数控技术第7章数控加工的展望

1、数 控 技 术,华中科技大学机械科学与工程学院,1,第7章 数控加工技术的展望,7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3. 伺服系统的发展趋势 7.4. 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术,2,加工中心的工作精度每年提升倍,加工精度指标,1. 高速、高精度、高可靠性,um,7.1 数控机床主机的发展,3,Ra,Vf,Vc,速度指标,7.1 数控机床主机的发展,4,90年代数控机床可靠性水平 MTBF800900h 本世纪初数控机床可靠性水平 MTBF1000h1200h,高可靠性指标,7.1 数控机床主机的发展,5,2. 复合化,含义：在一台机床上尽可

2、能完成从毛坯至成品的全部加工。 工艺复合型 不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合等 工序复合 实现回转体零件的车、钻、铰、攻螺纹、铣削等多种工序复合加工的车铣中心，并可铣端面凸轮或端面曲线槽等 复合化作用 减少多工序加工零件的上下料时间 避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待时间 易于保证过程的高可靠性，提高了生产设备的柔性,7.1 数控机床主机的发展,6,可抑制工件因转动而产生的颤振的复合加工机床,卧式镟床为原型、与卧式加工中心组合而成的卧式复合加工机床,7.1 数控机床主机的发展,7,3. 生态环保型,建立生态环保型机床的第

3、一个措施是大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率 机床生态环保化提出一种全新的概念：大幅减少机床重量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗 通过采用新结构或新的复合材料来实现轻量化.,7.1 数控机床主机的发展,8,韩国Mynx400/ACE-TC320D加工中心 采用高模量的纤维增强复合材料为芯体的夹层结构用于高速数控铣床的导轨 垂直导轨和水平导轨分别比传统钢质材料减重34%和26% 机床在高速运动过程中，能够保证每300mm的滑动范围内位置精度为5m,7.1 数控机床主机的发展,9,4 .智能化,采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面

4、加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能 大大提升成形和加工精度、提高制造效率,7.1 数控机床主机的发展,10,Ra,Ra,市场对具有良好柔性和多样加工能力的制造系统的需求超过了对大型单一制造系统的需求，这就使得数控机床朝着模块化、可重构、可扩充的柔性化方向发展，也要求在多品种、变批量的环境下保持高效生产，这就要求高效与柔性的统一. 机床需具备高度的灵活性和多品种生产的快速适应性；高效的生产能力，包括高生产率，借助于高速化和提高金属切除率等途径；高稳定性，着重要求其降低故障率，提高可靠性. 机床不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补

5、偿、自动诊断、进线和联网等功能，形成包括工业机器人、物流系统组成的数字化、智能化制造系统.,5 . 高效柔性化,7.1 数控机床主机的发展,11,6. 高速加工技术应用范围不断扩展,高速加工技术最早在飞机制造业受到重视 飞机工业通常需要切削加工长合金零件、薄层腹板件等 大部分重要零件多是整块铝合金铣削而成,整体件、复杂化、薄壁化,7.1 数控机床主机的发展,12,7. 极端化,极端化是指数控机床朝着极小化和极大化方向发展的趋势 在国防、航空、航天等行业需要大型数控机床，导致数控机床朝着大型化方向发展 微纳米技术发展需要有能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。数控机床会朝着极小化

6、方向发展,7.1 数控机床主机的发展,13,并联机床实质上是机器人技术和数控机床技术相结合的产物，它同时兼顾了机器人和机床的诸多特性,8. 并联机床进一步应用,HEXAPOD,VARIAX,7.1 数控机床主机的发展,14,航空结构件 德国DS公司的ECOSPEED系列产品,7.1 数控机床主机的发展,15,加工大型水轮机叶片,清华大学开发了适合于混流式水轮机叶片、大型模具等复杂曲面零件加工的并联机床XNZD2415,7.1 数控机床主机的发展,16,第7章 数控加工技术的展望,7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3. 伺服系统的发展趋势 7.4. 柔性制造技术的发

7、展 7.5 基于网络的数控加工技术,17,开放性应体现为系统对不同软硬件平台的可移植性、系统功能的可伸缩性、系统功能模块的可替代性和功能模块间的互操作性 放式数控系统 构筑于一个开放的平台之上 具有模块化的组织结构， 允许用户对功能模块进行选配、更改和扩展以迅速满足不同的应用需求 各功能模块可来源于不同的供应商并相互兼容,1. 开放式,7.2 数控加工控制系统的发展,18,开放式控制系统研究计划 美国的NGC和OMAC计划 欧共体的OSACA计划 日本的OSEC计划 我国制定了中国的开放式数控系统ONC（Open Numerical Control）技术规范,7.2 数控加工控制系统的发展,1

8、9,网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制 网络化包括：内部网络(现场总线网络)和外部网络。 内部网络：为使数控系统硬件具有互换性，数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O等单元以现场总线网络连接。 外部网络：是数控系统与其它控制系统或外部上位计算机以网络连接。实现对设备的远程控制、加工程序传输、远程诊断和维修服务、技术服务，监视生产现场情况进行最优计划和调度 远程诊断可以在个人电脑前轻松操纵远在车间里的机床设备，诸如编辑修改零件程序和PLC程序、监控各轴当前状态、进行文件传输等,2. 网络化,7.2 数控加工控制系统的发展,20,智能化是制造技术发展的一个

