哈工大——机床数控技术大作业

1 Harbin Institute of Technology 数控技术大作业数控技术大作业 题 目 数控系统国内外发展及应用现状 院 系 机械制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 哈尔滨工业大学 2 目目 录录 摘摘 要 要 3 引引 言言 3 一 一 数控系统的发展过程和趋势数控系统的发展过程和趋势 3 一 数控系统的发展简史 4 二 数控系统发展趋势 4 二 二 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 5 一 FANUC 的新一代 NGC 系列数控系统 5 二 三菱数控系统 C70 6 三 西班牙发格 CNC 8065 T 数控系统 6 四 广州数控 GSK928TD 车床数控系统 7 五 南京华兴数控 WA730M 5 8 三 三 国内数控系统与国外数控系统比较国内数控系统与国外数控系统比较 8 一 国内数控系统现状 8 二 国外数控系统现状 9 三 国内外数控系统的比较与差距 9 参考文献参考文献 9 3 调研报告 数控系统的国内外发展及应用现状 机电工程学院 张晓强 学号 1110810906 摘摘 要要 数控系统是现代制造技术的基础 应用十分广泛 它使普通机械被数控机械所代替 全球制造 业发生了根本性变化 本文对数控系统的发展过程和趋势进行总结 分别对国外和国内的几种 数控系统进功能介绍与应用分析 对国内数控系统与国外知名的数控系统进行比较 并总结存 在的差距 关键词 关键词 数控系统 发展趋势 应用现状 国内外对比 一 引一 引 言言 从数控系统出现以来 给制造业带来了革命性的变化 数控加工具有如下特点 加工柔性好 加工 精度高 生产率高 减轻操作者劳动强度 改善劳动条件 有利于生产管理的现代化以及经济效益的提 高 数控系统是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 数控装备是以数控系统为代表的新 技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 即所谓的数字化装备 其技术范围覆 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 软件技术等 二 数控系统的发展过程和趋势二 数控系统的发展过程和趋势 一一 数控系统的发展过程数控系统的发展过程 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 帕森斯公司与美国麻省理工学院 MIT 开始共同研究 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 4 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 二 数控系统的发展趋势 二 数控系统的发展趋势 1 1 高速化高速化 数控机床向高速度发展的主要目的是提高生产率 1 主轴转速 近些年来 数控机床的主轴转速普遍提高 中 小型加工中心的主轴最高转速大部分提 高到5000 6000r min 有的数控机床已经达到4000r min 2 提高进给速度 一般的加工中心 进给速度可达1 2m min 快速移动速度已达33m min 逐步靠近 50m min 3 缩短辅助时间 缩短辅助时间包括缩短换刀时间 刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等 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 2 2 高精度化高精度化 高精度并不仅仅是指数控机床对工件的加工速度要高要快 生产的产品精度更高 而且也要求数控 机床在工件加工的整个过程中都要高速运转 精确定位 以减少工件在准备 加工 转运 收储等各个 环占用的时间 综合提高工厂的生产效率 降低生产成本 更高精度的机械产品在实际使用中会带来更 多的益处 如减少运转过程中的摩擦和发热 降低能源损耗 使整机运转更加平稳可靠 减少故障出现 的几率等等 为了实现高速高精度的目标 自动化产品厂商们加大了技术投入和开发力度 