數(shù)控技術(shù)發(fā)展

1、數(shù)控技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用數(shù)控技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用一、前一、前 言言 數(shù)控技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)機(jī)械機(jī)械加工過(guò)數(shù)控技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)機(jī)械機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行信息處理與控制，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一程進(jìn)行信息處理與控制，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的一門技術(shù)。是門技術(shù)。是FMS、CIMS的技術(shù)基礎(chǔ)。的技術(shù)基礎(chǔ)。 數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的裝備主流裝備主流。 數(shù)控技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)； (6)微電子技術(shù)； (7)軟件技術(shù)等 。二、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生二、數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生 20世紀(jì)40年末，John parsons and

2、Frank stulen parsons corporation ,（Traverse city, Michigan) 提出了數(shù)控加工思想。 the idea of using coordinate position data contained on punched cards to define and machine the surface contours of airfoil shapes airfoil 0.0015 inch (0.038mm) 1951年4月，美國(guó)空軍和 MIT伺服實(shí)驗(yàn)室簽協(xié)議，研發(fā)數(shù)控機(jī)床。 1952年3月，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在MIT問(wèn)世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上一件

3、劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。當(dāng)時(shí)控制程序是記錄在紙帶上的字符和數(shù)字，故稱數(shù)字控制機(jī)床。 1955年，第一臺(tái)商業(yè)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)全國(guó)機(jī)床展覽會(huì)上展出。 1959年，Keaney and Trecher Co. 研制了第一臺(tái)加工中心（MC), 加工中心是具有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。 1967年，Mollin Co. 研制了第一臺(tái)柔性制造系統(tǒng)（FMS）(David Williamson)。(System 24, (24hr/day,16hr human worker unattended) IBM1360/140 ,7 machine tools) 柔性制造系統(tǒng)是由加工系統(tǒng)（若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床

4、和加工中心）、物料運(yùn)送及管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成的自動(dòng)加工線。Cincinnati Milling Machine Co. Vertical Hydro-Tel milling machine292 vacuum tubes 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing system: CIMS ) 計(jì)算機(jī)集成制造計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)是一種企業(yè)生產(chǎn)制造與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的是一種企業(yè)生產(chǎn)制造與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的哲理。這種哲理首先是在哲理。這種哲理首先是在1974年年美國(guó)美國(guó)Joseph Harrington博士在其論博士在其論文文Computer

5、 Integrated Manufacturing中提出的。中提出的。 CIM是針對(duì)是針對(duì)企業(yè)所面臨的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)而提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。企業(yè)所面臨的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)而提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。其基本思想是：其基本思想是：制造企業(yè)中的各個(gè)部分（即從市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、制造企業(yè)中的各個(gè)部分（即從市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、工程設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、質(zhì)量控制、生產(chǎn)指揮到售后服務(wù)）是一個(gè)互相工程設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、質(zhì)量控制、生產(chǎn)指揮到售后服務(wù)）是一個(gè)互相緊密相關(guān)的整體；緊密相關(guān)的整體；整個(gè)制造過(guò)程本質(zhì)上可以抽象成一個(gè)數(shù)據(jù)的搜集、整個(gè)制造過(guò)程本質(zhì)上可以抽象成一個(gè)數(shù)據(jù)的搜集、傳遞、加工和利用的過(guò)程，最終產(chǎn)

6、品僅是數(shù)據(jù)的物化表現(xiàn)。前者體現(xiàn)傳遞、加工和利用的過(guò)程，最終產(chǎn)品僅是數(shù)據(jù)的物化表現(xiàn)。前者體現(xiàn)了集成的思想，它將企業(yè)決策、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服了集成的思想，它將企業(yè)決策、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服務(wù)有機(jī)地結(jié)合在一起；后者就是信息制造觀的思想。務(wù)有機(jī)地結(jié)合在一起；后者就是信息制造觀的思想。 CIMS定義：定義： 由一個(gè)多級(jí)計(jì)算機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)，配合一套訂貨、銷售、由一個(gè)多級(jí)計(jì)算機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)，配合一套訂貨、銷售、設(shè)計(jì)、制造和管理綜合為一體的軟件系統(tǒng)所構(gòu)成的全盤自動(dòng)化制造系設(shè)計(jì)、制造和管理綜合為一體的軟件系統(tǒng)所構(gòu)成的全盤自動(dòng)化制造系統(tǒng)。統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)集體制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)CIMS：數(shù)控技術(shù)

