数控技术发展趋势080930

郑小年数控技术发展历史、现状与趋势华中科技大学国家数控系统工程中心教授、副总工程师武汉华中数控股份有限公司副总经理一、数控技术的战略地位二、中国数控系统产业的发展历程与现状三、世界数控技术的发展趋势提要一、数控技术的战略地位中国已成为世界第四制造大国制造业是我国国民经济的基础和支柱全部就业人数11.27%工业就业人数的90.74%2002年制造业提供的就业人数工业税收78.93%总税收的28.74%2001年全国制造业创造的税收2003年全国制造业贡献的GDP和出口GDP总值的29.07%出口总额的92.06%ybs:中国统计年鉴，2004；中国装备制造业发展研究报告，国家发改委产业发展司，2002一、数控技术的战略地位制造业的发展离不开先进制造装备装备制造业的水平，决定一个国家的制造业在国际分工中的地位制造装备的技术水平关系到制造业的产业结构调整关系到产业技术升级决定着我国制造业在国际上的竞争力Ybs：机电商报，2005。2。28在西方发达国家，装备制造业在制造业中所占的比重非常高一、数控技术的战略地位世界机床产量的1/5用于中国市场国产数控机床产量占有率稳定在60％左右，但产值占有率逐年下滑高附加值的高档数控机床基本依赖进口数控机床是制造装备的装备

我国已成为数控机床世界第一大消费国和进口国ybs:2001-2004年世界主要机床生产国的产值、进口、出口和消费额[J].世界制造技术与装备市场，2004.1一、数控技术的战略地位数控系统是装备的“大脑”，数控化是装备发展的主流趋势已在军工、船舶、汽车、电子、纺织、印染等各行各业的制造装备中，得到了广泛的应用IC装备

船舶制造装备纺织印染装备汽车制造装备军工制造装备一、数控技术的战略地位提高制造精度；缩短制造周期；简化机械结构；提升装备性能；带动制造装备向高速、高精、高效方向发展制造装备正从机械化向数字化转变一、数控技术的战略地位

高档数控系统是西方对我国封锁与限制的重点中国必须拥有自主的数控系统核心技术和产品东芝事件考克斯报告数控技术关系到我国的经济安全、产业安全和国防安全华中数控与武重联合开发的“重型七轴五联动车铣复合加工中心”，加工8米船用螺旋桨，打破国外封锁，已由镇江推进器厂购买。1、国家高度关注自主知识产权的数控系统

2、国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见

3、国家重大专项：高档数控机床及基础制造装备

（高档数控系统项目拨款超过10亿元）二、中国数控系统产业发展历程和现状

中国数控发展的三个阶段

第一阶段：封闭式发展阶段第二阶段：引进技术，消化吸收，初步建立起产业体系阶段第三阶段：实施产业化工程，进入市场竞争阶段中国数控发展现状我国数控技术发展取得了一定成绩：“六五”：引进技术“七五”：消化吸收、“三大三小”日本抑制中国数控产业发展的策略：控制中国的数控技术落后十五年1、转让落后技术，控制核心芯片2、推出先进技术的新产品，抢占市场3、挖走中国引进技术培养的人才4、诱惑中国企业合资，导致中国企业破产九十年代中期，中国数控的状况：三打祝家庄屡战屡败，屡败屡战数控－－》“控诉”梁会长访日的感受：前途一片渺茫没有创新，就没有出路。惨痛的历史教训说明一个硬道理：数控系统这样的战略高技术，靠花钱引进根本办不到；盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人；中国数控产业的唯一出路，就是走自主创新之路，用中国人自己的核心技术振兴中国数控产业!中国数控发展现状我国数控技术发展取得了一定成绩：“八五”：自主开发、“四个I型”中华I型、华中I型、航天I型、蓝天I型“九五”、“十五”：产业化攻关，“东南西北中”开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。数控系统的分类电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈数控系统的分类全闭环数控系统

