智能制造概论 课件 2.5 高档数控机床技术

《智能制造概论》课程2.5高档数控机床技术2.5高档数控机床技术高档数控机床是指配备了高速度运行、高精度加工、智能化控制、自动化检测、多轴协同联动及网络化通信等诸多先进功能的数字化数控机床。

在国际上,五轴联动数控机床等典型的高档数控机床技术被视为衡量一个国家工业化水平的关键标志。2.5高档数控机床技术

高档数控机床综合了多种高端技术，能够完成复杂的曲面加工和自动化加工，在机械制造、航空航天、船舶、军工、医疗器械等产业领域具有重要作用。

高档数控机床在“中国制造2025”战略中已经列为十个重点领域之一，其中提出要开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统，加快高档数控机床等前沿技术和装备的研发，加快实现产业化。2.5高档数控机床技术

2.5.1数控机床的基本特点数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。

数控机床控制系统能够有逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床运转并加工零件。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。2.5.1数控机床的基本特点

1.数控机床的加工原理

数控加工中将刀具与工件的位移量分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求使坐标移动若干个最小位移量（即控制刀具运动轨迹），从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。数控机床加工原理框图如下：2.5.1数控机床的基本特点

2.数控机床的特点

（1）高度柔性数控机床加工时，不需要人工控制刀具，不需要许多专用夹具，不需要经常调整机床，只要改变程序即可实现不同形状零件的加工。因此，数控加工适合单件或小批量产品的生产及新产品的开发，也适用于形状复杂、工序多、精度要求高的零件的加工。（2）加工精度高数控机床的精度一般可达0.005～0.1mm，机床本身的精度误差在微米级。此外，数控机床对零件的加工是按程序自动完成的，避免了人的操作误差，因此数控加工精度高。2.5.1数控机床的基本特点

2.数控机床的特点（3）生产效率高数控机床一般只需装夹一次零件，就可完成多个工序的加工。此外，数控机床具有主轴转速高、进给速度快的优点，因此大大提高了生产效率。

（4）减轻劳动强度数控机床的操作是按程序自动进行的，操作者只需起始对刀、装卸工件、更换刀具，在加工过程中主要是观察和监督机床运行，大幅降低了机床操作者的劳动强度。2.5.1数控机床的基本特点

2.数控机床的特点（5）经济效益好数控机床虽然设备昂贵，但加工时分摊到每个零件上的费用则较低。数控机床加工零件一般不需要制作专用夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降，提高了经济效益。（6）利于生产管理现代化数控机床的加工可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，易于实现生产过程的自动化管理。2.5.1数控机床的基本特点2.5高档数控机床技术

2.5.1数控技术的发展现状目前，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。2.5.1数控技术的发展现状

1.开放结构的发展开放式数控系统有两种基本结构：

第一种结构是CNC+计算机主板形式。把一块计算机主板插入传统的CNC中，计算机主板完成程序的实时控制，CNC完成以坐标轴运动为主的实时控制。

第二种结构是计算机+运动控制板形式。把运动控制板插入计算机的标准插槽中做实时控制，而计算机主要做非实时控制。2.5.1数控技术的发展现状

2.伺服系统伺服技术是一种通过反馈来控制所需操作的设备的技术，它接收指令输入，并输出动力，从而实现精确的控制。

伺服系统就是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律的系统，亦称随动系统。要求系统精确地跟踪控制指令、实现理想运动控制的过程一般称为“伺服控制技术”。伺服技术是构成数控系统的关键要素。2.5.1数控技术的发展现状

2.伺服系统伺服系统按照控制方式可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。（1）开环伺服系统开环伺服系统不带检测装置，没有来自位置传感器的反馈信号，系统信息流是单向的，实际值不再反馈回来。常用的执行元件是步进电动机，如果是大功率，常用电液脉冲马达作为执行元件。这类系统存在稳定性问题。2.5.1数控技术的发展现状（2）半闭环伺服系统半闭环伺服系统的角位移测量元件一般安装在数控机床的进给丝杠或电动机轴端，用测量丝杠或电动机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移。

