数控技术发展现状与趋势

清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]数控技术发展现状与趋势叶佩青精仪系制造所清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]作业：阅读报告在下列专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告数控系统发展趋势；进给伺服系统和驱动电机发展趋势；主轴驱动系统和主轴电机发展趋势；数控机床的发展趋势；国外最新数控系统或机床介绍、比较（至少6种）要求：至少阅读5篇2000年以后的文献资料，其中外文资料不得少于2篇，并在上交时附上相应的参考文献。阅读报告的字数不得少于3500汉字。上交时间11月30日以前。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]第8章数控技术发展现状与趋势8.1数控技术的发展趋势8.2开放式数控系统的体系结构8.3STEP－NC8.4并联机构机床及其控制清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。1.运行高速化2.加工高精化3.控制智能化4.功能复合化5.交互网络化8.1数控技术的发展趋势清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化，并具有高加（减）速度。进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min，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；1、趋势——运行高速化反馈信号：4MHz清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]在高效加工中心上达到90m/min的快移速度和1g的加速度。直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]平面电机清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]换刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度6.3秒。主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min。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。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]高速加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、轴承、导轨、丝杠、卡盘、夹具、冷却清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。提高CNC系统控制精度：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；采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。2、趋势——加工高精化清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]采用误差补偿技术：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;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1m。高精加工：控制、伺服驱动、主轴、刀具、传感器、轴承、导轨、丝杠、夹具、冷却清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：3、趋势——控制智能化加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。以色列的外置式力自适应速度控制器清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。目前已开发出自学习功能的神经网络电火花加工系统。日本大隈公司的7000系列数控系统具有人工智能自动编程功能。智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]日本京都大学、大阪机工、三菱电机、MAZAK等研究机构具体目标实现安全、高效、高速加工的智能化数控机床系统特征数控系统各种控制参数自适应数控机床加工条件自适应加工过程䕰据采集及自律学习INC(IntelligentNC)清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]结构图INC(IntelligentNC)体系结构：以数据库为基础，以实时监控为核心，采用“分层”结构形式。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]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4、趋势——功能复合化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。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]＋NC异型螺杆加工数控系统清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]加工条件精度要求工艺要求产品需求产品几何模型NC程序机床控制结构单元机床数据运动控制及驱动逻辑控制及驱动主轴控制及驱动CADCAMCNC工具系统数据CAD、CAM、CNC三者关系图清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]用户界面CADDBCAM1.曲面片选择2.刀轨形成3.刀轨仿真4.干涉分析刀具DB切削条件DB刀轨形成算法图形仿真刀轨数据NC部分指令DBCNC1.手动控制2.自动控制插补算法逻辑控制NC控制器执行硬件电机驱动器机床逻辑电路CAD几何模型曲面模型CAD/CAM/CNC智能4M数控系统：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、快速制造、快速检测和快速响应。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、灵捷制造TEAM（technologyenablingagilemanufacture）对基层设备集成要求的数控系统。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）5、趋势——交互网络化清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。数控中：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。另外的网络通讯协议：ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由苹果电脑公司针对高速数据传输所开发的一种串行数据传输协议，并于1995年获得美国电机电子工程师协会认可成为正式新标准。现在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其实指的都是这个标准，通常，在PC个人计算机领域将它称为IEEE1394，在电子消费品领域则更多的将它称为i.LINK。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]IEEE1394（FireWire）：高速串行数据传输的开放式技术标准，通讯速度最高达400MHz；目前IEEE1394技术使用最广的是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。IEEE1394可以采用光纤进行信息的传输，大大地提高了系统的通讯速度和数据传输距离以及数据传输的可靠性。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]基于IEEE1394总线的数字控制系统的硬件原理IEEE1394光纤通讯接口卡IEEE1394光纤信号转接模块清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]＋光纤通讯卡FireWire）系统既具有了PMAC与SERCOS控制卡两者的优势，又在工艺性和配套性方面取得了新进展。清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]/O接口模块伺服接口模块伺服网络I/O网络伺服驱动器I/O设备.系统人机界面.数控代码处理.数控插补.位置伺服控制.指令平滑处理.运动控制补偿.软件PLC控制（光纤）（光纤）光纤通讯适配卡基于FireWire的数控系统硬件结构图清华大学精仪系叶佩青Tel：62773269Email：[e-mail]1.传统数控系统的特点由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式的生产环境和功能。