全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。数控系统的分类位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈经济型：开环控制、单片机的CNC、数码管或单色小液晶显示、内存《100KB、步进电机驱动、联动轴数2轴-2轴半、机床快速《6米/分；精度为》0.01mm，系统的价格便宜。典型系统有：大方、西门子802S等；主要适用于车床等。数控系统的分类普及型：半闭环控制、8—32位CPU的CNC、9寸单色显示器、无图形彩色显示、内存约150KB、有DNC功能、模拟式直流有刷或直流无刷伺服电机驱动、联动轴数3-4轴、机床快速：6-16米/分；定位精度为0.005-0.01mm。典型系统有：Fanuc0、西门子810、802C系列、等、主要适用于价格较低的车、铣、加工中心。数控系统的分类高档型：全闭环控制、32-64位CPU的CNC、彩色或TFT液晶显示器、图形显示、内存》150KB、有DNC和网络功能、可扩展数字仿形等功能；良好的用户编程界面；数字式交流无刷伺服电机驱动、联动轴数4轴以上、机床快速可》16米/分；定位精度》0.005。典型系统有：Fanuc160i、西门子840系列、马扎克640等、主要适用于高档、高精度加工中心。数控系统的分类总体评价：曙光初现:73000台:37000台2006年中国市场销售数控系统约11万台2006年中国数控系统市场态势：葫芦形经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％

1、国产经济型数控系统主导中国市场：适应中国市场需求。可靠性得到了提高，功能实用，价格低廉，有很大的竞争优势，得到了广大用户的认同。目前约占到我国整个数控系统市场的60%左右。

2006年，我国经济型数控系统产量达到6万多套，市场占有率高达95％以上。外国公司也推出了几款低价格的经济型数控系统，但价格上、服务上还是没有优势，市场推广竞争不过国产系统。世纪星HNC-18/19XP系列数控系统HNC-18iTHNC-18xpMHNC-18xpTHNC-18xp加长板2006年中国数控系统市场态势：葫芦形经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％2、国产普及型数控系统的技术、可靠性差距显著缩小,但外国品牌依然占领国内市场目前，行业主导企业普及型数控系统已实现批量生产，在数控铣床、加工中心等中档数控机床得到批量配套应用，销售到最终用户后，反映良好。具备全数字交流伺服驱动系统和主轴伺服驱动系统等配套能力。从技术水平上比较，国产普及型数控系统的功能、性能与国外比并不差，价格和服务方面还有较大优势，可靠性与国外系统的差距也已显著缩小。世纪星HNC-21i/22i五代数控系统更新换代型，采用新的结构，采用CAN总线支持I/O扩展，最多支持8轴联动HSV-160伺服驱动器HSV-162双轴伺服驱动器HSV-16的更新换代产品，模具成型结构，外观更漂亮，控制与动力电源一体化，使用更简便控制两台电机，成本低HSV－18S-100/150、200大功率进给与主轴驱动器(22KW)大连机床集团配华中数控系统的生产车间吴邦国委员长和温家宝总理视察大连机床集团时赞扬华中科技大学成功开发了高档数控系统，并与大连机床的实施产学研合作。温总理说“你们帮助企业提高了技术，企业也帮助你们发展，我们中国要成为数控机床的大国！”湖北三环汽车方向机有限公司配华中系统40多台数控机床的生产现场，用户说：华中数控系统与西门子等系统不相上下。德州液压公司批量选用配置华中数控系统的鲁南机床江苏超力集团一汽发动机厂东风（十堰）发动机减震器有限公司陕西军工企业批量配置华中数控系统的军品车间2、国产普及型数控系统的技术、可靠性差距显著缩小,但外国品牌依然占领国内市场主要差距：1）用户对国产品牌认同度低，表现为普及型数控系统市场主要被国外占领。2006年国产普及型数控系统在中国已销售约7000余套，占市场份额约17％。2006年国外的普及型数控系统在中国销售约35000余套，占市场份额约83％。2）生产工艺管理技术、生产检测手段、可靠性考核手段、质量控制等规模化生产技术比国外落后，影响产品的可靠性、质量的稳定性，表现为前期故障率较高，前期磨合周期较长。2006年中国数控系统市场态势：葫芦形经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％

