數(shù)控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、數(shù)控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)前言數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其水平高低和擁有量多少是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把數(shù)控機(jī)床視為具有高技術(shù)附加值和高利潤(rùn)的重要出口產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床已成為關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床集機(jī)械制造技術(shù)、 信息技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等為一體，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展與創(chuàng)新。 作為一本數(shù)控機(jī)床教材如何在眾多的技術(shù)內(nèi)容中抓住本質(zhì)、提取精華、突出重點(diǎn)，少而精地奉獻(xiàn)給讀者，是本書的編寫難點(diǎn)，也是特色所在。本書編寫既注 重應(yīng)用性，又考慮到理論基礎(chǔ)，同時(shí)還考慮其最新技術(shù)，理論敘述力求通俗易懂。內(nèi)容是以數(shù)

2、控加工信息流為主線順序展開(kāi)，先后闡述了數(shù)控編程的基礎(chǔ)及方法、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置的硬軟件、數(shù)控裝置的軌跡控制原理、數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)工作原理， 同時(shí)還敘述了數(shù) 控技術(shù)的基本概念、 數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置、數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、 數(shù)控機(jī)床的故障診斷、數(shù) 控自動(dòng)編程以及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展等內(nèi)容。1國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國(guó)第1臺(tái)數(shù)控銃床問(wèn)世至今已經(jīng)歷了 50個(gè)年頭。數(shù)控設(shè)備包括：車、銃、加工中心、鏈、磨、沖壓、電加工以及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)

3、量有1020萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)值上百億美元?！笆濉眲倓傞_(kāi)始，國(guó)防科工委就明確提出了在軍工企業(yè)中投入6. 8億元，用于對(duì)1 . 2 1. 8萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的數(shù)控化改造。目前，國(guó)際上最大的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠是日本 FANUC公司，1年生產(chǎn)5萬(wàn)套以上 系統(tǒng)，占世界市場(chǎng)約40 %左右，其次是德國(guó)的西門子公司約占15 %以上，再次 是德海德漢爾、西班牙發(fā)格、意大利菲地亞、法國(guó)的NUM、日本的三菱、安川。 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)廠家主要有華中數(shù)控、北京航天機(jī)床數(shù)控集團(tuán)、北京凱恩帝、北京 凱奇、沈陽(yáng)藝天、廣州數(shù)控、南京新方達(dá)、成都廣泰等，國(guó)產(chǎn)數(shù)控生產(chǎn)廠家規(guī)模 都較小，年產(chǎn)都還沒(méi)有超過(guò)300400套。近10年，數(shù)控機(jī)床為適應(yīng)加工技術(shù) 發(fā)

4、展，在以下幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有巨大進(jìn)步。1 . 1高速化由于高速加工技術(shù)普及，機(jī)床普遍提高各方面速度，車床主軸轉(zhuǎn)速由30004000r /min提高到800010000r /min ,銃床和加工中心主軸轉(zhuǎn)速由 4000 8000r /min 提高到 12000r /min、24000r /min、40000r /min 以上快速移 動(dòng)速度由過(guò)去的 10 20m /min 提高到 48m /min、60m /min、80m /min、120m /min , 在提高速度的同時(shí)要求提高運(yùn)動(dòng)部件起動(dòng)的加速度，具已由過(guò)去一般機(jī)床的0. 5G (重力加速度)提高到1 . 52G,最高可達(dá)15G,直線電機(jī)在機(jī)床

5、上開(kāi) 始使用，主軸上大量采用內(nèi)裝式主軸電機(jī)。1 . 2高精度化數(shù)控機(jī)床的定位精度已由一般的 0. 010. 02mm 提高到0. 008mm 左右， 亞微米級(jí)機(jī)床達(dá)到0. 0005mm 左右，納米級(jí)機(jī)床達(dá)到 0. 0050. 01仙m, 最小分辨率為1nm (0. 000001mm )的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床已有產(chǎn)品。數(shù)控中兩 軸以上插補(bǔ)技術(shù)大大提高，納米級(jí)插補(bǔ)使兩軸聯(lián)動(dòng)出的圓弧都可以達(dá)到1仙的圓度，插補(bǔ)前多程序段預(yù)讀，大大提高插補(bǔ)質(zhì)量，并可進(jìn)行自動(dòng)拐角處理等。1 . 3復(fù)合加工、新結(jié)構(gòu)機(jī)床大量出現(xiàn) 如5軸5面體復(fù)合加工機(jī)床，5軸5聯(lián)動(dòng)加工各類異形零件。也派生出各新穎的機(jī)床結(jié)構(gòu)，包括6軸虛擬軸機(jī)床，用