由于这种系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称为半闭环控制系统。

这种系统不能补偿位置闭环伺服系统外的传动装置的传动误差，但可以获得稳定的控制特性。2.5.1数控技术的发展现状（3）闭环伺服系统闭环伺服系统带有检测装置，可以直接对工作台的位移量进行检测。

与半闭环相比，其反馈点取自输出量，避免了半闭环系统自反馈信号取出点至输出量间各元件引入的误差。

该类系统适用于对精度要求很高的数控机床，如镗铣床、超精车床、超精铣床等。在数控机床中，伺服电动机用于驱动进给轴和主轴，实现高精度的切削和加工。通过采用闭环控制系统，伺服电动机能够实时调整位置和速度，确保加工精度和表面质量。2.5.1数控技术的发展现状

3.CNC系统的联网借助网络通信能够实现数控系统从控制单台机床到多台机床的分级式控制。这种分级式控制通常分为三级：

（1）工厂管理级工厂管理级一般由以太网组成。工厂管理级网络主要负责整个工厂的生产管理和调度。它通常采用高速以太网以及TCP/IP协议进行网络互联，以实现数据的快速传输和共享。这一级别的网络还承担着与上层管理系统（如制造执行系统等）的对接任务，确保生产数据的及时上传和下达。2.5.1数控技术的发展现状（2）车间单元控制级车间单元控制级一般由DNC（分布式数字控制）功能进行控制。车间单元控制级网络主要负责车间内各CNC机床之间的通信和协调。

通过DNC功能形成网络可以实现对零件程序的上传，CNC数据的读、写，PLC数据的传送，存储器的操作，系统状态的采集和远程控制等。更高档次的DNC还可以对CAD、CAM、CAPP（计算机辅助工艺设计）以及CNC的程序进行传送和分级管理，提升了车间的生产效率和灵活性。CNC与通信网络联系在一起还可以传递维修数据，使用户与NC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。2.5.1数控技术的发展现状（3）现场设备级现场设备级网络主要负责CNC机床与底层设备之间的通信和数据采集。

现场设备级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及I/O（输入输出）控制，连线控制，通信联网，在线设备状态监测，现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，为工厂管理级提供数据。同时，它还可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行。2.5.1数控技术的发展现状

4.功能不断发展和扩大经过五十年的发展，NC技术已经为制造技术的发展奠定了坚实的基础。

下面以西门子公司的SINUMERIK808D系列数控系统和SINUMERIKONE数控系统为例说明系统功能的发展。2.5.1数控技术的发展现状

4.功能不断发展和扩大

（1）SINUMERIK808D系列数控系统SINUMERIK808D系列数控系统是西门子公司研发的一种基于操作面板的紧凑型数控系统。SINUMERIK808D系列数控系统适用于普通数控车床、数控铣床及立式加工中心，能够满足车削和铣削等多种加工需求。该系统硬件主要包括控制系统、操作面板、驱动器以及电机等关键组件。其中，驱动器和电机的选择根据具体加工需求进行配置。2.5.1数控技术的发展现状

4.功能不断发展和扩大

（1）SINUMERIK808D系列数控系统SINUMERIK808D系列数控系统主要特点：

功能强大

操作简便

调试维修方便

高性价比2.5.1数控技术的发展现状

4.功能不断发展和扩大

（2）SINUMERIKONE数控系统SINUMERIKONE数控系统是西门子推出的一款高端数字化原生的数控系统，专为机床行业的数字化转型而设计。SINUMERIKONE引入了“数字孪生”的概念，能够在虚拟环境中对工作流程进行仿真和测试。2.5.1数控技术的发展现状

