数控技术现状及发展趋势

数控技术现状及发展趋势前言数控机床是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值和高利润的重要出口产品。数控机床已成为关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产品。数控机床集机械制造技术、信息技术、微电子技术和自动化技术等为一体，随着科学技术的发展而不断地发展与创新。作为一本数控机床教材如何在众多的技术内容中抓住本质、提取精华、突出重点，少而精地奉献给读者，是本书的编写难点，也是特色所在。本书编写既注重应用性，又考虑到理论基础，同时还考虑其最新技术，理论叙述力求通俗易懂。内容是以数控加工信息流为主线顺序展开，先后阐述了数控编程的基础及方法、计算机数控装置的硬软件、数控装置的轨迹控制原理、数控机床的伺服系统工作原理，同时还叙述了数控技术的基本概念、数控机床的检测装置、数控机床的机械结构、数控机床的故障诊断、数控自动编程以及数控技术的发展等内容。1国内外数控技术发展状况20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。“十五“刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6．8亿元，用于对1．2－1．8万台机床的数控化改造。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔、西班牙发格、意大利菲地亚、法国的NUM、日本的三菱、安川。国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300～400套。近10年，数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。1．1高速化由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000r／min提高到8000~10000r／min，铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r／min提高到12000r／min、24000r／min、40000r／min以上快速移动速度由过去的10～20m／min提高到48m／min、60m／min、80m／min、120m／min，在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0．5G（重力加速度）提高到1．5～2G，最高可达15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。1．2高精度化数控机床的定位精度已由一般的0．01～0．02mm提高到0．008mm左右，亚微米级机床达到0．0005mm左右，纳米级机床达到0．005～0．01μm，最小分辨率为1nm（0．000001mm）的数控系统和机床已有产品。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。1．3复合加工、新结构机床大量出现如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。1．4使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m／min，加工铝件能达5000m／min。1．5数控机床的开放性和联网管理数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。2数控技术的发展趋势2．1性能发展方向（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。（4）实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。2．2功能发展方向2．2．1用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。2．2．2科学计算可视化科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD／CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。2．2．3插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D＋2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补（A、B、C样条）、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。2．3体系结构的发展2．3．1集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、E-PLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。2．3．2模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。2．3．3网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。3智能化新一代PCNC数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD／CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。4展望制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本章对数控技术和产业发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上，对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨，提出了以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，使我国数控技术和产业最终走向世界的前列。参考书:承恩，丁乃建．现代数控机床．北京：机械工业出版社，1991任玉田．机床计算机数控技术．北京：北京理工大学出版社，1996严爱珍．机床数控原理与系统．北京：机械工业出版社，1999唐仲文等．机电一体化技术手册．北京：机械工业出版社，1999廖效果，朱启逮．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，1992叶蓓华．数字控制技术．北京：清华大学出版社，2002杜君文，邓广敏．数控技术．天津：天津大学出版社，2002王永章，杜君文，程国全．数控技术．北京：高等教育出版社，2001王爱玲等．现代数控原理及控制系统．北京：国防工业出版社，2002董玉红．数控技术．北京：高等教育出版社，2004吴祖育，秦鹏飞．数控机床，第3版．上海：上海科学技术出版社，2002逯晓勤，李海梅，申长雨．数控机床编程技术．北京：机械工业出版社，2002李斌．数控加工技术．北京：高等教育出版社，2001盛伯浩，唐华．数控机床技术发展浅析．航空制造技术，2002(6)：17~21李郝林，方键．机床数控技术．北京：机械工业出版社．2001明兴祖．数控机床与系统．北京：中国人民大学出版社，2000张建钢．数控技术．武汉：华中科技大学出版社，2000许祥泰，刘艳芳．数控加工编程实用技术．北京：机械工业出版社，2001杨有君．数字控制技术与数控机床．北京：机械工业出版社，1999朱晓春．数控技术．北京：机械工业出版社，2003宋本基，张铭均．数控技术．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999李佳．数控机床及应用．北京：清华大学出版社，2002Gross编著．机床电力进给驱动装置．王洪等译．北京：机械工业出版社，1983顾京．现代机床设备．北京：化学工业出版社，200l毕毓杰，黄健求，李宏胜．机床数控技术．北京：机械工业出版社，1997黄尚先．现代机床数控技术．北京：机械工业出版社，1996于华．数控机床的结构及编程．北京：机械工业出版社，2000王爱玲，白恩远．现代数控机床．北京：国防工业出版社，2003熊清平．数控系统技术的发展趋势．机电工程技术，2004，9：91~94吴明友．数控机床加工技术：编程与操作．南京：东南大学出版社，2000薛彦成．数控原理与编程．北京：机械工业出版杜，1994杨继昌，李金伴．数控技术基础．北京：化学工业出版社，2004罗学科，谢富春．数控原理与数控机床．北京：化学工业出版社，2003王风蕴，张超英．数控原理与典型数控系统．北京：高等教育出版社，2003李善术．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，2001白恩远等．现代数控机床伺服及检测技术．北