3.国产高档数控系统技术有了突破，但差距较大已掌握了高档数控系统的部分核心技术，华中数控、蓝天数控等企业均开发了一些高档数控系统产品，并在我国著名军工企业得到了实际应用。“奋进号”系列HNC-210A、B、C数控系统支持8轴联动、CF/USB、远程I/O扩展与桂林机床合作开发五坐标数控龙门铣床，打破国外封锁，已被南昌飞机公司订购。迫使国外放松对中国五坐标数控系统的限制。据本届CCMT2008展览会共展出配国产数控系统的五轴联动数控机床15台，其中配华中数控系统的五轴联动数控机床达8台，超过总数的50%，受到李长春等中央领导的好评。桂林新展出的五轴龙门机床齐二展出的五轴机床大连机床集团的5轴联动数控机床北京机电院的5轴联动数控机床山东章丘大型龙门铣床

3.国产高档数控系统技术有了突破，但差距较大技术方面的差距：1）功能差距：功能还不够完善，在实际应用中验证还不全面；2）性能差距：在高速（快速进给速度40米/分以上）、高精（分辨率0.1微米以下）、多通道控制、双轴同步控制；国外系统采用运动控制总线技术适应高速高精加工，而我们以模拟量或脉冲量接口居多；3）产品的系列化差距：如伺服电机、伺服驱动、主轴及主轴驱动从小到大各种规格不全；HRV4技术；4）电主轴、直线电动机、力矩电动机等功能部件，有很大差距；

3.国产高档数控系统技术有了突破，但差距较大市场方面的差距：

2006年，国外公司在中国销售高档数控系统约2000台左右，约占市场份额的99.5％，而国产高档数控系统只销售了十多台，约占市场份额的0.5%。由于受到西方出口许可限制的约束，中国市场销售的绝大部分高档数控系统是西门子的840D产品。

2010年中国数控系统市场态势预测：橄榄形总需求：15万台经济型：30％普及型：60％高档型：10％约45000台约90000台约15000台经济型：60％普及型：38％高档型：2％约66000台约42000台约2000台2007年2010年发展战略：稳住经济型系统市场，努力提升技术；大力推动中档系统实现产业化，努力提升市场占有率；重点开发高档数控系统，实现技术突破和产品化。

三、世界数控技术的发展趋势三、数控技术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1、运行高速化：

使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。

n

进给率：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；三、数控技术发展趋势主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。

n

主轴最高转速达200000r/min。

n

主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。换刀速度。

n

0.9秒（刀到刀）、2.8秒（切削到切削）

三、数控技术发展趋势高速切削工艺的优点高速切削工艺意味着什麽?

减少达30%的切削力

进给速度提高5到10倍

减少传递到工件上的热量

特定的材料去除量可增加高达40%高速切削的优点缩短生产周期提高产品质量使新的工艺方法得到应用降低生产成本生产插头座用的硬度为HRC54的压铸模技术数据:

材料在未淬硬条件下的预加工

普通方法的总加工工时

-淬火

-加工电极 55h

-电火花加工

-抛光

高速切削方法的总加工工时:14.5h减少加工工时：75%表面加工质量极佳大幅度降低成本

尺寸:250x200x80mm可完全代替电火花加工方法完全消除了因电火花加工所产生的微小裂纹，延长铸模的使用寿命

实现高速切削加工的要素

1）高速主轴现在的机械加工，要求主轴转速越来越高，高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术，是高速加工机床的核心部件。数控机床采用主轴电动机与机床主轴一体化的电主轴部件，高转速下主轴的刚性、动态特性、轴承及冷却系统等都对高速主轴的使用性能有着重要影响。已经有全套的电主轴系统，包括：电主轴、矢量变频驱动、油气润滑装置、冷却装置、管路、电缆、刀具等。当前，共有15类60几个型号的电主轴产品，最大转速可达140000r/min，直径范围33~300mm，功率范围125W~80kW，扭矩范围0.02~300Nm。

