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数控技术2010-8-30数控机床讲课•第一讲•第二讲•第三讲•第四讲数控机床的发展•第五讲数控检测系统•第六讲•第七讲•第八讲•第九讲•第十讲、•第十一讲•第十二讲•第十三讲•第十四讲•第十五讲•第十六讲•第十七讲•第十八讲•第十九讲•第二十讲•第二十一讲•第二十二讲•第二十三讲•第二十四讲•第二十五讲、•第二十六讲•第二十七讲•第二十八讲•第二十九讲•第三十讲数控技术的发展第四讲1．5机床数控技术的发展•数控机床综合应用了当代最新科技成果而发展起来的新型机械加工机床。40年来．数控机床在品种、数量、加工范围与加工精度等方面有了惊人的发展，大规模集成电路和微型计算机的发展和完善，使数控系统的价格逐年下降．而精度和可靠性却大大提高。•数控机床不仅表现为数量迅速增长，而且在质量、性能和控制方式上也有明显改善。目前，数控机床正朝着以下几个方面发展。1)数控技术的发展1．数控技术的发展史从1952年世界上第一台数控铣床问世至今50多年中，随着微电子技术的不断发展，特别是计算机技术的发展，数控系统经历了从硬线数控到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机平台的数控共五代的发展。(1) 1952年美国研制出第一代数控机床，其数控系统采用电子管、继电器、模拟电路组成，体积庞大，价格昂贵。(2) 1959年数控系统中开始广泛采用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。第二代数控系统体积缩小，成本有所下降。从1960年开始，其他一些工业国家如德国、日本等都陆续开发、生产并使用了数控机床。(3) 1965年出现了小规模集成电路，数控系统发展到第三代。第三代数控系统不仅体积小、功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降。1967年，英国首先把几台数控机床联结成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统(FMS)；之后，美国、日本也相继进行了开发和应用。以上这三代数控系统主要由电路的硬件和连线组成，称为硬线数控系统，具有很多硬件和连线特点，电路复杂，可靠性不高。装有这类数控系统的机床称为普通数控机床(NC)。(4)随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，小型计算机开始取代专用数控计算机，使数控系统进入了以小型计算机化为特征的第四代，数控的许多功能由软件程序来实现。1970年，这种系统首次出现在美国芝加哥国际机床展览会上。(5) 1974年，以微处理器为核心的数控系统问世，标志着数控系统进入第五代。30多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速的发展和广泛的应用。第四、五代数控系统主要由计算机硬件和软件组成，通常称为计算机数控系统(CNC)；又由于其利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称为软件数控系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。数控系统经过50多年的不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比越来越好。以FANUC为例，1991年开发成功的FS15系统与1971年开发的FS220系统相比，体积只有后者的1/10，加工精度提高了10倍，可靠性提高了30倍以上。新一代数控系统技术水平的提高，促进了数控机床性能的提高：数控机床的控制轴数已从单轴的点位控制、两轴联动发展到五轴以上的联动；许多数控机床具有自适应控制、自动检测、软件精度补偿、自动换刀、自动交换工件、动态加工图像显示、现场编程、机床故障自诊断等功能；某些机床还带有自动监控刀具破损、磨损、切削振动、主轴功率超载监控等装置。2．数控机床和数控系统的发展趋势1)高速化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速切削可以减小切削深度，有利于克服机床振动、降低传入零件的热量及减小热变形，从而提高加工精度，改善加工表面质量。新一代高速数控机床的车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上，主轴转速在30000r/min以上(有的高达100000r/min)，数控机床能在极短时间内实现升速和降速，以保持很高的定位精度；工作台的移动速度，在分辨率为1μm时，可达100m/min以上，在分辨率为0.1μm时，可达240m/min以上；自动换刀时间在1秒以内，工作台交换时间在2.5秒以内，并且高速化的趋势有增无减。目前，数控系统采用更高位数、频率的处理器，以提高系统的运算速度；采用超大规模的集成电路和多微处理器机构，以提高系统的数据处理能力；采用直线电机直接驱动工作台的直线伺服进给方式，使其高速度和动态响应特性相当优越；为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴的一体化；主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式；目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。2)高精度化数控系统带有高精度的位置检测装置，并通过在线自动补偿(实时补偿)技术来消除或减少热变形、力变形和刀具磨损的影响，使加工一致性的精度得到保证，进一步提高了定位精度。普通数控加工的尺寸精度通常可达5μm，精密级加工中心的加工精度通常可达1μm，最高的尺寸精度可达0.01μm。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出新的要求。新材料、新零件的出现以及更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，是适应现代科技必由之路。3)多功能化数控机床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，加工中心的出现打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工。现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，减少了在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。