现代数控技术发展(第一讲)模版课件

现代数控技术发展

(DevelopmentofCNC)冯显英（教授、博士生导师）山东大学数控技术研究中心

电话：0531－88392873（O_mail:FXYing@FXYing_SDU@126.com9/19/20231现代数控技术发展

(DevelopmentofCNC)冯工欲善其事，必先利其器中国古代谚语即：制造业要能造出好的产品，必须有先进的工具（设备、刀具、检具等）。现代制造业则必须以现代制造工具作基础，而数控设备则是其关键。9/19/20232工欲善其事，必先利其器中国古代谚语即：制造业要能造出好的产品数控技术的广泛含义1.流程工业的过程工业控制;2.机械制造业的运动控制；3.机械制造业自动化功能控制.

数控系统+数控装备9/19/20233数控技术的广泛含义1.流程工业的过程工业控制;8/5/202制造业和制造技术的形成，只有两百年的历史。18世纪后期，以蒸汽机和工具机发明为特征的产业革命，开始了以机器为主导地位的制造业新纪元，促成了制造企业雏形——工厂式生产的出现。19世纪末、20世纪初，内燃机的发明引发了制造业的革命；由福特、斯隆开创了流水式、大批量生产模式。

2战后，微电子技术、计算机技术、自动化技术得到了迅速发展，推动了制造技术向高质量和柔性化生产的方向发展。

70年代开始，大量生产模式已不能适应新的市场特点，于是相继出现了计算机集成制造、丰田生产模式（精益生产）。也就是说，受市场多样化、个性化的牵引及商业竞争加剧的影响，制造技术进入了面向市场、柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。

90年代,相继出现了智能制造、敏捷制造、下一代制造等新的制造理念。随着社会需求个性化、多样化的发展：生产规模沿“单件－小批量－少品种大批量－多品种变批量－专业化、专门化批量协同生产”的方向发展。制造资源配置沿着“劳动密集型—设备密集型---信息密集型----知识密集型”的方向发展。与之相适应，制造技术的：生产方式则沿着“手工----机械化----单机自动化----刚性流水自动化----柔性自动化----智能自动化”的方向发展。1.制造业的历史回顾9/19/20234制造业和制造技术的形成，只有两百年的历史。120世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用(1946年），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台数控铣床问世至今已经历了50多个年头。数控技术经厉了2个阶段和6代的发展：

第１阶段：硬件数控（ＮＣ）

第１代：１９５２年的电子管

第２代：１９５９年晶体管分离元件

第３代：１９６５年的小规模集成电路

第２阶段：软件数控（ＣＮＣ）

第４代：１９７０年的小型计算机

第５代：１９７４年的微处理器

第６代：１９９０年基于个人ＰＣ机（PC-BASED）

2.CNC产生与发展9/19/2023520世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用(194数控系统的演变分类世代诞生年代系统元件及电路构成世界我国硬件数控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年电子管、继电器，模拟电路晶体管，数字电路（分立元件）集成数字电路计算机数控CNC第四代1970年1976年内装小型计算机，中规模集成电路第五代1974年1982年内装微处理器的NC字符显示，故障自诊断