4.功能不断发展和扩大SINUMERIKONE数控系统主要特点：

虚拟调试功能

智能负荷自适应功能

智能动态响应自适应功能

多种编程选项功能

先进的用户界面功能2.5.1数控技术的发展现状2.5高档数控机床技术

2.5.2数控机床的发展现状

1.高档数控机床的发展现状美国、德国和日本目前在全球数控机床领域处于领先地位，它们在数控机床的研究与开发、设计制造以及实际应用方面，拥有先进的技术和丰富的经验。美国政府十分重视机床工业的发展，美国国防部等部门不断提出新的机床的发展方向、科研任务并提供充足的研发经费，积极吸引全球顶尖人才，尤其追求效率和创新，重视基础科研工作。2.5.2数控机床的发展现状

1.高档数控机床的发展现状美国的哈斯自动化公司（HaasAutomation，下文简称“哈斯”）是全球的数控机床制造商之一，其在数控机床制造领域具有显著的市场地位和竞争力。2.5.2数控机床的发展现状哈斯VF-2SS立式加工中心

1.高档数控机床的发展现状德国数控机床在高精度与高质量、高效与节能、模块化与集成化以及科研与创新等方面都表现出明显的优势，因而德国数控机床在全球市场上具有很高的竞争力和影响力。

德国数控机床主机配套件，机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件在质量、性能上居世界前列。2.5.2数控机床的发展现状

1.高档数控机床的发展现状代表大型龙门加工中心最高水平的就是德国瓦德里希科堡公司（WALDRICHCOBURG）的产品。2.5.2数控机床的发展现状瓦德里希科堡公司的四轴加工中心

1.高档数控机床的发展现状

日本数控机床以其高精度、高质量、智能化与自动化的技术特点以及完善的产业链体系在全球范围内赢得了较高地位。

在机床部件配套领域，日本借鉴了德国的经验，而在数控技术和数控系统的研发上，则借鉴了美国的经验。通过吸收借鉴并改进这两个国家的先进技术，日本取得了丰硕的成果，进一步推动了自身在机床领域的进步与发展。2.5.2数控机床的发展现状2.5.2数控机床的发展现状日本马扎克数控机床

国内在新产品的开发速度及制造周期上尚无法满足用户的迫切需求。此外，零部件的制造精度、整机的精度的保持和可靠性方面仍有待提升。特别是大型机床所需的关键配套部件，例如数控系统、功能组件（如刀库、机械手以及两坐标铣头等），目前仍依赖国外进口。

国内大型机床制造企业的制造能力很强，但大而不精，主要是由于所采用的加工设备相对落后，且数控化普及程度不深，尤其是缺乏高精尖加工设备。同时，部分国内企业欠缺自主创新能力，而大型机床单件小批量的市场需求特点对技术创新的要求更为严苛。2.5.2数控机床的发展现状2.5高档数控机床技术

2.5.3数控机床的发展趋势1.高速化

主轴转速：目前采用电主轴即内装式主轴电动机的数控机床，其主轴转速最高可达200000r/min以上。

进给率：在分辨率为0.01μm时，数控机床的最大进给率可以达到240m/min，且能够确保复杂型面零件的精加工质量。

运算速度：开发出32位以及64位CPU的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1pm、0.01μm时仍能获得24～240m/min的进给速度。2.5.3数控机床的发展趋势

1.高速化

换刀速度：一些高档数控机床，由于拥有先进的换刀机构和控制系统，能够实现极快的刀具更换。目前国外先进加工中心的刀具更换时间普遍在1s左右，高的已达0.5s。北一工业科技股份有限公司VMC1200双刀库立式加工中心，其换刀速度为1.3秒。德国巨浪（Chiron）公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其换刀时间仅0.9s。2.5.3数控机床的发展趋势