7、的發(fā)展數(shù)控技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的每一點(diǎn)進(jìn)步都在推動(dòng)數(shù)控技術(shù)向前發(fā)展。 “六代” 1 電子管，1952，Parsons Corp, MIT,美空軍后勤司令部合作，第一臺(tái)立式銑；(292電子管） 2 晶體管、印刷電路，1959，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設(shè)備的體積大大減小，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板，K&T開發(fā)第一臺(tái)加工中心MILWAUKEE-MATIC。 3 小規(guī)模集成電路,1965,由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高。1967英國(guó)最初的FMS. 4 通用小型計(jì)算機(jī),1970，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了一臺(tái)以通用小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)，特

8、征為許多數(shù)控功能由軟件完成。 5 微處理器，1974，開始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)被人們譽(yù)為第五代數(shù)控系統(tǒng)，近30年來(lái)，裝備微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 6 基于PC（PC-BASED）的數(shù)控,20世紀(jì)80年代，基于PC開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1 高速高精度高速高精度 機(jī)床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)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質(zhì)量和精度。上世紀(jì)90年代以來(lái)，高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)/min）、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度60120m/min，切削進(jìn)給速度

9、高達(dá)60m/min）、高性能伺服系統(tǒng)以及工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破。高速切削加工高速切削加工 1931年德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙(Salomon)提出高速切削理論。 在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。對(duì)于每一種工件材料，存在一個(gè)速度范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，由于切削速度太高，任何刀具都無(wú)法承受，切削加工不可能進(jìn)行。但是，當(dāng)切削速度進(jìn)一步提高，超過(guò)這個(gè)范圍后，切削溫度反而降低。同時(shí)切削力也會(huì)大幅度下降。 通常把切削速度比常規(guī)切削速度高出510倍以上的切削叫做高速切削。 車削: 7007000m/min; 銑削：3006000m/min; 鉆削：2001100m/min; 磨削：15

10、0360m/s; 與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%40%， 切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動(dòng)幾乎消失。 Salomon切削速度與溫度實(shí)驗(yàn)曲線2 智能化智能化數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1） 智能化適應(yīng)控制技術(shù)（隨加工過(guò)程切削條件的變化，自動(dòng)地調(diào)整切削用量，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程最佳化）（2） 自動(dòng)編程技術(shù)（3） 具有故障自動(dòng)診斷功能 （4） 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括智能主軸交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置和智能進(jìn)給交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置。 能自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自

11、動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行效果。 （5） 加工參數(shù)智能優(yōu)化與選擇 以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立專家系統(tǒng)，通過(guò)它提供優(yōu)化的切削參數(shù)，使加工系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，達(dá)到提高編程效率和加工工藝技術(shù)水平。 智能制造技術(shù)智能制造技術(shù) 包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神經(jīng)包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三大部分。網(wǎng)絡(luò)三大部分。專家專家系統(tǒng)系統(tǒng)模糊模糊推理推理人工神人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3 體系結(jié)構(gòu)開放化、柔性化 傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是專門、具有不同的編程語(yǔ)言、非標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口等特征，造成了數(shù)控系統(tǒng)使用和維護(hù)的不便，也限制了數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一