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口，遥控接口人机对话,动态图形显示,实时软件精度补偿,适应机床无人化运转要求32位CPU，可控15轴，设定0.0001mm进给速度24m/min，带前馈控制的交流数字伺服、智能化系统。利用RISC技术64位系统。微机开放式CNC系统、STEP-NC第六代9/19/20236数控系统的演变分类世代诞生年代系统元件及电路构成世界我国硬件数控系统的技术参数进步状况年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片机16位微处理器32位微处理器64位伺服驱动直流模拟伺服交流模拟伺服交流数字伺服最小设定单位1um0.1um0.01um进给速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min高速型15m/min60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min扩充功能用软件扩充数控功能、刀具补偿，固定循环，存储器运行用软件充实人机接口，彩色显示，会话编程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，数字伺服，高速主轴，智能化开放系统9/19/20237数控系统的技术参数进步状况年代767778798081828数控系统的功能水平项目低档中档高档分辨率1010.1进给速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min联动轴数2-3轴2-4轴或3-5轴以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系统步进电机、开环直流及交流闭环、全数字交流伺服系统内装PLC无有内装PC，功能极强的内装PC，甚至有轴控制功能显示功能数码管,简单的CRT字符显示有字符图形或三维图形显示通信功能无RC232C和DNC接口还可能有MAP通讯接口和联网功能9/19/20238数控系统的功能水平项目低档中档高档分辨率1CNC市场现状目前CNC市场，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45%左右，其次是德国的西门子公司约占15%以上，再次是西班牙发格，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300-400套。国内中高端数控系统被德、日垄断

:在高、精、尖技术方面的差距则达到了１０－１５年。如果没有“中国芯”，就要让人牵着鼻子走，你没有跟他讨价还价的资格；原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。有些高端技术，还要受禁。9/19/20239CNC市场现状目前CNC市场，国际上最大的数控系统生产厂是日第６代的CNC系统主要特点（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；

（２）基于ＰＣ平台，技术进步快，升级换代容易；

（３）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＡＰＰ，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；

（４）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。

9/19/202310第６代的CNC系统主要特点8/5/2023103.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统长期以来，CNC－－传统的封闭式体系结构，只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法实时动态调整，更无法修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。在现代制造系统中的全新制造模式中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

9/19/2023113.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统3.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统(1)1)性能发展方向:(1)高速、高精、高效化。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高。

(2)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。

9/19/2023123.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统(1)1)性能(4)智能化思考型。早期的系统按程序设定执行。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为，CNC和人工智能相互结合，使CNC具有了智能化思考型控制功能。主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，高速加工运动控制的提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度等参数和状态的监测、监控功能等。从而达到最佳控制的目的。2)功能发展方向(1)用户界面图形化：图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过视窗操作，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)科学计算可视化：高效处理数据和解释数据，使信息交流不再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3.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统(2)9/19/202313(4)智能化思考型。早期的系统按程序设定执行。而人工智能则试（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、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)、多项式插补等。多种补偿功能等。加加速度控制功能：加加速度，移动突变时，振动，导致表面质量降低…（4）内装高性能PLC：梯图可视化编程，在线监控、仿真、调试运行。（5）多媒体数控技术：集计算机、声像和通信技术于一体，具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。3)体系结构的发展(1)集成化、超薄型、超小型化：采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、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。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。3.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统(3)9/19/202314（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

(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。(3)网络化：构成DNC系统、远程监控和诊断、交互(4)通用型开放式闭环控制模式：总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。

新一代智能化思考型CNC系统

3.CNC发展趋势－智能思考型软件化数控系统(4)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，具有智能思考功能。9/19/202315(2)模块化：硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准4.CNC--现代数控技术理解1）数控技术的发展过程传统封闭型系统数控NC-->CNC目前仍广泛应用于工业中PC-NC型准开放式数控系统PC嵌入NC(利用PC扩充NC)NC嵌入PC(PC+运动控制卡)90年代初开始，现市场已有产品软件化开放式数控系统基于标准PC软件化NC实时操作系统90年代末提出，现已有SoftServo,OpenCNC，PA传统封闭式数控系统的缺点（1）各厂家产品软硬件不兼容，主流技术远落后于PC软硬件技术，购买、使用成本高;（2）系统功能固定，不能充分反映数控设备制造厂的生产经验，很难满足最终用户的特殊要求;（3）缺乏统一、有效和高速的通道与外部互连，信息被锁在“黑匣子”中，成为自动化的“孤岛”;（4）人机界面不灵活，系统的培训和维护费用昂贵。9/19/2023164.CNC--现代数控技术理解1）数控技术的发展过程传统封PC-NC结构的不足（1）仍存在专有硬件（2）信息的交换还不是完全开放的（3）与I/O接口连线多（4）成本高（5）工业化设计不如传统数控系统软件化开放式是数控系统的发展方向（1）基于标准的PC硬件（2）信息的完全开放，软件模块的PnP，（3）与I/O的连接为现场总线结构PROFIBUS，SERCOS，MACRO,HS-Link,IEEE1394a(b),实时以太网（4）完善的网络功能（5）成本低注：SERCOS--SErialReal-timeCOmmunicationsSystem9/19/202317PC-NC结构的不足（1）仍存在专有硬件软件化开放式是数控2).现代数控技术的基本构成--数控系统体系结构