6、并聯(lián)校鏈機(jī)床等。采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)控的特殊運(yùn)算方式，特殊編程要求。1 . 4使用各種高效特殊功能的刀具使數(shù)控機(jī)床“如虎添翼”如內(nèi)冷鉆頭由于使高壓冷卻液直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑，在鉆深孔時(shí)大大提高效率。加工鋼件切削速度能達(dá)1000m /min ,加工鋁件能達(dá) 5000m / min o1 . 5數(shù)控機(jī)床的開(kāi)放性和聯(lián)網(wǎng)管理數(shù)控機(jī)床的開(kāi)放性和聯(lián)網(wǎng)管理已是使用數(shù)控機(jī)床的基本要求，它不僅是提高數(shù)控機(jī)床開(kāi)動(dòng)率、生產(chǎn)率的必要手段，而且是企業(yè)合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此，計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)制造、異地診斷、虛擬制造、異行工程等等各種新技術(shù)都在數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，這必然成為 21世紀(jì)制造

7、業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2. 1性能發(fā)展方向(1)高速高精高效化。速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對(duì)式檢測(cè)元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提Mi。(2)柔性化。柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。(3)工藝復(fù)合性和多軸化。以減少工序、輔

8、助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件 在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換 刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完 成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技 術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24 軸。(4)實(shí)時(shí)智能化。早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的理想環(huán)境，具作用 是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期 限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模 型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù) 發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互 結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng) 的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也 朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用 發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新

9、的領(lǐng)域。2. 2功能發(fā)展方向2.2.1用戶界面圖形化用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之問(wèn)的對(duì)話接口。由于不同用戶對(duì)界面的 要求不同，因而開(kāi)發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中 最困難的部分之一。當(dāng)前INTERNET > 虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等 技術(shù)也對(duì)用戶界面提出了更高要求。圖 形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶 的使用，人們可以通過(guò)窗口和菜單進(jìn)行 操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維 彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖 形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和 局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。2. 2. 2科學(xué)計(jì)算可視化科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再

10、局限 于用文字和語(yǔ)言表達(dá)，而可以直接使用 圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息?？梢暬?術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬 了應(yīng)用領(lǐng)域，如無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī) 技術(shù)等，這對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高 產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意 義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM ,如自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自 動(dòng)設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過(guò)程的可視化 仿真演示等。2. 2. 3插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)（非均勻有理B樣條插補(bǔ)）、樣條插補(bǔ)（A、B、C樣條）、多

11、項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?. 3體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展2.3.1 集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、E-PLD、CPLD以及專用集成電路 ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用FPD平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于 攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示，成 為和CRT抗衡的新興顯示技術(shù)，是21 世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和 互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝

12、技術(shù)融 為一體。通過(guò)提高集成電路密度、減少 互連長(zhǎng)度和數(shù)量來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn) 性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠 性。2.3.2 模塊化硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲(chǔ)器、位置 伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊， 作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過(guò)積木方式 進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成 不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。2.3.3 網(wǎng)絡(luò)化機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無(wú)人化操作。通過(guò)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺(tái) 機(jī)床上對(duì)其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操 作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示 在每一臺(tái)機(jī)床的屏幕上3智能化新一代PCNC數(shù)控 系統(tǒng)當(dāng)前開(kāi)發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜

13、制造過(guò)程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能 化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)算 機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺 服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及 動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融 于一體，形成嚴(yán)密的制造過(guò)程閉環(huán)控制 體系。4展望制定符合中國(guó)國(guó)情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，確立與國(guó)際接軌的發(fā)展道路，對(duì) 21世紀(jì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。本章對(duì)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì) 的分析，對(duì)我國(guó)數(shù)控領(lǐng)域存在的問(wèn)題進(jìn) 行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)21世紀(jì)我國(guó)數(shù)控 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑進(jìn)行了探討，提 出了以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)，以商品化為主 干，以管理和營(yíng)銷為重點(diǎn)，以技術(shù)支持 和服務(wù)為后

14、盾，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路的總體發(fā)展戰(zhàn)略。在此基礎(chǔ)上，研究了發(fā) 展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機(jī)床整機(jī)等的具體技術(shù)途徑。衷心希望，我國(guó)科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的難得機(jī)遇，迎接競(jìng)爭(zhēng)全球化帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，使我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)最終走向世界的前列。參考書：承恩，丁乃建.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991?任玉田.機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社，1996?嚴(yán)愛(ài)珍.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999?唐仲文等.機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999?廖效果，朱啟逮.數(shù)字控制機(jī)床.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992?葉蓿華.數(shù)字控

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