第一讲现代数控发展方向

第一讲现代数控的发展方向哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室2012年4月15日第一讲现代数控技术的发展方向1.1数控技术总的发展趋势当代，数控技术的典型应用是：单机，复合，FMC/FMS/CIMS其发展方向是：高速度化高精度化高效加工、多功能化复合化开放化智能化极限制造数控（小型、高精密、大型数控）STEP-NC数控标准的发展网络数控数控功能部件及数控刀具的发展目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统、STEP-NC具体如下：1.与IT融合，继续走开放式道路当今加工设备和制造系统与IT融合正朝着网络化、高柔性、可重构、多功能、有特色的方向发展。要求数控系统能够重新装配、重新生成、在线扩充和远程修改，能够融入用户的工艺诀窍和经验。其有效途径就是走“开放式”道路。2.向STEP-NC体系方向发展基于STEP-NC的数控系统是一种新型数控系统：◆可以有效的解决复杂曲面插补、三维刀补、智能轨迹规划、加工过程实时化控制等传统数控系统的难题，◆可以实现设计、制造、管理、控制的双向无缝连接。◆STEP-NC的出现将引发数控技术领域的一场革命。3.向超高速方向发展◇高速和超高速数控加工已成为国际上公认的先进制造技术之一，在国防民用各部门均有广泛应用。在汽车工业中，以高速高效数控加工取代多主轴组合机床；◇在模具制造等行业以高速多坐标数控机床铣削淬硬钢，取消传统的淬火后研磨、研抛、电加工等低效率工艺，实现高硬度复杂表面零件的高速高效加工；◇在航空、航天、军工等行业，以高速多坐标数控机床对飞行器等大型构件（机身、机翼等）进行整体加工，从而有效消除传统拼装机构所具有的种种弊病。◇高速和超高速数控加工将是数控技术和数控产业的重要发展趋势之一。4.向超精方向发展人类认识世界和改造世界的能力正在向微小尺寸方向发展。在微观领域，要求微制造装备具有原子尺度的操作和加工能力。计算机CPU的制造是电子产品制造的制高点，要求其制造装备的精度达到纳米级。在宏观方面，大型天文望远镜镜片的表面形貌误差亦要求达到纳米级。这些纳米级的超精尖端设备如果没有超精的数控技术是制造不出来的。超精数控是数控技术另一个重要发展方向。5.向智能化方向发展数控系统和装备的智能化，不仅有利于减轻操作者的体力和脑力劳动强度，而且更重要的是可以提高数控加工的质量和效率。智能化主要体现在以下几个方面：（1）智能编程在数控编程系统和数控系统软件中嵌入专家系统，建立知识库和工艺数据库，从而实现自动选择刀具、合理计算切削用量，确定最佳走刀路线，使数控加工实现最优化。（2）智能化自适应控制将人工智能技术与自适应技术相结合，通过在线检测切削力,切削温度、刀具磨损等参数，经计算机分析计算后发出控制信号，实时调整主轴转速、进给速度和背吃刀量，使数控加工系统处于最佳状态（3）加工过程智能化监控将人工智能技术与现代传感技术相结合，对加工过程的一些关键环节和因素进行智能化监控，如刀具磨损/破损的自动监控、主轴运行状态自动监控、高速加工安全性的自动监控等。（4）故障诊断智能化应用模糊数学、神经网络理论、专家系统技术等建立具有人工智能的故障诊断系统，实现对数控系统和机床故障的自动诊断，并自动或指导维修人员快速排出故障。（5）信息输入与操作智能化应用模式识别技术，进行图像和语音的识别，实现零件图形的智能化识别和理解，并按照操作者的语音命令自动控制加工过程。（6）智能寻位加工通过仿人智能途径主动感知工作信息、自动分析求解工件实际状态，进行位姿自适应加工，消除对精密夹具的依赖。6.向网络化方向发展与IT融合的网络化通讯与网络化控制是数控技术的重要发展方向不仅适用Internet网、工业以太网等的整机和上层联网技术建有大的发展，而且使基于现场总线网络的执行层（伺服系统、主轴单元、PLC、机床传感器等）联网控制技术将出现新的突破。7.进一步实现无图纸数控加工CAD/CAM/CNC一体化，实现无图纸数字化制造。