第七章 数控技术的发展趋势

安冶学院第七章数控技术的发展趋势§7-1数控技术的产生与发展§7-2数控技术的发展趋势§7-3数控技术的FMS及CIMS安冶学院一、数控机床的产生在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样板加工的设备。1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。§7-1数控技术的产生与发展安冶学院1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室安冶学院1电子管：1952，ParsonsCorp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；2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&T开发第一台加工中心MILWAUKEE-MATIC。3小规模集成电路：1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高。1967英国最初的FMS.4通用小型计算机：1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成。5微处理器：1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。6基于PC（PC-BASED）的数控：20世纪80年代，基于PC开发式数控系统。安冶学院二个阶段1955~1959，晶体管1952~1955，电子管1959~1965，小规模集成电路硬件数控安冶学院1974-微处理器(MCNC)1979超大规模集成电路(VLIC)1970s(1970~1974)，小型计算机1994~PC-NC.计算机数控安冶学院§7-2数控技术的发展趋势1、高速、高精度2、智能化3、开放式数控系统4、网络化数控技术5、提高数控系统的可靠性6、实现数控装备的复合化7、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造安冶学院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、加工高速化、高精度化可充分发挥现代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。（1）高速化高速CPU芯片主轴高速化，采用电主轴采用全数字交流伺服机床动、静态性能的改善安冶学院上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。图切削速度的发展•在分辨率为1μm时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工•加速度达2g•主轴转速已达200,000rpm•换刀速度少于1s安冶学院普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。RaδVFVC250.10100002500200.0880002000150.0660001500100.044000100050.0220005000RaδVfVC19931994199519961997年度Ra——表面粗糙度（um），δ——加工误差（um），Vf——进给速度（mm/min），Vc——切削速度（m/min）图数控机床的高速化对加工质量的影响安冶学院（1）智能化适应控制技术图智能化适应控制下的进给速率安冶学院（2）自动编程技术安冶学院（3）具有故障自动诊断功能（4）智能寻位加工安冶学院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年美国的NGC(NextGenerationController)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。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。安冶学院5、提高数控系统的可靠性数控系统平均无故障时间大于10000-30000（小时）电子与电气元件高集成、抗干扰，零部件制造专业化标准化6、实现数控装备的复合化2）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”1）传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。安冶学院并联运动机床并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。安冶学院并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。安冶学院由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点梁来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性能好、机床的模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点，是新一代机床结构的重要发展方向。安冶学院并联机床自94年在美国芝加哥国际机床展览会上面市以来，有了很大发展，结构紧凑而且增大了工作空间，机床刚度和工作精度进一步提高，已进入实用阶段。主要用于汽车业、航空业和模具业。在加工中心和可移动FMC中也采用了并联结构。有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。并联机床的工作台有固定台、可交换台、水平分度台、滑座床身等多种。现已达到的最高精度：定位精度为±5μm，重复定位精度为±1.5μm。过去并联机床的最大问题是精度不如传统结构机床，其原因一是坐标轴（支杆）的位置精度不高，二是由于热效应和切削力引起的变形。现在杆内除装有滚珠丝杠外，还有检测杆自身长度的测量系统，通过补偿校正运动精度。数控并联机床的应用安冶学院STEP-NC是一个新的NC编程数据接口国际标准（ISO14649），于1996年制定的，在2001年成为国际标准草案（DraftInternationalStandard,DIS），目的是取代现在使用的NC编程接口标准。2）STEP-NC的出现STEP(StandardfortheExchangeofProductmodeldata)即产品模型数据转换标准STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它在STEP的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，采用了新的数据格式和面向特征的编程原则安冶学院STEP-NC是欧美许多企业和研究机构共同开发的一套面向对象的NC编程接口，这套编程接口总称为“计算机数字控制数据模型（DataModelforComputerizedNumericalControllers），它包括十三个部分，分成三个阶段发布。目前发布出来的有：1）概述和基本原理2)总体加工数据3）切削加工数据4）铣削刀具。STEP-NC是一种在CAD/CAM系统和CNC机床之间进行数据转换的模型，它使用工步（WorkingSteps)这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程而不是机床运动来弥补ISO6983的不足。安冶学院STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufacturingfeatures）进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。它包含了工件的所有加工任务，通过这一系列加工任务，对从零件毛坯到最终成品所有的操作加以描述，提供了更高层次的信息给加工车间。STEP-NC是STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData)标准的扩展，一个基于STEP-NC的NC程序由几何信息和工艺信息描述组成。几何信息描述文件格式与STEP标准完全一致。几何信息采用STEP数据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从而消除了由于数据格式转换可能导致的精度降低的问题。工艺信息描述部分包括所有工步的详细完整定义，如特征代码、刀具数据、机床功能、加工方法及其他数据。安冶学院数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信，进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品。这个全过程就是数字制造。8、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造安冶学院数字化工厂安冶学院高速、高精、高效、智能化、复合化开放化、网络化数控技术总的发展趋势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交互网络化当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。安冶学院一、柔性制造单元（FMC,FlexibleManufacturingCell）§7-3数控技术的FMS及CIMS安冶学院1、定义：有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成，并用一个物料输送系统将机床联系起来。二、柔性制造系统(FMS,FlexibleManufacturingSystem)安冶学院2、特征(1)高柔性能在不停机调整的情况下，实现多种不同工艺要求的零件加工。(2)高效率能采用合理的切削用量实现高效加工，同时使辅助时间和准备终结时间减小到最低程度。(3)高度自动化自动更换工件、刀具、夹具，实现自动装夹和输送，自动监测加工过程，有很强的系统软件功能。安冶学院3、生产线（FTL,FlexibleTransferLine）安冶学院4、组成由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有分系统。加工系统可以由FMC组成，但是多数还是由CNC机床按DNC的控制方式构成，可以自动更换刀具和工件并进行自动加工。物流系统包括工件和刀具两个物流系统。信息流系统包括加工系统及物流系统的自动控制，在线状态监控及其信息处理以及在线检测和处理等。安冶学院三、计算机集成制造系统(CIMS)J.Harringtong博士提出：ComputerIntegratedManufacturing计算机集成制造CIM基本思想企业的各个生产环节是不可分割的，应该加以统一处理；整个生产过程实质上也是对信息的采集、传递和加工处理的过程，在企业中主要存在信息流和物流这两种运动过程，而物流又是受信息流控制的。安冶学院CIM的定义CIM是一种组