数控技术发展趋势

1、数控机床的发展趋势•进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，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。–运行高速化–加工高精化–功能复合化–控制智能化–体系开放化–驱动并联化–交互网络化一、高速化•速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。•运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。–进给率高速化：•在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下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；(1g=9.8m/s2)–主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即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。–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。

2、.3秒。•加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。–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。二、高精化–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。研究结果表明，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。•功能复合化：复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。–镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；–车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；–铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；–铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；–可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；三、功能复合化•为。

3、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、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；•为方便系统诊断及维修的智能诊断、智能监控。四、控制智能化•加工过程自适应控制技术–通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（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。–MitsubishiElectric公司的用于数控电火花成型机床的“MiracleFuzzy”基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数；–日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替人进行加工过程监控。–以色列的外置式力自适应控制器–意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。–国内清华和我校的。

4、自适应控制技术的研究已取得成果。正在进行商品化开发。•加工参数的智能优化与选择–将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，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”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。•目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。•日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。•国内清华和我校在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实用化开发。•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（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。–智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。–智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家。

5、系统实现的。–智能化自修复技术还在研究之中。•智能化交流伺服驱动装置–目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电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。•智能4M数控系统–在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，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，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。•定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行交互操作的系统。•开放式数控系统特点：–系统构件（软件和硬件）具有标准化、多样化和互换性的特征–允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的；五、体系开放化•所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结。

6、构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。•目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。•开放体系结构CNC的优点–向未来技术开放：由于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；–标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；–向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品；–可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。•开放式数控装置的概念结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统。

7、基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库–国内外开放式数控系统的研究进展•美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)计划•欧共体：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)计划•日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)计划•中国的ONC(OpenNumericalControlSystem)•开放系统有两种基本结构：–CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行非实时控制，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。–PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制。•开放结构在90年代初形成，对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)方案。•主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案，即在不。

8、变化原系统基本结构的基础上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，大大提高了人机界面的功能，比较典型的如FANUC的150/160／180／210系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusionsystem)。•主流数控系统生产厂家不把开放结构作为主要产品，仍然大量生产原结构的数控系统。–主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象PC机存在的死机现象是不允许的。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统，体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。•并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。驱动杆机架动平台主轴电机伺服电机主轴刀具柔性夹具工件静平台并联机床结构示意图六、驱动并联化PARALLELMACHINETOOLSSwissFederalInstituteofTechnology(5-axis)演示1演示2演示3并联机器人的发明“6-DOFParallelMachineTools”InventionPatentNo.ZL99122349.7.•特点–并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产。

9、物；–由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构，–具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。鉴于并联机床具有许多传统机床所无法比拟的卓越性能，它作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向。近年来，受到了国际机床行业的高度重视。在近几年的国际知名机床博览会上，一些世界著名的机床厂商都展出了他们研制的并联机床，得到了行家们的高度评价，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”，“21世纪新一代数控加工设备”。•支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。–网络资源共享。–数控机床的远程（网络）监视、控制。–数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）–数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。七、交互网络化结束前馈控制•前馈控制就是观察那些作用于系统的各种可以测量的输入量和主要扰动量，分析它们对系统输出的影响关系，在它们还没有产生不利影响以前，采取预防措施。反馈控制系统模式图前馈控制系统模式图。