数控技术的发展现状及发展趋势

-1-数控加工技术的现状与发展趋势讲义-2-1数控的概念及发展简史1.1数控概念数控英文名字：（NumericalControl简称：NC），是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作自动控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，它所控制的通常是位置、角度、速度、运动轨迹等。1.2数控技术发展简史数控世界上早期的数控系统（1~3代），全靠数字电路，电路复杂，功能拓展困难，经历了电子管、晶体管、集成电路阶段，时间大概从1952~1965年。1970年开始至今，采用计算机数控系统（ComputerNumericalControl：CNC），经历了4~6代。数控机床的研究起源于1947年美国的飞机制造业，要求对直升飞机机翼、浆叶和机身的流线型曲面进行精确加工，提出了用计算机控制机床来加工的设想，1949年美国空军要求在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与麻省理工学院司服研究所合作，开始了三坐标铣床的数控化工作。1952年研制成功世界上第一台数控机床，1955年进入实用化阶段。1959年美国开发出了具有刀具库、换刀装置、回转工作台的数控加工中心，可以一次装夹完成多个面的钻、铰、攻、镗、铣等多种加工。已成为当今数控机床发展的主流。2数控技术的特点数控技术是标志现代科学技术最先进成果的产物之一，综合了计算机、微电子、自动控制、自动检测和精密机械、信息处理等技术，因而具有技术密集、多学科交叉、应用广泛的特点。3数控技术在现代工业领域的应用数控技术已经广泛应用于包括数控加工、印刷、包装、自动化仪表、机器人、机械手等等各种现代工业领域。3.1现代数控机床3.1.1数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品,包括数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、线切-3-割加工设备、数控绕线机等等。其技术范围复盖很多领域:(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)软件技术等。3.1.2数控机床出现的意义以计算机为主导的数控技术在机械制造领域的应用，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使传统的制造业焕发了青春，犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。3.1.3数控机床的优点3.1.3.1加工效率高。利用数控手段可以加工复杂的曲线和曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。数控加工中心可以使用多把刀具自动换刀加工，一次装夹即可把所有表面加工完成。再如模具制造业，现在的家用电器、航空航天、汽车等行业应用大量的模具，使用数控线切割加工、电火花加工、数控车、铣、磨等加工设备替代传统的钳工加工、普通机床加工，大大提高了加工效率。3.1.3.2加工精度高。同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。3.1.3.3劳动强度低。由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，不象传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。所以劳动强度很低。3.1.3.4适应能力强。数控加工系统可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。可以实现制造的柔性化，特别对于多品种、小批量的制造更加显示出其优越性，成本低，调整方便。尤其配合成组技术的运用，大幅度提高了管理效率和经济效益。3.1.3.5工作环境好。数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体高科技产物，对机床的-4-运行温度、湿度及环境都有较高的要求。3.1.3.6就业容易、待遇高。由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段，大量的数控机床、加工中心和其他先进的加工手段，需要大量熟练数控技术操作的人员。4数控机床的工作原理简介4.1编制程序→计算机数控系统（数据处理）→输出信号（司服单元）→驱动装置→机床运动具体是：4.2编制程序：手工或自动编程，手工编程是根据零件图纸分析图样，依据图样对零件材料、尺寸、形状、精度和热处理的要求来确定工艺方案，进行工艺处理和数值计算。在此基础上，根据数控系统规定的功能指令代码和程序格式编写出数控加工程序单。自动编程一是：经过计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）处理，由计算机自动生成数控加工程序。二是：人机对话。通过数控系统显示器上的图形提示和参数确定，在数控系统中自动生成加工程序。4.3输入-输出装置：将编制好了的程序输入数控系统或将调试好了的加工程序通过输出设备存放或纪录在相应的控制介质上。程序输入至数控系统的方法：键盘，USB接口，通信接口，CF卡。输出装置：USB接口，通信接口，CF卡、显示器。4.3计算机数控装置；是数控机床的核心，它接受输入装置送来的数字信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息输出给司服系统，使设备按规定的动作执行。4.4司服系统：包括司服单元、司服驱动装置（或执行机构），是数控机床的执行部分。其作用是把来自CNC装置的脉冲信号转换成机床运动，使机床部件精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。有的司服系统还配备有位置测量装置，可直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。驱动装置：一般是步进电动机、交直流司服电动机、直线电机。5目前我国数控机床的技术现状-5-5.1总体水平国产数控机床目前缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，自主开发能力的培育尚不够完善，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距。从产品总体水平看，我们处于发达国家名牌产品之下，发展中国家之上的中等偏上水平，中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外。而高性能、高档次的产品（高速、高精度、特高精度、低噪音等）与国外知名企业有明显差距，成为制约国产高档数控机床发展的瓶颈。同时，采用进口功能部件价格昂贵，从而使整机价格攀升，国产数控机床的价格与一些发达国家和地区的产品趋于持平。总之，我们要赶上国际先进水平，还要不断提高产品开发能力。5.2首先是主机精度普遍不够。只有少数几种产品达到欧洲标准定位精度。精度差距只是表面现象。其实质是基础技术差距的反映。如普遍未进行有限元分析，未做动刚度试验；大多未采用定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术、高速主轴系统的动平衡技术等。5.3其次，基础材料开发方面的差距未普及高强度密烘铸铁，在欧美已有一批先进产品采用聚合物混凝土，我国则还是空白。5.4再次，高动、静刚度主机结构和整机性能开发的差距高速机床主机结构设计方向是增强刚性和减轻移动部件重量，如国际普遍采用龙门式、框式、O型整体结构，箱中箱式结构，L型床身，三轴移动移出机身，侧挂箱式卧式加工中心等。我们则大多未开发。5.5关键配套件，特别是新兴配套件差距较大。如电主轴、高速滚珠丝杠副、直线电机、高速高精全数字式数控系统、高精度的位置检测系统等。目前我国数控机床功能部件生产已有一定规模，电主轴、主轴单元，数控系统、滚动功能部件、数控刀架、数控转台等都有专门的制造-6-厂家，其中个别产品的制造水平接近国际先进水平。但从整体上看，我国功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，从精度指标和性能指标的综合情况看还不过硬。目前，滚珠丝杠、数控刀架、数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽已形成一定的生产规模，但仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高级数控系统、高速精密电主轴、刀库机械手、数控回转工作台和高速防护装置，高速滚动功能部件和数控动力刀架等主要还依赖进口。6我国数控机床的发展趋势6.1数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中的一项核心技术。计算机技术、数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件，当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。6.2数控机床结构的发展趋势数控装备及加工技术的未来，主要从机床设备硬件和加工技术应用两个方面来论述，其主要内容包括：机床床身结构形式、传动部件、伺服电机、主轴单元、控制系统及新型刀具、涂层材料技术、高速加工技术、快速成型技术、特种加工技术、CAD\CAM技术。6.2.1更好更广泛的标准化软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；6.2.2更多联动轴、更快的自动换刀数控机床的控制轴数通常指机床数控装置能够控制的进给轴数。数控机床控制轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。数控机床同时联动的控制轴数越多，完成的运动越多，加工能力越强，而控制系统也越复杂。加工中心刀具库种类越多，刀架自动识别刀具的能力越强，自动换刀速度越快。-7-6.2.3向极端化、大型化和微型化发展国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展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，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。大型、超大型工件的加工则依靠重型数控机床的支撑。如重型电机、重型机床制造行业的大型主轴、机座、箱体加工所用的数控加工中心、重型数控卧式车床、数控立式车床等。6.2.4进一步实现信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。6.2.5研发新型功能部件并成熟应用为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；（2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；-8-（3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。6.2.6进一步提高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了