9、大方向 智能化的内容 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成; 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等; 简化编程和操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等; 还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修.,3. 智能化,7.2 数控加工控制系统的发展,21,采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度; 数控技术的集成化 使用更新的IC器件，NC系统进行高密度立体安装，以减少占有

10、空间和提高可靠性 使用光缆传递信号，减少铜缆 采用无缆连接，进一步减少NC系统内连接电缆数目 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化.,4. 集成化、模块化,7.2 数控加工控制系统的发展,22,第7章 数控加工技术的展望,7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3 伺服系统的发展趋势 7.4 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术,23,伺服系统中的控制信息用数字量来处理 随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当前所说的“数字伺服” 伺服驱动系统全数字化 伺服驱动内部控制的数字化， 伺服驱动到数控系统接口的数

11、字化 测量单元的数字化,1. 全数字交流伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,24,全数字控制伺服系统可以采用以下新技术，达到高速度和高精度的要求 前馈控制：引入前馈控制，实际上构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构 预测控制：通过预测机床伺服系统的传递函数来调节输入控制量，以产生符合要求的输出 学习控制或重复控制：适合于周期性重复操作控制指令情况的加工，可以获得高速、高精度,1. 全数字交流伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,25,数字伺服系统运用计算机技术，具有下列特性 采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳控制 数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成的 数字

12、伺服系统具有较高的动、静态精度 系统一般的情况下会配有SERCOS(Serial Real-time Communication System，串行实时通讯系统)板。与现场总线相比，它可以实现高速位置闭环控制，可以处理多个运动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，光纤连接可以确保通讯过程的无噪音，简化模块之间的电缆连接，提高系统的可靠性。,1. 全数字交流伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,26,电机的改进、驱动方式的改进和具备更高运行速率的DSP等是伺服驱动系统向着高速、高精、高性能化迈进的先决条件 电机方面的改进主要包括电机永磁材料性能的改进、更好的磁铁安装结构设计， 逆变器驱动电

13、路的优化、加减速运动的优化、再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式 驱动方式的改进方面如采用无齿槽效应的高性能旋转电机和采用直线电机的线性伺服驱动方式,2. 高速度、高精度、高性能化,7.3 伺服系统的发展趋势,27,2. 高速度、高精度、高性能化,德国倍福(Beckhoff)AX5000伺服驱动器 电流控制环最快可达31.25s 速度控制环最快可达125s 位置控制环最快可达125s 支持高动态性能的运动控制任务 集成了高性能的EtherCAT实时以太网通讯技术,7.3 伺服系统的发展趋势,28,通过Internet及时了解伺服系统的参数及时实运行情况，并可根据嵌入的预测性维护技术，及时了解如

14、电流、负载的变化情况，实现实时预警 模糊逻辑控制、神经网络和专家控制已运用到伺服驱动系统中，是当前比较典型的智能控制方法 伺服驱动系统的网络化、智能化及其它功能模块均得到了长足发展，根据设计使用者的不同要求及不同模块的功能及参数实现伺服驱动系统的模块化设计,3. 网络化、智能化、模块化,7.3 伺服系统的发展趋势,29,直接驱动装置直接与负载相联，省掉了机械传动元件，故传动链最短 由于驱动装置的动态性能明显提高，故生产效率较高 由于调节质量好和定位精度高，所以产品质量提高了 由于取消了许多磨损件，因而生命周期的成本很少 简化了机床设计和机床结构 直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式，带来了旋转

15、驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10-20倍，进给速度是传统的4-5倍,4. 直线伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,30,采用直线电机和智能化全数字直接驱动控制系统为特征的高速加工中心 世界上第一台展出的直线电机直接驱动的高速加工中心是1993年展出的XHC240型加工中心 应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类 2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3 MAZAK公司也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度2720m/s，主轴最高转速800

16、00r/min，快移速度500m/min，加速度6g,4. 直线伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,31,作为机床进给驱动主流的永磁直线伺服电动机有两大发展方向 大推力：通过电动机结构、磁路形式和冷却结构的特殊设计，以获得更大的推力，从而满足大型机床强力切削加工的要求 高精度：通过直线电动机磁路设计、磁场优化设计以及绕组形式设计，尽量减小直线电动机的静态和动态端部效应所引起的推力波动,4. 直线伺服系统,7.3 伺服系统的发展趋势,32,电主轴单元将主轴电机直接装在了主轴单元内部，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，实现了电机与主轴的零传动 电主轴是现代高档数控机械的关键部件，成为

17、现代数控机床的主要特征之一 具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点 易于实现高速化，促进了数控机床向高速化方向发展 电主轴性能参数和制造质量的高低，在很大程度上决定了数控机床的加工速度、工作精度和生产效率,5. 电主轴,7.3 伺服系统的发展趋势,33,第7章 数控加工技术的展望,7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3 伺服系统的发展趋势 7.4 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术,34,FMS是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统 目前常见的组成通常包括4台或