高速主轴内部结构

2）高速加工数控系统

高速加工对数控系统要求:

（1）高速切削有着不同于传统数控加工的特殊工艺要求，要求能够高速度处理程序段,能快速形成刀具路径，走刀路径应圆滑，少拐点，加工时能够尽量减少机械的冲击，使机床平滑移动,避免刀具振动等；（2）程序算法应保证高精度，确保合理的进给速度,待加工轨迹监控进给速度控制超过100个程序段,能够迅速，准确地处理和控制信息流，使其加工误差控制为最小；（3）高速切削的数控系统必须具有相应的高速高精度控制功能。比如：NURBS插补、加工残余分析、待加工轨迹监控、尖点控制、自动防过切保护、补偿功能

高速加工对数控系统要求:

（4）足够的程序容量，让大容量加工程序高速运转，并具有通过网络传递大量数据的能力（5）具有高的抑制外部扰动力的能力(即高的鲁棒性);机械误差补偿；机床可靠性和安全性十分重要；（6）系统对高速采样截尾误差进行精确预估，可消除各轴线的轮廓误差，提高走刀精度,以保证系统运行的平稳性；（7）系统具有足够的超前的路径加（减）优化预处理能力，即应具备超前程序段预处理能力;易于改型，比如夹紧调整，或五轴转换；（8）有刀具长度、半径修正；自动光顺走刀路径功能；3）高速进给系统

（1）旋转伺服电机＋滚珠丝杠系统：目前普通丝杠的最大进给速度为40mm/min，最大直线加速度为0.5g，高精密滚珠丝杠的最大速度已达60mm/min，最大加速度达1.0g；这种传动方式由于从电机轴到工作台之间存在一系列的中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差；中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，产生变形，影响加工精度。传统的进给系统结构复杂，难以集成和实现模块化，安装、调试困难，造成机床整体结构复杂化。滚珠丝杆的刚度、惯性、加速度等动态性能已远远不能满足要求。进给速度达240米/分的NSK滚珠丝杆和滚动导轨

（2）直线电机进给系统：取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”（directdrive）或“零传动”。直线电机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点采用直线电动机驱动的高速加工中心已成为21世纪机床的发展方向之一，其中，永磁式直线电动机以其时间常数小、高频响应特性好、推力强度高、损耗低、控制比较容易等一系列特点在高速、高精密、高频响数控机床的进给驱动部件研究中具有明显的优势。直线电机高速进给单元主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、反馈测量系统、防护系统等五部分组成。DMG采用直线电机的卧式加工中心（120米/分）

二种进给系统比较

直线电机与“旋转电机＋滚珠丝杠”相比，其优点在于：

1）没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除了导轨外没有其它摩擦；

2）结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件；

3）行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响；

4）可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是其一个突出的优点；

二种进给系统比较

5）加速度很大，最大可达10g；

6）运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故；7）维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。

4）高速加工CAM软件

用于高速加工的CAM编程系统必须具有很高的计算编程速度，全程自动过切处理能力及自动刀柄干涉检查功能，具有进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能、较强的插补功能、“加工残余分析”功能。不是所有CAM软件都能用于高速加工数控编程。

5）高速加工的刀具及其他

高速切削刀具

必须具有优良的机械性能和热稳定性，即良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。目前，陶瓷、立方氮化硼（CBN）、涂层硬质合金等刀具均可作为高速切削模具钢件的刀具材料。刀具的涂层技术是提高高速切削能力的关键技术之一。

冷却系统：

强力高压、高效的冷却系统以解决极热切屑问题。采用温控循环水（或其它介质）来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、电气柜，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。2、加工高精化：