研发了更多 的自动化产品应用于数控机床 如直线电机 电主轴 更高线数的编码器 精度更高更稳定的光栅尺等 等 这些自动化产品为数控机床实现高速高精度功能提供了强有力的支持 3 3 复合化复合化 当今的机械加工更趋向于高精度 多品种 小批量 低成本 短周期和复杂化的加工 复合加工是 数控机床的一个重要技术发展方向 复合功能使数控机床显著提高了工件成品的生产速度 能够大大消 除散列工序加工过程中的运输 装夹及等待时间 使加工周期大大缩短并降低加工车间的在制品数量 工件在机床上只有一次装夹定位 既减少了加工辅助时间 又提高了工件的加工精度 显然 复合加工 机床对自动化产品的要求更高 复合功能的实现依赖于针对工件和刀具的实时检测与智能判断 数据运 算 刀具管理及系统控制 高灵敏度的探针 高速处理芯片 体积更小 响应速度更快的传感器和执行 器等自动化产品和技术在机床上将会得到更为广泛的应用 4 4 智能化智能化 智能化的主要趋势如下 1 自动识别加工特征的 带有工艺规划的编程系统 2 自动防止刀具和工件干涉碰撞 智能刀具监控技术 自主发现刀具存在的问题 并实施相应的应 对策略 3 对机床振动情况监测 进行机床振动等级评价 借助相应的抑振算法或智能主轴转速调整 自动 抑制振动 以提高加工的平稳性和刀具寿命 5 4 自动位置检测和补偿功能 自动补偿主轴 立柱 床身等热变形的影响 5 自动补充润滑油和抑制噪音的功能 6 机床故障诊断及维护等 因此 智能化数控系统的配置将根据不同的目标和应用场合 进行选择和组合 有针对 有选择的 集成智能化技术 构筑由简单到高级的智能化产品体系 5 5 信息化信息化 目前 具有网络化功能的自动化产品在数控机床中得到大量应用 这也是自动化产品和技术飞速发 展的动力之一 数控系统生产商已经在系统中集成网络接口 来满足和适应生产加工的快速化 信息化 网络化的要求 而国内使用信息化 网络化机床的用户也正在从中获得巨大的收益 因此 数控机床应具备并实现语音 图形 视频和文本的通信功能 通过网络信息的共享 生产计 划调度部门可以实时监控机床工作状态和加工进度 向网络信息的其他使用部门传递共享信息 在网络 上观察加工过程 统计报表 跟踪生产进度 查看故障报警 在线诊断及帮助排除故障等功能 6 6 绿色化绿色化 节能减排是当今社会的热点 低碳环保是当今时代的主题 全球范围内都在提倡绿色经济 低碳经 济 这样的发展趋势和环保要求同样在数控机床行业得到响应和实践 这就要求机床的制造材料要环保 可以回收利用 能够降低空运转功率 减少功率损耗 尽可能减少机床使用和工件加工过程中产生的各 种废弃物 并保证这些废弃物不污染工作环境和自然环境 因此 自动化产品 数控系统和数控机床制 造商们根据各自的研究成果 采用新的环保材料和生产工艺 改变产品结构和方式 研发新的技术手段 改进废弃物的回收方式等 把环保节能的绿色要求和指标嵌入到了数控机床中 以使数控机床对环境的 影响降低到最小程度 三 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析三 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 一 一 FANUCFANUC 的新一代的新一代 NGCNGC 系列数控系统系列数控系统 1 FANUC1 FANUC 新一代新一代 UGCUGC 的的 3 3 个系列个系列 a 0i 系列 高可靠性和高性能价格比的 CNC 该系列包括 FS0i 0i Mate MODEL C b 16i 系列 适合于高速 高精 纳米 CNC 该系列包括 FS16i 18i 21i MODEL B c 30i 系列 适于先进 复合 多轴 多通道 纳米 CNC 该系列包括 FS30i 31i 32i MODEL A 2 2 这些系列的数控系统主要特点为 这些系列的数控系统主要特点为 a 可以满足从低端到高端的需要 从一般的车床 铣床 加工中心 磨床到功能齐全的复杂 先进的复合 高精 高速和高效 多轴 联动 多工位 多通道数控机床等 都能满足 也可以适应从金切机床到冲压成形机床的不同品种的需 要 b 采用最新的硬件技术 NGC 的 30i 系列采用了最新的超高速微处理器 另外 除了在液晶显示器的下面配备的横排软键外 还在液晶显示器的旁边新设了竖排软键 