18、更多台全自动数控机床(加工中心与车削中心等)，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理,1. 柔性制造技术的分类,1）柔性制造系统(FMS),7.4 柔性制造技术的发展,35,柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元 该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件 FMC的问世并在生产中使用约比FMS晚6-8年，FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物 FMC由1-2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备

19、构成,1. 柔性制造技术的分类,2）柔性制造单元(FMC),7.4 柔性制造技术的发展,36,柔性自动生产线是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线 可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统 处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线,1. 柔性制造技术的分类,3）柔性制造线(FML),7.4 柔性制造技术的发展,37,FMF是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计

20、、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMS 包括CAD/CAM，并使计算机集成制造系统投人实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料贮运进程的全盘化 FMF将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统(IMS )为代表,1. 柔性制造技术的分类,4）柔性制造工厂(FMF),7.4 柔性制造技术的发展,38,柔性制造技术在各工业发达国家已经得到广泛的生产应用，数控机床、加工中心、柔性制造单元(FMC)，柔性制造系统(FMS)应用日益广泛 FMC的投资比FMS少得多而经济效益相接近，更适用于财力有限的中小型企业,2. 柔性制造技

21、术的发展趋势,1）柔性制造单元将成为发展和应用的热门技术,7.4 柔性制造技术的发展,39,多品种大批量的生产企业对FML的需求引起了FMS制造厂的极大关注 采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是FML的发展趋势 CAD/CAM 一体化技术的发展应用，大大地缩短了产品的研制开发周期，同时也促进了设计思想的变化 面向设计制造(DFM)的思想现已被更多的人接受,2. 柔性制造技术的发展趋势,2）发展效率更高的柔性制造线,7.4 柔性制造技术的发展,40,由单纯加工型FMS进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制造工序兼具的多种功能FMS FMS是实现未来工厂的新颖概念模式和新

22、的发展趋势，是决定制造企业未来发展前途的具有战略意义的举措 真正完善的FMS将是智能化机械与人之间相互融合、柔性地全面协调从接受订单至生产、销售这一企业生产经营的全部活动 敏捷制造技术将柔性自动化技术发展到一个新高度,2. 柔性制造技术的发展趋势,3）朝多功能方向发展,7.4 柔性制造技术的发展,41,数控机床及其组成的制造系统向数字化制造迈进，将成为信息集成和快速实施的制造单元 主要特征 3F:柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)、新颖化(Fashion) 3I:集成化(Integration)、信息化(Information)和智能化(Inteligen

23、ce)、 3S:系统化(system)、软件化(Software)和个性化(Speciality) 从网络化联盟制造角度研究相适应的制造单元，与企业ERP,PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成,2 柔性制造技术的发展趋势,4）发展网络化制造单元,7.4 柔性制造技术的发展,42,FMT已朝着更加正确的方向发展。并开发了新的柔性制造设备，使高性能柔性加工中心构成的FMC得到广泛应用 工业界已更加注重FMT与集成化CADCAPP/CAM，工厂或车间生产控制和管理系统PCMS相集成 柔性、敏捷、智能、集成是制造设备和系统的主要发展趋势 FMS的构成和应用形式将更加灵活和多样化 小型FMS在吸取

24、了FMS应用实践经验后获得了迅速发展，其总体结构通常采用模块化、通用化、硬软件功能兼容和可扩展的设计技术 FMS技术发展而附带生产的FMC技术将具有更加强大的生命力，并将得到快速发展和广泛应用,3. 柔性制造技术的现状与展望,7.4 柔性制造技术的发展,43,第7章 数控加工技术的展望,7.1 数控机床主机的发展 7.2 数控加工控制系统的发展 7.3 伺服系统的发展趋势 7.4 柔性制造技术的发展 7.5 基于网络的数控加工技术,44,网络技术的发展为数控技术改造提供了机遇，在全球制造环境下，将具有不同数控资源的企业联系起来 网络化数控加工技术对于推动企业数字化制造意义 企业可利用网络合理地

25、安排生产计划，提高CNC设备的利用率 易于生产数据的采集，通过应用程序可直接应用CNC系统登录到制造车间的各种工序的同一个数据库 实现生产过程实时监控 促进联盟企业之间通过网络达到信息共享功能，制造车间的各种应用,1. 网络化数控加工的意义,7.5 基于网络的数控加工技术,45,数控系统的开发可以在统一的运行平台上，实现不同品种、不同档次网络数控系统。同时可以与其他应用系统实现互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性 CAD/CAM系统需要方便快捷地与数控系统进行大容量信息的通信与交换，实现网络化操作，加工信息可传递并存储在本地硬盘中，然后由数控加工系统读取硬盘中的G代码进行零件加工 数控系统也可以直接通过网络读取远程数据存储媒介中的大型程序，这将大大提高数控系统对大容量数控程序的控制能力,2. 网络化数控加工的作用及组成,7.5 基于网络的数控加工技术,46,在企业生产管理上，网络生产管理系统可通过局域网随时监视生产现场情况进行最优计划和调度 操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形成