12、步發(fā)展。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了“開放式數(shù)控系開放式數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)”的概念。概念最早見(jiàn)于1987年美國(guó)NGC (Next Generation Controller)計(jì)劃， NGC控制技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)基于相互操作和分級(jí)式的軟件模塊的“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（SOSAS）”找到解決問(wèn)題的辦法。 開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是開放式、高性能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)稱。其核心是開放式，既系統(tǒng)各模塊與運(yùn)行平臺(tái)無(wú)關(guān)、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性及通信接口的統(tǒng)一性。 現(xiàn)代開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)要求： 1）采用通用性開放式閉環(huán)控制模式 2）采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，利用開放式的數(shù)控

13、技術(shù)軟、硬件平臺(tái)，可視需求通過(guò)重構(gòu)、編輯調(diào)整系統(tǒng)的組成，便于“剪裁”，擴(kuò)展和生級(jí)；功能可專用也可通用，可組成不同擋次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)；功能價(jià)格比可調(diào)，可集成用戶的技術(shù)訣竅。 體系結(jié)構(gòu)滿足了開放式要求，同時(shí)也具有了柔性化。4. 交互可視化交互可視化 為使設(shè)備易操作和維修，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下三個(gè)特點(diǎn)： 1）用戶界面圖形化，可通過(guò)窗口和菜單進(jìn)行操作，以便藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)顯示、圖形模擬、圖象動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真及不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。 2）計(jì)算可視化，使信息交流不再局限于用文字和語(yǔ)言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖象、動(dòng)畫等可視信息，使系統(tǒng)滿足參數(shù)自動(dòng)

14、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)程的可視化仿真和自動(dòng)編程設(shè)計(jì)等要求。 3）數(shù)控編程自動(dòng)化，CAD/CAM圖形交互自動(dòng)編程和CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。5 .通信網(wǎng)絡(luò)化通信網(wǎng)絡(luò)化 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)中央集中控制的群控加工，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該有強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，可以在任何一臺(tái)機(jī)床上對(duì)其他機(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，可進(jìn)行遠(yuǎn)程化控制和無(wú)人操作，實(shí)現(xiàn)信息共享、兼容多種通信協(xié)議，既能滿足單機(jī)需要，又能滿足柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)對(duì)基層設(shè)備的要求，同時(shí)便于形成“全球制造”

15、的基礎(chǔ)單元的需求在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈工鏈 車銑復(fù)合車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）； 鏜銑鉆復(fù)合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）； 銑鏜鉆車復(fù)合復(fù)合加工中心； 可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床組合加工中心； 集車削和激光加工于一體的機(jī)床； 測(cè)量/制造復(fù)合，在加工后對(duì)工件進(jìn)行在線測(cè)量（1）車削為主）車削為主 德國(guó)德國(guó)INDEX公司的公司的TRAUBTNX65多功能數(shù)控車削中心，具有雙主軸、多功能數(shù)控車削中心，具有雙主軸、4個(gè)刀塔，第二主軸可作個(gè)刀塔，第二主軸可作Y軸移動(dòng)；德國(guó)軸移動(dòng)；德國(guó)DMG公司的公司的TWIN65雙

16、主軸車削中心，雙主軸車削中心，上下各有一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀架，可實(shí)現(xiàn)上下各有一個(gè)轉(zhuǎn)塔刀架，可實(shí)現(xiàn)6面加工，第二主軸可作橫向移動(dòng)等。面加工，第二主軸可作橫向移動(dòng)等。 （2）加工中心的復(fù)合化）加工中心的復(fù)合化 日本日本MAZAK公司的新機(jī)床為公司的新機(jī)床為Integrex e-1550V型復(fù)合車銑加工中心，型復(fù)合車銑加工中心，它將它將5軸聯(lián)動(dòng)加工中心的功能和軸聯(lián)動(dòng)加工中心的功能和CNC數(shù)控車削中心的功能融合到了一起。數(shù)控車削中心的功能融合到了一起。在市場(chǎng)中，在市場(chǎng)中，Mazak公司的公司的Integrex系列機(jī)床被看作是多功能機(jī)床的同義系列機(jī)床被看作是多功能機(jī)床的同義詞。詞。（3）磨削為主）磨削為主 該類復(fù)