提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。

提高CNC系统控制精度：

n

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；

n

采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度；

n

位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。三、数控技术发展趋势101001000切削速度m/min0.010.11.010100加工精度µm普通数控机床高速超精高性能数控机床下一代汽车制造需求的机床性能未来10年数控机床的亮点101001000切削速度m/minX和Y轴位置稳定度0.5µmZ轴位置稳定度0.1µm纳米插补，备有热控制室，室温±3°，机床仅±0.15°采用误差补偿技术：

n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；

n设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。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％。三、数控技术发展趋势德国海德汉公司赠送德二维长光栅用步距规检测数控机床几何误差实验结果:没有补偿的误差曲线实验结果:单向补偿后的误差曲线实验结果:双向补偿后的误差曲线未补偿单向补偿双向补偿反向间隙58.4038.605.80重复定位误差22.6921.8822.45定位误差151.8789.9933.80数控机床几何误差的快速标定及补偿技术3、功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；三、数控技术发展趋势DMG的车铣复合数控机床

复合加工：一次做成G400-0005STAMA526MT立式加工中心1个铣削主轴2个车削主轴9轴数控、5轴联动4、控制智能化加工过程的智能感知与控制技术；作业规划智能化技术；智能化操作，编程技术；专有、复合加工工艺专家系统在数控系统中集成三、数控技术发展趋势智能化交流伺服驱动装置：智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。数控仿型技术三、数控技术发展趋势信息塔(e-Tower)

机床信息化，具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，实时反映机床工作状态和加工进度操作权限指纹确认。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。故障报警显示、在线帮助排除从完整加工到自主管理操作权限指纹确认加工任务完成情况和机床状态可用手机查询数码相机数控仿型加工系统现有数控系统

加工信息输入文件的标准——ISO6983协议特点以面向运动和开关控制的原则进行，采用G，M代码，传递的信息是“怎么做”；不足：数控系统不知道在“做什么”

CAM系统不知道“怎么做最好”

三、数控技术发展趋势STEP-NC的简单定义

STEP-NC就是将STEP协议推广应用到NC系统中，重新规定了CAX与CNC之间的接口，取代ISO6983协议，成为NC系统输入信息的协议。STEP-NC带来的好处

数控系统的智能化CAM/CNC之间功能的重新划分数据共享与网络化制造编程方便好的互操作性和可移植性

5、体系开放化具有先进性和可扩展性；具有可维护性和可升级性；具有与企业制造信息系统的可集成性；具有特殊工艺软件的可开发性；具有使用操作的简易性。结论：用户需要开放式数控系统

二、数控技术发展趋势特征：可移植性——功能模块可用于不同控制系统可扩展性——功能相似模块之间可互相替换，随技术进步可更新软硬件可缩放性——有即插即用功能，根据需求变化，能方便有效重新配置互操作性——使用标准I/O和网络功能，容易实现与其它自动化设备互连。国内外开放式数控系统的研究进展美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)计划欧共体：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)计划日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)计划华中I型、航天I型——基于IPC的CNC开放体系结构以PC为基础的CNC类型PC嵌入式NC：保持专用CNC，通过通信和PC相连，有一定开放性，但用户无法界入系统的核心。如FANUC18i，16i，SIEMENS840，AB9/360等系统。NC嵌入式PC：在标准的工业PC上安装专用的运动控制卡，如美国DELTATAU公司PMAC-NC系统。以PC为基础的CNC类型软件CNC：系统的所有功能通过工业PC来实现，用户可以在DOS、WINDOWSNT平台上利用开放的CNC内核，开发各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，其性能价格比高，如华中数控系统，美国MDIS公司的OPENCNC，德国POWERAUTOMATION公司的PA8000NT。基于现场总线的PC控制：系统是开放结构数控系统体系结构的主流。开放式数控系统构成应用程序接口NC内核MSDOS/LinuxRTM实时扩展PLC程序设备驱动程序网络服务程序应用程序远程应用程序软件平台结构开放式数控系统体系结构磨削应用软件车削铣削锻压数控系统应用软件模块齿轮加工数控系统应用软件模块电加工数控系