数控技术发展

1、数控技术发展和应用,一、前 言,数控技术是使用计算机对整个机械机械加工过程进行信息处理与控制，达到生产过程自动化的一门技术。是FMS、CIMS的技术基础。 数控机床是当代机械制造业的装备主流。 数控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)微电子技术； (7)软件技术等 。,二、数控技术的产生,20世纪40年末，John parsons and Frank stulen parsons corporation ,（Traverse city, Michigan) 提出了数控加工思想。 the id

2、ea of using coordinate position data contained on punched cards to define and machine the surface contours of airfoil shapes airfoil 0.0015 inch (0.038mm) 1951年4月，美国空军和 MIT伺服实验室签协议，研发数控机床。 1952年3月，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。 1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。

3、1959年，Keaney and Trecher Co. 研制了第一台加工中心（MC), 加工中心是具有刀库和自动换刀装置的数控机床。 1967年，Mollin Co. 研制了第一台柔性制造系统（FMS）(David Williamson)。(System 24, (24hr/day,16hr human worker unattended) IBM1360/140 ,7 machine tools) 柔性制造系统是由加工系统（若干台数控机床和加工中心）、物料运送及管理系统和计算机管理系统组成的自动加工线。,Cincinnati Milling Machine Co. Vertical Hyd

4、ro-Tel milling machine292 vacuum tubes,计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system: CIMS ),计算机集成制造(CIM)是一种企业生产制造与生产管理进行优化的哲理。这种哲理首先是在1974年美国Joseph Harrington博士在其论文Computer Integrated Manufacturing中提出的。 CIM是针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。其基本思想是：制造企业中的各个部分（即从市场分析、经营决策、工程设计、制造过程、质量控制、生产指挥到售后服务）

5、是一个互相紧密相关的整体；整个制造过程本质上可以抽象成一个数据的搜集、传递、加工和利用的过程，最终产品仅是数据的物化表现。前者体现了集成的思想，它将企业决策、经营管理、生产制造、销售及售后服务有机地结合在一起；后者就是信息制造观的思想。 CIMS定义： 由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。,计算机集体制造系统体系结构,CIMS：,数控技术的发展,计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。 “六代” 1 电子管，1952，Parsons Corp, MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；(292电子管） 2

6、 晶体管、印刷电路，1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K 铣削：3006000m/min; 钻削：2001100m/min; 磨削：150360m/s; 与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%40%， 切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。,Salomon切削速度与温度实验曲线,2 智能化,数控系统的智能化主要体现在以下几个方面： （1） 智能化适应控制技术（随加工过程切削条件的变化，自动地调整切削用量，实现加工过程最佳化）,（2）

7、 自动编程技术,（3） 具有故障自动诊断功能,（4） 智能化交流伺服驱动装置,智能化交流伺服驱动装置包括智能主轴交流伺服驱动装置和智能进给交流伺服驱动装置。 能自动识别电动机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行效果。,（5） 加工参数智能优化与选择,以加工工艺参数数据库为支撑，建立专家系统，通过它提供优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，达到提高编程效率和加工工艺技术水平。,智能制造技术 包括专家系统、模糊推理和人工神经网络三大部分。,专家 系统,先是采集领域专家的知识，然后将知识分解为事实与规则，存储于知识库中，通过推理作出决策。,

8、模糊 推理,模糊推理又称模糊逻辑，它是依靠模糊集和模糊逻辑模型进行多个因素的综合考虑，采用关系矩阵算法模型、隶属度函数、加权、约束等方法，处理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。,人工神经网络,神经网络是人脑部分功能的某些抽象、简化与模拟，由数量巨大的以神经元为主的处理单元互连构成，通过神经元的相互作用来实现信息处理。,3 体系结构开放化、柔性化,传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、多种实时 操作系统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使用和维护的不便，也限 制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系 统”的概念。概念最早见于1987年美国

9、NGC (Next Generation Controller)计 划， NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体 系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。 开放式体系结构数控系统是开放式、高性能、智能化、网络化数控系统的统 称。其核心是开放式，既系统各模块与运行平台无关、系统中各模块之间的互操 作性及通信接口的统一性。 现代开放式数控系统的体系结构技术要求： 1）采用通用性开放式闭环控制模式 2）采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式体系结构，利用开放式的 数控技术软、硬件平台，可视需求通过重构、编辑调整系统的组成，便于“剪 裁”，扩展和生级；功能可专