利用横竖两排软键 可方便地进行屏幕操作 c 多轴 多通道的数控系统 NGC 系列新开发的 16i 系列 轴数有了明显的增加 表 2 是 16i 系列的轴数 其中括弧内为旧 16i 系 列的轴数据 d 具有丰富的高精 高速功能 6 i 纳米插补 纳米插补产生以纳米为单位的指令给数字伺服控制器 使数字伺服控制器的位置指 令平滑 因而也就提高了加工表面的平滑性 ii AI 纳米轮廓控制功能 iii AI 纳米高精度控制 iv 加速度控制 这个功能可以提高加工表面的质量 减少加工时间 v NURBS 插补 NURBS 是一种自由曲线 当采用 CAD 设计模具时 NURBS 被广泛地用来表示自由曲 线 vi 纳米平滑 在模具加工中 可以再现由 CAD 设计的自由曲面 实现 无研磨 平滑 由于纳米 插补使用由 CAD CAM 系统创建的微小的线段程序 因此可以继续使用过去已用惯的程序 3 NGC3 NGC 系列系列 5 5 轴加工主要功能 轴加工主要功能 a 用于 5 轴加工的刀具中心点位置控制 b 倾斜面加工命令 c 用于 5 轴加工的手动进刀 4 4 其他特性其他特性 a 高速 大容量 多通道的 PMC 30i 系列由专用的处理器和最新的专用 LSI 组成的 PMC 对大量的顺序控制进行高速处理 可以在一 台 PMC 上执行最多 3 个通道 各自独立的梯形程序 b 伺服 HRV High Response Vector 控制 FANUC 的伺服 HRV 控制是实现纳米 CNC 系统的高速 高精度的伺服控制 目前已发展和实现了 HRV4 控制 采用 HRV4 控制 可以大幅提高对命令的响应性和抑制外部干扰 电流的控制是所有伺服控制的基 础 HRV4 可实现最高超过 1kHz 的高频响应特性 它还可以实现增益更高的速度控制 c 丰富的网络功能 利用丰富的网络功能和软件 通过网络传递和共亨信息 管理系统和使用系统 在构建复杂的多路 径系统中 实现优良的可视性和操作性 二 二 三菱数控系统 三菱数控系统 C70C70 三菱数控系统 C70 系列 1 满足生产线 汽车发动机等 部品加工要求 提高了可靠性 缩短了故障时间 2 一块基板上同时最大可连接 2 个 NC 控制器 3 强化了数控功能 单个 NC 控制器内支持最大系统数 7 最大支持 6 主轴 4 标准采用彩色触摸屏显示器 可用 GT Designer 自定义操作界面 5 PC 平台伺服自动调整软件 MS Configurator 简化伺服优化手段 6 全面采用高速光纤通信 提升数据传输速率和可靠性 三 三 西班牙发格西班牙发格 CNCCNC 80658065 T T 数控系统数控系统 发格自动化隶属于蒙德拉贡集团 蒙德拉贡集团是巴斯克地区最大 西班牙第七大的集团公司 由 260 多家公司和企业组成 发格CNC 8065 T 数控系统操作简单 功能强大 该系统用于控制高生产率的 车削中心 立式车床 倾斜床身车床 平床身车床 双转塔 TT 多转塔多主轴车床 车铣复合机床 有如下特点 1 采用人机工程学设计 带触摸屏的新式键盘设计 集成鼠标及USB 接口 安装设计和组件技术 符 合IP65 NEMA12 密封标准 2 高速加工 多项式内插算法 splines 保证了优异的工件表面质量及高速加工 通过提前分析刀具 路径的变化 使加工条件和机床特性相匹配 以保证加工质量 HSSA HighSpeed Surface Accuracy 加 工系统减小了机床承受的负载 使机床运动更平稳 3 优化加工效率 快捷配置各种机床类型 并提供调整工具 加工优化自动调节软件 4 操作贴近用户需求 基于弹出式菜单的操作方式 便于操作者在在工作现场完成各项工作 系统内 置各种手册 便于现场查询 7 5 应用机床行业最新技术 多种实现小公差且高表面质量的先进技术 ARFS 自适应技术的应用极大 地缩短了加工时间 四 四 华中数控 华中数控 HNC 19XP MHNC 19XP M 数控装置数控装置 GSK928TD 采用32 位高性能CPU 和超大规模可编程器件CPLD 构成控制核心 实现 级精度运动控制 在操作上沿袭了GSK928TE 方便 简明 直观的界面风格 具有较强的功能及稳定的性能 在系统操作 安全 加工精度及加工效率方面具有突出特点 1 功能十分丰富 X Z 