有二种方法◎一是CAD/CAM/CNC物理上的一体化（在一个控制系统上完成）。◎二是数控系统的联网功能，通过网络与CAD/CAM计算机进行高速信息交换，使得数控系统直接获取设计和加工信息，从而实现逻辑上CAD/CAM/CNC的一体化。无图纸的实物映射数控加工就是通过对实物零件和模型进行数字化信息提取，利用计算机对数字化信息进行处理，并生成NC程序控制机床运行，从而完成映射零件的加工。8.加速发展零传动数控驱动技术传统的由旋转伺服电机加机械传动装置的驱动系统，不能满足数控装备向高速、高精度发展的需要。出现新一代零传动驱动系统直线伺服电机的直线进给零传动驱动系统环形伺服电机的旋转进给零传动驱动系统高速电主轴的零传动主运动零传动驱动系统将得到进一步的快速发展，并加速普及应用。9.研究开发新型主机结构和可重构数控机床随着数控系统复杂控制算法的发展，将进一步促进新结构数控机床的发展。如；并联、串并联结构数控机床串并联数控机床具有高刚度，可获得大的旋转角和大工作空间可重组数控机床为适应快速多变的市场，根据生产的要求，在现场对已有设备模块进行动态重组，并对数控系统进行重新配置，以满足构成新要求的制造装备。这种在可配置数控系统控制下的可重组制造装备，从制造过程的底层有效提高现代制造系统的敏捷性，将大有发展前途。10.实现数控装备的超复合化在传统加工中心和车削加工中心实现多工序复合的基础上，实现更大跨度的超复合化，实现车、铣、钻常规切削加工工序的复合切削加工、激光加工、激光热处理等复合的万能加工中心实现粗加工、半精加工、热处理、精加工等全部工序。11.由切削加工向非切削加工方向发展非切削数控加工需求激增，在快速成型制造领域：成型精度、表面质量、机械强度等方面问题；在模具制造、复杂零件制造；基于飞秒激光的双（多）光子加工技术，开创了超精细、无热损伤三维加工和处理的新领域；塑料体积成形加工的数字控制。1.2新的数控标准STEP-NC，新的编程规范1.3开放数控1.4CNC控制器的发展趋势1.4.1多坐标、多通道控制。以FANUC30i-MODELA系统为例：十个通道，40个轴（32个进给轴、8个主轴）日本叫多系统。（SIEMENS840D等系统:一直是多通道的）联动轴数最大24个/主轴8个。3个PMC通道。最大I/O点数4096/4096PMC基本命令速度25ns。最大预读程序段：1000段。(多通道系统适合大型自动机床、复合机床、多头机床的控制器)1.4.2高速高精、低速高精加工功能1.新功能前馈控补偿由于反馈滞后所产生的误差，提高加工精度。进给率和加减速曲线控制，拐角控制。减少加减速滞后所产生的误差。前瞻（前视）控制在程序执行前，对运动数据进行计算处理和多段缓冲，从而控制刀具以很小的误差进行高速运动。平滑运行的高精度轮廓控制、AI高精度/AI纳米轮廓控制对指令的实时识别，最佳的控制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳状态。数字滤波器技术用以消除机械谐振，提高伺服系统的位置增益。高精高速进给伺服系统高精高速主轴伺服系统高增益的驱动器、控制单元、电机；提高编码器的分辨率，1600万脉冲/转；直线伺服电机驱动，提高进给刚度；对于直线电机，设计数字滤波器以避免直接驱动机械带来的多点谐振。主轴采用交流同步伺服电机驱动时，高增益控制、无齿槽效应高分辨率电机，使主轴低速时转矩大、精度高；采用交流异步高分辨率伺服电机驱动时，高速度高精度。纳米控制（纳米级1-100nm）：在系统检测分辨率为1m时，插补分辨率为0.1m。1m=1000nm。采取措施：CNC内部计算以纳米或更小的单位计算，使误差最小化；高精度的交流数字伺服控制；很高的电流检测精度；相应的硬件（RISC芯片）。纳米平滑功能：以纳米为单位评估原始曲线，圆整指令公差。使加工自由曲面时，减小或消除程序段之间出现的条纹。NURBS插补，样条插补。nm插补：80位浮点计算。