明化；

能实现用户自身独特的FA系统设计；

用户界面的一致性，易于使用和培训；（2）开放式数控系统的优点22（3）开放式数控研究状况美国在20世纪90年代初提出了开发下一代控制器的计划NGC(NextGenerationController)，以后又提出了OMAC（OpenModularArchitectureControl）计划，重点开发以PC为平台的开放式模块化控制器。欧洲也在20世纪90年代初开始OSACA(OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationsystem)计划，目标是研制出开放式控制系统的体系结构。（3）开放式数控研究状况23（4）现状由于技术等方面的限制，要在短期内完全实现这种理想的开放式数控系统，还有不少困难。

目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于PC的数控系统。数控系统的PC化正成为开放式数控系统一个潮流，代表了CNC发展的主要方向。基于PC的开放式数控系统有3种基本结构形式：

ＰＣ嵌入ＣＮＣ型

CNC嵌入ＰＣ型

全软件CNC型

（4）现状基于PC的开放式数控系统有3种基本结构形式：24

5、提高数控系统的可靠性

数控系统平均无故障时间大于10000-30000（小时）

电子与电气元件高集成、抗干扰，零部件制造专业化标准化

6、实现数控装备的复合化2）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”

1）传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。

5、提高数控系统的可靠性

数控系统平均无故障时间大25我国自主研发的并联机床样机我国自主研发的并联机床样机26并联运动机床

并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联运动机床并联运动机床是以空间并联机构为基础，充27并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平台28由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点梁来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性能好、机床的模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点，是新一代机床结构的重要发展方向。由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构29并联机床自94年在美国芝加哥国际机床展览会上面市以来，有了很大发展，结构紧凑而且增大了工作空间，机床刚度和工作精度进一步提高，已进入实用阶段。主要用于汽车业、航空业和模具业。在加工中心和可移动FMC中也采用了并联结构。有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。并联机床的工作台有固定台、可交换台、水平分度台、滑座床身等多种。现已达到的最高精度：定位精度为±5μm，重复定位精度为±1.5μm。过去并联机床的最大问题是精度不如传统结构机床，其原因一是坐标轴（支杆）的位置精度不高，二是由于热效应和切削力引起的变形。现在杆内除装有滚珠丝杠外，还有检测杆自身长度的测量系统，通过补偿校正运动精度。数控并联机床的应用

并联机床自94年在美国芝加哥国际机床展览会上303）并联机床的优、缺点及研究热点：优点：进给速度快；精度高；刚性好；加速度高；安装、维修方便。缺点：工作空间小；姿态能力差；运动特性和力特性非线性。目前研究热点：混联机床。3）并联机床的优、缺点及研究热点：311）目前CNC系统的局限：数控代码只定义了机床的运动和动作，丢失了尺寸公差、精度要求、表面光洁度等大量信息；生成G代码的过程单向不可逆，在加工车间做出的修改无法反馈到设计部门；各厂商开发的宏和扩展EIA代码，使系统间语言不具通用性，对G、M代码的解释也不尽相同；不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能；7、STEP-NC1）目前CNC系统的局限：7、STEP-NC32

STEP-NC是一个新的NC编程数据接口国际标准（ISO14649），于2019年制定的，在2019年成为国际标准草案（DraftInternationalStandard,DIS），目的是取代现在使用的NC编程接口标准。2）STEP-NC的出现STEP(StandardfortheExchangeofProductmodeldata)即产品模型数据转换标准STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它在STEP的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，采用了新的数据格式和面向特征的编程原则

STEP-NC是一个新的NC编程数据接口国际标准（ISO133STEP-NC是欧美许多企业和研究机构共同开发的一套面向对象的NC编程接口，这套编程接口总称为“计算机数字控制数据模型（DataModelforComputerizedNumericalControllers），它包括十三个部分，分成三个阶段发布。目前发布出来的有：1）概述和基本原理2)总体加工数据3）切削加工数据4）铣削刀具。STEP-NC是一种在CAD/CAM系统和CNC机床之间进行数据转换的模型，它使用工步（WorkingSteps)这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程而不是机床运动来弥补ISO6983的不足。STEP-NC是欧美许多企业和研究机构共同开发的一套面向对象34STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufacturingfeatures）进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。它包含了工件的所有加工任务，通过这一系列加工任务，对从零件毛坯到最终成品所有的操作加以描述，提供了更高层次的信息给加工车间。STEP-NC是STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData)标准的扩展，一个基于STEP-NC的NC程序由几何信息和工艺信息描述组成。几何信息描述文件格式与STEP标准完全一致。几何信息采用STEP数据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从而消除了由于数据格式转换可能导致的精度降低的问题。工艺信息描述部分包括所有工步的详细完整定义，如特征代码、刀具数据、机床功能、加工方法及其他数据。STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufactur35德国肖特日本FANUC德国肖特日本FANUC36美国哈挺美国哈挺37瑞士米克朗德国斯宾纳TC系列瑞士米克朗德国斯宾纳TC系列38日本东芝美国新新那提韩国现代日本东芝美国新新那提韩国现代39数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信，进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品。这个全过程就是数字制造。

8、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中40数字化工厂数字化工厂41高速、高精、高效、智能化、复合化开放化、网络化数控技术总的发展趋势

运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。高速、高精、高效、数控技术总的发展趋势运行高速化42一、柔性制造单元（FMC,FlexibleManufacturingCell）§7-3数控技术的FMS及CIMS一、柔性制造单元（FMC,FlexibleManufact431、定义：有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成，并用一个物料输送系统将机床联系起来。二、柔性制造系统(FMS,FlexibleManufacturingSystem)1、定义：有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成442、特征高柔性能在不停机调整的情况下，实现多种不同工艺要求的零件加工。(2)高效率能采用合理的切削用量实现高效加工，同时使辅助时间和准备终结时间减小到最低程度。(3)高度自动化自动更换工件、刀具、夹具，实现自动装夹和输送，自动监测加工过程，有很强的系统软件功能。2、特征高柔性能在不停机调整的情况下，实现多种不同工453、生产线（FTL,FlexibleTransferLine）3、生产线（FTL,FlexibleTransfer464、组成由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有分系统。加工系统可以由FMC组成，但是多数还是由CNC机床按DNC的控制方式构成，可以自动更换刀具和工件并进行自动加工。物流系统包括工件和刀具两个物流系统。

信息流系统包括加工系统及物流系统的自动控制，在线状态监控及其信息处理以及在线检测和处理等。4、组成由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个47三、计算机集成制造系统(CIMS)J.Harringtong博士提出：ComputerIntegratedManufacturing计算机集成制造CIM基本思想企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理；整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。三、计算机集成制造系统(CIMS)J.Harrington48CIM的定义CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件），使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。CIM的定义CIM是一种组织、管理与运行企业的49CIMS的定义CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。在功能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工制造、管理到售后服务的全部活动。CIMS比传统的工厂自动化的范围大得多，是一个复杂的大系统。(2)CIMS模式的自动化不是工厂各个环节的计算机化或自动化(有人称自动化孤岛)的简单叠加，而是有机的集成，并且这里的集成不仅仅是物质、设备的集成，更主要的是体现在以信息集成为特征的技术集成，以至于人的集成。CIMS的定义CIMS是一种基于CIM哲理构成50CIMS的组成(1)工程设计系统。

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