近年来，又相继出现了许多跨度更大的功能集中的超复合化数控机床。4)智能化随着人工智能在计算机领域中的应用，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，使新一代数控系统具有自动编程、模糊控制、前馈控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控功能更加完善。5)高柔性化数控机床在提高单机柔性化的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。柔性制造系统(FMS)是一种在批量生产下，高柔性和高自动化程度的制造系统，它综合了高效、高质量及高柔性的特点，解决了长期以来中小批量以及中大批量、多品种产品生产自动化的技术难题。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现了数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。6)可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的指标。数控系统继续向高集成度方向发展，以减少元器件的数量来提高可靠性，同时使系统更加小型化、微型化；利用多CPU的优势，实现故障自动排除，增强可靠性。此外，数控机床也在朝着模块化、专门化、个性化方向发展。数控机床结构模块化，以适应数控机床多品种、小批量加工零件的特点；数控功能专门化，以使机床性能价格比显著提高；个性化也是近几年来数控机床特别明显的发展趋势。先进制造系统简介1．数字控制系统数字控制系统(DNC系统)是用一台计算机直接控制多台机床进行零件加工或装备的系统，又称群控系统，它在20世纪60年代末开始出现。在DNC系统中，基本保留了原来各数控机床的CNC系统，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现了分级控制管理。DNC系统具有如下特点：①具有计算机集中处理和分时控制的能力；②具有现场自动编程和对零件程序进行编辑和修改的能力，使编程与控制相结合，而且零件程序存储容量大；③具有生产管理、作业调度、工况显示监控和刀具寿命管理的能力。1)间接型DNC系统间接型DNC系统配有集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加有通信接口，如图1-8所示。各机床的数控装置依然承担着原来的控制功能，中央计算机配备的大容量外存储器中存放着每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序，可适时调至计算机的内存中。计算机根据需要以中断方式向发出请求的某台数控机床的通信接口传送所需的加工程序。间接型DNC系统比较容易建立，由于机床的数控装置未简化，硬件成本较高。外存储器CNC机床机床中央计算机接口CNC…2)直接型DNC系统在直接型DNC系统中，数控机床不再配备数控装置，只需配置一个简单的机床控制器(MachineControlUnit，MCU)，用于数据传输、驱动控制和手工操作，原来由数控装置完成的插补运算由中央计算机或接口电路完成，如图1-9所示。直接控制型DNC系统的数控机床，其控制功能主要由计算机软件执行，所以灵活性大，适应性强，可靠性也比较高，但是投资比较大。外存储器MCU机床机床中央计算机接口MCU…2.柔性制造系统柔性制造系统(FMS)是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，它具有多台制造设备，由一个物料运输系统将所有设备连接起来，由计算机进行高度自动的多级管理与控制，对一定范围内的多品种、中小批量的零件进行制造。一个柔性制造系统的加工对象的品种为5～300种，其中30种以下的居多。•柔性制造系统中的多台设备不限于切削加工设备，可以是电加工、激光加工、热处理、冲压剪切等设备，也可以是上述多种设备的综合。组成设备的台数并无定论，一般认为由5台以上设备组成的系统才是FMS。由于物料运输系统可将所有设备连接起来，因此柔性制造系统可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造。•FMS系统能够进行的功能有：作业调度、零件程序选择、工夹具管理、刀具破损或磨损检测、托盘交换、自动检测、诊断检查等。例1：通过研究国际数控机床发展趋势、本行业产品更新换代趋势，使所选设备十年不落后•广州标致汽车公司解体时，中方寻找新伙伴。日本本田发现中方拥有发动机柔性生产线，很快就达成合资协议。•而北京、长春、湖北几个著名发动机制造企业，发动机新生产线刚投产就落后，因为它是刚性生产线，无法适应发动机更新换代的要求。•FMS的构成框图加工子系统物流子系统信息流子系统一般认为FMS应由加工、物流、信息流三个子系统组成。•1)加工子系统•加工系统可以由FMC(柔性制造单元)组成，但大多数由CNC机床按DNC控制方式构成，可以实现自动更换刀具和工件并自动进行加工。•2)物流子系统•物流系统包括工件和刀具两个物流系统，还包括工件和夹具的输送、装卸以及仓储等装置。系统设有中央刀库，由工业机器人在中央刀库与各机床的刀库之间进行输送和更换刀具，工件和夹具的存储仓库多用立体仓库，由仓库计算机进行管理和控制；进行输送时大多使用有轨小车或无轨小车，小车的行车路线由电缆或光电引导。•3)信息流子系统•信息流系统包括加工系统及其物流系统的自动控制、在线状态监控及其信号处理以及在线检测和处理等。•柔性制造系统由于解决了零部件的存放、运输以及等待时间，生产效率大大提高；由于装夹、测量、工况监控、质量控制等功能的采用，使机床的利用率由单机的50%提高到80%，而且加工质量稳定。使用柔性制造系统的行业主要集中在汽车、飞机、机床、拖拉机以及某些家用电器行业。•由于FMS的加工对象、生产规模以及系统物流与功能的不同，其总体结构形式的差异很大。•对FMS，计算机系统一般分为三级，第一级为主计算机，又称为管理计算机。管理计算机根据调度作业命令或根据现场反馈信号（如故障、报警信号）运行。作业调度软件”，实现各种工况的作业调度计划．并对下一级计算机发出相应的控制指令；第二级为过程控制计算机，包括计算机群控（DNC）、刀具管理计算机和工件管理计算机，其作用是接受主计算机的指令；根据指令对下属设备实施具体管理；第三级由各设备的控制计算机构成．实现具体的程序动作。432151—环形交换工作台；2—托盘座；3—工件托盘；4—卧式镗铣加工中心；5—托盘交换装置图1-10托盘交换式FMC示意图1.5数控技术的发展趋势关于选择数控系统•机床数