两轴联动 0 001mm 插补精度 最高快速速度15m min 圆弧加工的最大半径可达11 米 加工 性能高 系统输出脉冲平稳 均匀 工件表面纹路均匀细腻 衔接处无顿痕 高效加工及灵活的实时检 测并行执行处理机制 程序段间过渡不占时间 辅助指令与定位指令可以同步执行 最大限度的安全措 施 提供了多种有关安全方面的参数选项 确保安全使用 具有双重软限位保护功能 机床坐标软限位 刀尖坐标软限位 具有反向间隙补偿 刀具长度补偿功能 C 型刀具半径补偿 具有电子齿轮功能 电 子齿轮比 1 99999 1 99999 具有灵活多样的帮助功能 2 多个指令同步执行 传统数控系统的指令是按顺序执行的 就算将多个指令写在同一程序段内 其实还是按一定的规则 顺序执行的 称之为 顺序流程 我们注意到 在实际加工工件时 有的辅助功能执行起来比较耗时 而多个没有顺序关系的辅助功能则可以同时执行 从而提高效率 928TD 系统能够自动分析各指令之间 的辑关系 自动将互不关联的各种辅助指令同时执行 从而大大提高效率 我们称之为 同步流程 3 输出脉冲平顺均匀 在加工工件时 伺服电机运行在低频状态 数控系统输出的低频脉冲是否均匀至关重要 因为它直 接影响到加工锥面 圆弧的精度和表面粗糙度 928TD 系统着重于改善切削状态下输出脉冲的均匀性 均匀程度达到了微秒级 从而明显地改善了精切的精度和工件表面纹路问题 经过对球形端面的加工比 较对照 加工面更加细腻 五 五 南京华兴数控 南京华兴数控 WA730M 5WA730M 5 WA730M 5 是南京华兴数控技术有限公司集十多年数控系统开发经验 在原有多代成熟产品的基础上 推出的新一代高性能水刀数控加工中心 系统采用超大规模可编程逻辑电路方案 具有更高的加工控制品质和系统升级空间 系统可控制数 字式交流伺服驱动器及三相细分步进驱动器 系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联 螺 距补偿功能使机床的精度检验大为简化 显示采用 10 4 液晶屏彩色显示 具有加工零件图形实时跟踪 显示以及坐标字符显示的功能 界面设计更为丰富人性化 图形模拟功能更为强大 具有三维立体模拟 和二维平面模拟显示的功能 系统结构采用整体式工程塑料压模件 造型美观 便捷的双 U 盘接口 可 实现 U 盘与系统间的程序互存 以及系统在现场升级功能 a 控制轴数 5 轴 b 最大联动轴数 3 轴 c 最小指令单位 0 001MM d 最大编程尺寸 99999 999 e 最快速度 60M MIN f 进给速度 15M MIN h 程序容量 个数 8M 600 i 彩色 TFT 液晶屏分辨率 800 x600 10 4 吋 TFT 液晶屏 j 输入信号 56 路开关量 光电隔离 其中机床零信号为中断方式接入 快速响应 手轮接口 2 路 X1 X10 X100 倍率 1 路面板配置 1 路标准外接手脉 四 国内数控系统与国外知名数控系统比较四 国内数控系统与国外知名数控系统比较 一 国外数控系统现状 一 国外数控系统现状 8 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 智能化加工不断扩展 随着计算机领域中人工智能的不断渗透和发展 数控系统的智能化程度也得到不断提高 应用自适 应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息 并自动调整系统中的相关参数 改进系统的运 行状态 车间内的加工监测与管理可实时获取数控机床本身的状态信息 分析相关数据 预测机床状态 使相关维护提前 避免事故发生 保证其不稳定工况下生产的安全 减少机床故障率 提高机床利用率 应用先进的伺服控制技术 伺服系统能通过自动识别由切削力导致的振动 产生反向的作用力 消除振 动 应用主轴振动控制技术 在主轴嵌入位移传感器 机床可以自动识别当前的切削状态 一旦切削不 稳定 机床会自动调整切削参数 保证加工的稳定性 4 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 二 国内数控系统现状 二 国内数控系统现状 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