10、用也可通用，可组成不同挡次、不同类型、不同集 成程度的数控系统；功能价格比可调，可集成用户的技术诀窍。 体系结构满足了开放式要求，同时也具有了柔性化。,4. 交互可视化,为使设备易操作和维修，数控系统应具备以下三个特点： 1）用户界面图形化，可通过窗口和菜单进行操作，以便蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态显示、图形模拟、图象动态跟踪和仿真及不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 2）计算可视化，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、图象、动画等可视信息，使系统满足参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示，以及加工过程的可视化仿真和自动编程设计等要求。 3

11、）数控编程自动化，CAD/CAM图形交互自动编程和CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程是数控技术发展的新趋势。,5 .通信网络化,为了实现机床联网，实现中央集中控制的群控加工，数控系统应该有强的网络功能，通过联网，可以在任何一台机床上对其他机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上，可进行远程化控制和无人操作，实现信息共享、兼容多种通信协议，既能满足单机需要，又能满足柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统对基层设备的要求，同时便于形成“全球制造”的基础单元的需求,6.功能复合化,复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链 车铣复合车削中

12、心（ATC，动力刀头）； 镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）； 铣镗钻车复合复合加工中心； 可更换主轴箱的数控机床组合加工中心； 集车削和激光加工于一体的机床； 测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量,多功能复合化机床消除了车床、铣床、磨床、激光设备等之间的传统差异。,（1）车削为主 德国INDEX公司的TRAUBTNX65多功能数控车削中心，具有双主轴、4个刀塔，第二主轴可作Y轴移动；德国DMG公司的TWIN65双主轴车削中心，上下各有一个转塔刀架，可实现6面加工，第二主轴可作横向移动等。,（2）加工中心的复合化 日本MAZAK公司的新机床为Integre

13、x e-1550V型复合车铣加工中心，它将5轴联动加工中心的功能和CNC数控车削中心的功能融合到了一起。在市场中，Mazak公司的Integrex系列机床被看作是多功能机床的同义词。,（3）磨削为主 该类复合机床的代表为瑞士MAGERLE公司的MGR立式车磨复合加工机，机床上方配有多个磨头和一个车刀架，可以对零件进行磨削和精车；日本森精机制作所的IGV-3NT磨头可回转式立式磨床，可在一次装卡下对零件内外圆和端面进行加工；瑞士STUDER公司的S33万能数控磨床，可以在一次装卡下实现多线螺纹加工和内外圆、端面加工。,7. 数控机床机械结构创新,1）直线电机取代滚珠丝杠,传统的滚珠丝杠传动链结构

14、需要丝杠轴承座，联轴器等，结构复杂，传动链中精度损失多（轴承游隙、丝杠螺距误差、反响间隙等），而采用直线电机可以克服传动链中丢失的精度，另外从电气角度看，参数设置更直接、简便、精确。,平面电机,2）电主轴取代主轴箱,电主轴实现了变频电机和机床主轴之间的“零传动”，这是数控机床传动的重大变革。它克服了传统机床皮带或齿轮传动的主轴系统在高速下打滑、振动和噪音大、惯量大等弊端，可良好地实现主轴转速的高速化，有效改善主轴高速综合性能。,3）重心驱动,从力学角度分析，在推动物体移动时，如果作用点不在物体重心，则会产生一个扭矩，对机床定位来讲是一个不稳定扰动因素，影响轮廓加工精度和稳定性。通常单滚珠丝杠驱

15、动力与工件受力点总是随着加工轨迹变化而变化的，既工作台所受的扭矩总是存在的。采用双丝杠驱动（重心驱动）能很好地解决上述问题，最显著的作用就是减少振动，提高加工精度。,振动随时间的变化如图表所示。 重心驱动设备很快就消除了振动，反之其他设备的振动则持续了较长时间。 使用位于振动设备顶端的刀具加工工件，会造成加工面质量的明显恶化。 另外，如果在振动时使用刀具切割工件，也会轻微磨损刀尖。因此振动对刀具寿命来说实为大敌。 更严重的是，如果发生振动，数控装置会将其作为正常指令之外的动作进行检测，而为了修正错误又要驱动进给电动机。如此反复，进一步加剧了振动。,DCG有,DCG无,森精机公司的车铣复合加工中心,4. 现有机械结构的变革,1）内冷式滚珠丝杠 高速数控机床用新HMC系列滚珠丝杠。HMC系列是NSK公司于1997年