2.高可靠性五轴联动数控机床能够加工复杂的曲面，并能够保证平均无故障时间在20000h以上。数控机床内部配备了多样化的报警系统，确保操作者能够迅速响应并解决问题。同时，它还具备完善的安全防护措施，这不仅为产品本身提供了保障，更为操作工人的人身安全以及社会的整体安全提供了坚实的后盾。2.5.3数控机床的发展趋势3.高精度高档数控机床的高精度特性，是其能够成为衡量一个国家工业制造业水平标尺的关键所在。随着CAM系统的发展，高档数控机床不但能实现高速高效加工，而且加工精度为微米级，其独特的往复运动组件能够实现对凹槽的极为精细的加工；采用光、电化学等新技术的特种加工精度可达到纳米级。同时，在进行结构的改进和优化后，五轴联动数控机床的加工精度能达到亚微米甚至是纳米级。2.5.3数控机床的发展趋势

4.复合化随着市场需求的频繁变动和制造业竞争的日益加剧，数控机床不仅需要满足大规模单一产品的生产需求，还必须灵活适应小批量、多品种的生产要求。开发复合程度更高的数控机床，使其能够生产多种大小批量的类似品种，是对高档数控机床的新要求。2.5.3数控机床的发展趋势

5.加工过程绿色化面对日益严峻的环境保护和资源利用限制，实现制造加工的绿色化变得愈发关键。因此，近年来不用或少用切削液，实现干切削、半干切削的节能环保的机床不断出现，并正处于持续进步的过程中。在新时代背景下，绿色制造的大潮将推动各类节能环保机床迅速发展，并助力它们在全球市场中占据更大的份额。2.5.3数控机床的发展趋势2.5高档数控机床技术

2.5.4智能数控机床智能数控机床又称智能机床，它是数控机床的一种高级形式，它融合了先进的控制技术、传感器技术、人工智能技术和通信技术，实现了对制造过程的高度自动化和智能化控制。

智能数控机床是一种能够自主分析机床状态、加工过程及环境信息，并据此采取最佳应对措施以保证加工最优化的机床。它不仅能完成传统数控机床的各项功能，还能通过智能化技术实现更高级别的控制和优化。2.5.4智能数控机床目前智能机床应具备的基本功能包括：①感知功能

②决策功能

③控制功能

④通信功能

⑤学习功能2.5.4智能数控机床智能机床包括以下模块：（1）高级工艺控制模块（advancedprocesscontrolsystem，APS）（2）操作者辅助模块（operatorsupportsystem，OSS）（3）主轴保护模块（spindleprotectionsystem，SPS）（4）智能热控制模块（intelligentthermalcontrol，ITC）（5）移动通信模块（remotenotificationsystem，RNS）（6）工艺链管理模块（cellandworkshopmanagementsystem，CWMS）2.5.4智能数控机床日本山崎马扎克株式会社的智能机床具有以下四大智能：

（1）主动振动控制功能主动振动控制的目的是将振动减至最小。切削加工时，各坐标轴运动的加速度产生振动，影响加工精度、表面粗糙度、刀具磨损和加工效率。具有此项智能的机床可使振动减至最小。例如，在进给量为3000mm/min，加速度为0.43g时，最大振幅由4μm减至1μm。

（2）智能热屏障功能智能热屏障能够实现热位移控制。由于机床部件的运动产生的热量及室内温度的变化会产生定位误差，此项智能可对这些误差进行自动补偿，使其值为最小。2.5.4智能数控机床日本山崎马扎克株式会社的智能机床具有以下四大智能：

（3）智能安全屏障功能智能安全屏障能够防止部件碰撞。当操作工人为了调整、测量、更换刀具而手动操作机床时，如果即将发生碰撞（即在发生碰撞前的一瞬间），机床会立即停机。

（4）马扎克语音提示功能马扎克语音提示功能是带有语音信息系统。当工人手动操作和调整时，用语音进行提示，以减少工人失误造成的问题。2.5.4智能数控机床2.5高档数控机床技术

2.5.5高