（开放式、智能化、软件化）IEC61131-3驱动技术

RTOS现场总线软件化数控系统体系结构9/19/2023182).现代数控技术的基本构成--数控系统体系结构

（开放式、3).开放式数控系统的主要进展开放性的定义★可移植性（Portability）--POSIX1003.1b★可缩放(升级）性（Scalability）★可扩展性（Extensibility）★可交换性（Exchangeable）-Configurable★统一的操作界面（Uniformityinterface）国内外主要研究计划★（1）美国的NGC、EMC、OMAC★（2）欧共体的ESPRIT6379OSACA★（3）日本联合六大公司成立了OSEC组织★（4）美国MDSI公司、SoftServo和德国PA公司★（5）国内华中、航天、蓝天、珠峰★（6）大学研究计划9/19/2023193).开放式数控系统的主要进展开放性的定义国内外主要研究计划OSACA--OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems

OSACAisajointEuropeanprojectwhichaimstoimprovethecompetitivenessofthemanufacturersofmachinetoolsandcontrolsystemsintheworldmarket.Themaingoaloftheprojectistospecifyasystemarchitectureforopencontrolsystemswhichismanufacturerindependent.TheachievementsoftheOSACAprojectwillreducethetimetomarketfornewproductsaswellasincreasingtheflexibilityofcustomisedcontrolsystemsandreducingthecostofdevelopment,maintenance,trainingandwritingofdocumentation.Figures&FactsProjectstart:November1992Projectend:June1998Totalduration:66monthsTotaleffort:96manyearsTotalcosts:12.3MECU9/19/202320OSACA--OpenSystemArchitectuOPC(1)9/19/202321OPC(1)8/5/202321OPC(2)9/19/202322OPC(2)8/5/202322OPC(3)9/19/202323OPC(3)8/5/202323标准化、模块化软硬件体系结构

软件化数控内核—实时操作系统数控系统与驱动和数字I/O连接--现场总线

网络化是E-Manufacturing对数控系统的必然要求

自治智能化是下一代CNC系统的发展方向

##:STEP－NC（ISO14649)4).开放式数控系统的发展方向FIELDBUSPROFIBUSPA/FMS/DPSERCOS--SErialReal-timeCOmmunicationsSystemMACROSIEEE1394--FIREWIRECAN—ControllerAreaNetworkHS-LINKRealtimeEthernet(TCP/IP)USB—UniversalSerialBus9/19/202324标准化、模块化软硬件体系结构4).开放式数控系统的发展方向SERCOS--SErialReal-time

COmmunicationsSystem9/19/202325SERCOS--SErialReal-time

COmmSTEP-NC概要（以新的数据接口规范取代ISO6983）

STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData－－ISO10303）CNC编程语言G、M代码－－ISO6983，由CAD->CAM系统产生新标准“CNC控制器的数据模型”（DatamodelforcomputerizednumericalcontrollersISO14649）旧标准存在问题：(1)基于ISO6983标准的数控指令（G、M代码）支持面窄(无样条插值和五轴加工、前瞻功能（LOOKAHEAD)，而且系统之间不兼容。(2)

