數(shù)控技術(shù)發(fā)展課件

1、數(shù)控技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用一、前 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)械加工過程進(jìn)行信息處理與控制，達(dá)到生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一門技術(shù)。是FMS、CIMS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。 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 20世紀(jì)40年末，John parsons and Frank stulen parsons corporation ,（Traverse city, Michigan) 提出了數(shù)控加工思想。 the idea

2、 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問世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上一件劃時(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)床在美國全國機(jī)床展覽會(huì)上展出。 19

3、59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。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing sy

4、stem: CIMS ) 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)化的哲理。這種哲理首先是在1974年美國Joseph Harrington博士在其論文Computer Integrated Manufacturing中提出的。 CIM是針對(duì)企業(yè)所面臨的激烈市場競爭形勢(shì)而提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。其基本思想是：制造企業(yè)中的各個(gè)部分（即從市場分析、經(jīng)營決策、工程設(shè)計(jì)、制造過程、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；整個(gè)制造過程本質(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)營管理、生

5、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。 CIMS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、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)。 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)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)

6、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英國最初的FMS. 4 通用小型計(jì)算機(jī),1970，在美國芝加哥國際機(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，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)1 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

7、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，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。Salomon切削速度與溫度實(shí)驗(yàn)曲線（2） 自動(dòng)編程技術(shù) （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)庫為支撐，建立專家

8、系統(tǒng)，通過它提供優(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) 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。專家系統(tǒng)先是采集領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，然后將知識(shí)分解為事實(shí)與規(guī)則，存儲(chǔ)于知識(shí)庫中，通過推理作出決策。模糊推理模糊推理又稱模糊邏輯，它是依靠模糊集和模糊邏輯模型進(jìn)行多個(gè)因素的綜合考慮，采用關(guān)系矩陣算法模型、隸屬度函數(shù)、加權(quán)、約束等方法，處理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人腦部分功能的某些抽象、簡化與模擬，由數(shù)量巨大的以神經(jīng)元為主的處理單元互連構(gòu)成，通過神經(jīng)元的相互作用來實(shí)現(xiàn)信息處理。3 體系結(jié)構(gòu)開放化、柔

9、性化 傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是專門、具有不同的編程語言、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)一步發(fā)展。為了解決這些問題，人們提出了“開放式數(shù)控系統(tǒng)”的概念。概念最早見于1987年美國NGC (Next Generation Controller)計(jì)劃， NGC控制技術(shù)通過實(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

10、。 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)控技術(shù)軟、硬件平臺(tái)，可視需求通過重構(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 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

11、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)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)。6.功能復(fù)合化復(fù)合化：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

12、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)量多功能復(fù)合化機(jī)床消除了車床、銑床、磨床、激光設(shè)備等之間的傳統(tǒng)差異。 （2）加工中心的復(fù)合化 日本MAZAK公司的新機(jī)床為Integrex e-1550V型復(fù)合車銑加工中心，它將5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。在市場中，Mazak公司的Integrex系列機(jī)床被看作是多功能機(jī)床的同義詞。（3）磨削為主 該類復(fù)合機(jī)床的代表為瑞士MAGERLE公司的MGR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)外圓和

13、端面進(jìn)行加工；瑞士STUDER公司的S33萬能數(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。平面電機(jī)2）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)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)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題，最顯著的作用就是減少振動(dòng)，提高加工精度。DCG有DCG無森精機(jī)公司的車銑復(fù)合加工中心 4. 現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的變革1）內(nèi)冷式滾珠絲杠 高速數(shù)控機(jī)床用新HMC系列滾珠絲杠。HMC系列是NSK公司于1997年推出的，由于采用了“空心強(qiáng)冷”技術(shù)，帶來了滾珠絲杠的