2.NURBS插补简介1）概述高速加工CNC控制器具有NURBS插补功能，可以接受CAM软件传来的BURBS格式的刀位轨迹数据,进行BURBS插补加工。在CAM软件的刀位轨迹计算时，直接输出定义NURBS曲线的“控制点”、“权重”、“节点矢量”，然后通过后处理译成机床CNC系统可识别的G代码，CNC以插补速率对原始的NURBS曲线进行插补加工。常规的CAM后置处理提供二种插补：直线插补和圆弧插补，常用线性插补逼近。高速加工设备出现了NURBS曲线插补，这使CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域生成的能力。各种插补比较如下：图4.4-1NURBS曲线的插补方式公差CAD的NURBS曲线CAM的直线插补基于点集的直线插补基于NURBS的样条插补2）NURBS插补的优点：①与线性插补相比，CAM输出的NURBS插补的刀位文件大为缩短，只有其1/10～1/100。由于高速铣采用小的刀具、小的切削量和窄的公差带，如公差带设置为±0.002mm或更小，按照常规的插补方法，这个程序的长度会很大，可能达到100MB以上，许多机床的CNC控制器不能接受。②NURBS插补比采用近似分段的直线和圆弧插补更为准确，刀位轨迹更加平滑。③NURBS插补速率快，精度高。例如：GEFanucNURBS插补采样周期为1ms，加工处曲率半径为50mm，产生的法向加速度为0.2g，以18.8m/min的高速进行加工。计算：一个插补周期的轮廓步长L=fT=18.8m×1000/min×60×1000=0.313mm插补误差e=(Ft)2/8r=0.3132/8×50=0.0002448mm=0.245μm④改变高速切削的表面质量。得到平滑精确的表面，如采用内、外公差（Intol/Outtol）会到更加平滑的刀具轨迹。⑤NURBS插补可缩短加工时间。由于机床存在惯性，在用直线插补时，存在直线拐角处的拐角运动为了避免冲击，机床一般按平滑规律进行加减速处理。这样每到一拐角就要降低速度，然后再加速。而NURBS插补是光滑的，能在加速度允许的范围内以最大速度进行加工。有的专家认为：提高数控加工质量、速度的最好办法之一是高速加工技术和NURBS插补的结合3）NURBS格式输出的系统模型NURBS插补由CAD---CAM---CNC的过程见下图：.曲面模型刀具轨迹曲线NURBS曲线NURBS格式输出：控制点、节点矢量、权重CNC机床NURBS插补CADCAMCNC图4.4-2NURBS格式输出的系统模型4）NURBS插补指令的格式：G6.2PKXYZ-R.在UG中，如果选择了NURBS选项后，要回答三个问题：①分段的NURBS曲线是否联接成一条曲线。②角度公差控制。两个NURBS曲线的切线的夹角，为了光滑选为5°或更小。③拟合公差控制。目前支持NURBS功能的CNC系统有：FANUC系统的15B、16C、16iMA、18i、Seimens、Heidenhain、Makino、Fidia等。G6.2P4K0.X11.8986Y1.7906Z-1.9404R1.NURBS插补G代码NURBS曲线的阶数控制点坐标控制点矢量权图6-7FANUC系统NURBS指令格式5）非均匀有理B样条插补NURBS：G06.2G05P10000;…G06.2P_K_X_Y_Z_R_F_;K_X_Y_Z_R_;K_X_Y_Z_R_;K_X_Y_Z_R_;…K_X_Y_Z_R_;K_;…K_;G01…G05P0西门子：A样条B样条C样条●●●●●●●●●●●权值小权值大●●●节点矢量变化大节点矢量变化小NURBS曲线曲线阶次P控制点XYZBC：决定曲线位置权因子R：控制点的吸引力，越大越接近控制点节点矢量K：像水流一样，小时，短时间流速慢，大时急流关于NURBS在CAD、CAM、CNC中的变换产生：1.4.3五轴加工和复杂加工功能；五轴加工工艺合理，对三维曲面加工可充分利用刀具的最佳几何形状进行切削，在复杂形状的高速高精加工中，可以提高效率提高光洁度。五轴加工的机械配置有刀具旋转方式、工作台旋转方式及它