17、合機(jī)床的代表為瑞士該類復(fù)合機(jī)床的代表為瑞士MAGERLE公司的公司的MGR立式車磨復(fù)合加工機(jī)，機(jī)立式車磨復(fù)合加工機(jī)，機(jī)床上方配有多個(gè)磨頭和一個(gè)車刀架，可以對(duì)零件進(jìn)行磨削和精車；日本森精床上方配有多個(gè)磨頭和一個(gè)車刀架，可以對(duì)零件進(jìn)行磨削和精車；日本森精機(jī)制作所的機(jī)制作所的IGV-3NT磨頭可回轉(zhuǎn)式立式磨床，可在一次裝卡下對(duì)零件內(nèi)外圓磨頭可回轉(zhuǎn)式立式磨床，可在一次裝卡下對(duì)零件內(nèi)外圓和端面進(jìn)行加工；瑞士和端面進(jìn)行加工；瑞士STUDER公司的公司的S33萬(wàn)能數(shù)控磨床，可以在一次裝卡萬(wàn)能數(shù)控磨床，可以在一次裝卡下實(shí)現(xiàn)多線螺紋加工和內(nèi)外圓、端面加工。下實(shí)現(xiàn)多線螺紋加工和內(nèi)外圓、端面加工。7. 數(shù)控機(jī)床機(jī)械

18、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新1）直線電機(jī)取代滾珠絲杠）直線電機(jī)取代滾珠絲杠 傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)需要絲杠軸承座，聯(lián)軸器等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)鏈傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)需要絲杠軸承座，聯(lián)軸器等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)鏈中精度損失多（軸承游隙、絲杠螺距誤差、反響間隙等），而采用直線電機(jī)可以中精度損失多（軸承游隙、絲杠螺距誤差、反響間隙等），而采用直線電機(jī)可以克服傳動(dòng)鏈中丟失的精度，另外從電氣角度看，參數(shù)設(shè)置更直接、簡(jiǎn)便、精確。克服傳動(dòng)鏈中丟失的精度，另外從電氣角度看，參數(shù)設(shè)置更直接、簡(jiǎn)便、精確。平面電機(jī)平面電機(jī)2）電主軸取代主軸箱）電主軸取代主軸箱電主軸實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)和機(jī)床主軸之間的“零傳動(dòng)”，這是數(shù)控機(jī)

19、床傳動(dòng)的重大變革。它克服了傳統(tǒng)機(jī)床皮帶或齒輪傳動(dòng)的主軸系統(tǒng)在高速下打滑、振動(dòng)和噪音大、慣量大等弊端，可良好地實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的高速化，有效改善主軸高速綜合性能。3）重心驅(qū)動(dòng)）重心驅(qū)動(dòng)從力學(xué)角度分析，在推動(dòng)物體移動(dòng)時(shí)，如果作用點(diǎn)不在物體重心，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭矩，對(duì)機(jī)床定位來(lái)講是一個(gè)不穩(wěn)定擾動(dòng)因素，影響輪廓加工精度和穩(wěn)定性。通常單滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力與工件受力點(diǎn)總是隨著加工軌跡變化而變化的，既工作臺(tái)所受的扭矩總是存在的。采用雙絲杠驅(qū)動(dòng)（重心驅(qū)動(dòng)）能很好地解決上述問(wèn)題，最顯著的作用就是減少振動(dòng)，提高加工精度。振動(dòng)隨時(shí)間的變化如圖表所振動(dòng)隨時(shí)間的變化如圖表所示。示。重心驅(qū)動(dòng)設(shè)備很快就消除了重心驅(qū)動(dòng)設(shè)備很快就消除了振動(dòng)，反之其他設(shè)備的振動(dòng)振動(dòng)，反之其他設(shè)備的振動(dòng)則持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間。則持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間。使用位于振動(dòng)設(shè)