获得的信息局限于程式化的动作和开关逻辑，故只能被动执行指令，缺乏智能化基础。(3)设计与加工的信息不兼容，产品信息只能单向流动，现场的修改难以自动反馈到上游系统。据NIST估计：数据的不兼容给制造业带来的损失多达900亿美元。(4)依赖CAM软件的后处理程序，其间的数据转换往往会造成信息流失。加工轴的刀具中心轨迹的编程，而不是零件的加工过程的编程9/19/202326STEP-NC概要（以新的数据接口规范取代ISO6983）CNC系统直接使用符合STEP标准（ISO10303）的CAD三维产品数据模型（包括几何数据、设计和制造特征），加上工艺的信息和刀具信息，直接产生加工程序来控制机床，消除CAM与数控系统之间的信息流瓶颈，从而基于STEP建立起支持产品全生命周期的信息高速公路，解决目前数字制造系统中信息模型不统一、系统不兼容等问题。STEP-NC概要新标准STEP-NC的基本思想可以简述为：9/19/202327CNC系统直接使用符合STEP标准（ISO10303）的CSTEP-NC概要STEP－NC的优势CADCAMCNC35%faster75%faster50%fasterSTEP(AP-203)STEP-NC(AP-238)相同的几何信息IGESCAMPOST-PROCESSRS274D9/19/202328STEP-NC概要STEP－NC的优势CADCAMCNC35CIMTurretPunchingWire-cutEDMCNCMillingCNC(5AXES)5.CNCEQUIPMENTS1).数控设备的理解9/19/202329CIMTurretPunchingWire-cutEDMC2).HSC技术及HSMT特点n=70000rpm;内置感应电机；水冷；电磁轴承n=100000rpm；液体静压轴承瑞士IBAGCo.电主轴、直线电机9/19/2023302).HSC技术及HSMT特点n=70000rpm;内置感应HSM特点与高速CNC机床发展趋势电主轴单元和直线电机驱动单元；高速化：n=10000~150000rpm;a=(1~8)g，V=40~120m/mim;高速CNC机床发展趋势1.高速、高精度向纵深方向发展;2.开放式、模块化、智能化和网络化结构；3.干切削和绿色化；4.从低层次应用起步的“并联＋串联”结构机床到真正意义上的“并联”结构的虚拟轴机床“串联”结构：即机床设计方案采用典型的笛卡尔坐标制，各轴之间呈直角分布，包括刀具轴和工件轴，从而表现为一种串接的刚性组合。这样，机床上后运动的轴要受到先运动轴的带动和加速。“并联”结构：所有的驱动装置都支承在一个固定支座或地基之上，驱动装置直接作用于运动平台，平台上安装着主轴头、工件支座或者是机械手。在固定支座与运动平台之间形成了多个与平台自由度相适应的封闭运动链，而该运动链呈平行刚性分布，所以称这种运动力学为并行运动学。

9/19/202331HSM特点与高速CNC机床发展趋势电主轴单元和直线电机驱动单3).虚拟轴并联数控机床9/19/2023323).虚拟轴并联数控机床8/5/2023329/19/2023338/5/2023339/19/2023348/5/202334CNC应用－复杂运动控制与曲面加工3轴加工15x转台15x转台25x转台35x转台45X摆头主轴换刀9/19/202335CNC应用－复杂运动控制与曲面加工3轴加工18/5/2023

成组技术(相似性)GTFMC/FMS/CIM/CIMS(集成)并行工程PE(同步)准时生产JIT(准确)智能制造系统(IM--智能)敏捷制造AM(灵活)精益生产LP(简化)虚拟制造VMCIPE(重组、标准化)电子商务EC网络化制造NMTQCSEF企业成功的关键因素6.基于CNC的新型生产方式---企业新型运作模式和哲理（科学集成）9/19/202336成组技术(相似性)GTT企业成功的关键因素6.基于CN1)数字化发展管理数字化(ERP)设计数字化CAD/FEA/PDM生产过程数字化(CAPP/CAM/CAT)加工装备数字化(C