第一章 数控技术基础

福州大学机械工程及自动化学院NumericalControlTechnologyE_MAIL:nxg@fzu.edu.cn数控技术Copyright：聂晓根学习数控技术课程的要求一、掌握数控技术中的一些重要概念如：数控、数控编程、插补、刀具补偿、后置处理、机床回零点、脉冲当量、伺服系统、柔性制造系统、动态特性等二、掌握数控机床中关键元器件的选择计算如：滚珠丝杆、直线导轨、步进电机、伺服电机、伺服驱动器、编码器、光栅尺、运动控制卡及数控系统等的选择三、具有的应用能力1、掌握数控程序编写技能，能手工编写中等复杂程度零件加工的数控程序。2、知晓提高数控机床加工精度的基本方法与措施。3、了解当前数控技术的发展趋势。4、具有基本的开发专用数控机床的能力。5、知晓数种国内、外数控系统厂商及其产品特点，知晓正确选择数控机床的原则和方法。教学方式方法1、知识来源：书本知识＋相关文献＋现场经验2、教学方法：教师课堂授课图形、图像展示与影像播放学生课堂实践实验习题出勤率(10)+作业(10)+实验(10)+考试(70)免考条件：在本课程学习中有突出表现。考核方式制造业是国民经济的支柱产业，没有制造业的发展，就没有今天人类的现代物质文明。没有制造能力的民族是没有竞争力的民族，是不能抵御外来侵略而任人宰割的民族，制造业的兴衰关系到国家的国际竞争力和国家安全。而制造业的兴衰和发展很大程度上取决于制造装备的技术水平和现代化程度，装备技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。因此，可以预言:机械制造的竞争，其实质就是数控的竞争！数控技术集成了传统的机械制造，当今的先进结构、驱动、传动、液压气动、切削、检测、信息处理、网络通讯、电子、仪表、电控、计算机、光机电、自动控制理论、人工智能、曲面数学分析等多学科的尖端技术，是现代先进制造技术(AMT-AdvancedManufacturingTechnology)的基础和核心。它把传统制造业推进到了信息化制造时代，是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是一种知识密集型和资金密集型的技术。它不仅是提高产品质量和劳动生产率必不可少的物质手段，而且是现代各种新兴技术或尖端技术得以存在或发展的“使能技术”。以它为基础的相关产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。当今，几乎所有的国家都把先进制造技术看成是科技发展最活跃的领域，是国际间科技经济竞争的主战场，是国家经济获得成功的关键技术。世界各国，特别是各工业大国(如美国、日本、西欧等)竞相发展先进制造技术，以占据机械制造业的霸主地位。我们国家也将其列入当今重点发展的前沿技术。作者：聂晓根福州大学机械工程及自动化学院NumericalControlTechnologyE_MAIL:nxg@fzu.edu.cn第一章数控技术基础本章内容学习目的与要求第一节数控机床的基本概念第二节数控机床的分类与应用第三节数控机床的发展小结 本章主要学习和掌握数控机床的组成、基本工作原理、数控机床的产生、分类、数控机床的特点及应用范围和数控机床的发展等方面的知识和概念。学习目的与要求：第一节数控机床的基本概念 一、数控机床的基本概念 二、数控机床的产生 三、数控机床的组成和工作原理 四、数控机床涉及的基本技术一、数控机床的基本概念数字控制(NumericalControl简称NC)：是近代发展起来的用数字化信号（数字指令方式）对机床运动及其加工过程进行控制的一种自动控制技术。1、数字控制(简称数控)早期数控产品主要由硬件来实现插补等运算功能，数控(NC)现已发展为CNC(ComputerNumericalControl－计算机数控)：CNC一般采用通用或专用计算机（软件）实现数字程序控制。NC已成为数控加工的专用术语。数字控制包括运动（轨迹）控制和逻辑（开关量）控制。运动控制:运动控制是数控系统最核心的任务，主要有轨迹插补、刀具补偿、速度处理、位置控制、限位急停等，位置控制实时响应为1-2毫秒；运动轨迹由插补指令实现。插补指令越丰富，数控功能越强。开关量控制：是为配合数控加工所需的开关动作提高控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。数控系统(NCSystem)：采用了数控技术的控制系统。2、数控系统数控系统的本质：位置调节系统。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。核心：数控装置。包括系统配置与重构、参数设置、加工程序输入与编辑、故障诊断、加工信息等显示以及与外部通讯等任务，这类任务实时性要求不高。数控系统任务：主要应用于：机床、自动线、机器人、火炮、雷达跟踪等自动化设备。数控单元伺服驱动电器控制数控系统1.1数控机床的基本概念数控技术在制造装备中的的应用简化机械结构缩短制造周期提高制造精度提升装备性能1.1数控机床的基本概念数字控制机床(NumericallyControlledMachineTool)：简称数控机床，用数字化的信息实现控制的机床，或指装备了数控系统的机床。3、数字控制机床数控机床就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液等)和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质(如穿孔纸带或磁盘等)将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型机、电、液、气、光高度一体化的产品。它集高效率、高精度和高稳定性于一身，代表了机床的主要发展方向。它是机械加工自动化的核心设备。数控机床的诞生与发展，有效地解决了一系列生产上的矛盾，为单件、小批量精密复杂零件的加工提供了自动化加工手段。数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及程度是衡量国家综合国力和工业现代化程度的重要标志。数控机床的技术水平是制造业持续发展的保证 数控系统是数控机床的核心; 数控机床整体水平和拥有量，将体现一个国家工业现代化的水平; 高档数控机床是国家的战略物资，是一个国家综合国力与实力的重要体现。1.1数控机床的基本概念制造业是我国国民经济的基础和支柱。中国已经成为世界第四制造大国。数控机床拥有量及制造装备数控化率是国家综合实力的标志高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点中国不能没有自己的数控技术东芝事件考克斯报告1.1数控机床的基本概念数控机床是制造装备的主流装备数控机床广泛应用于制造业的各个领域1.1数控机床的基本概念我国第一台数控机床数控车床现代数控车床立式数控车床数控加工中心加工中心加工中心大型数控磨床电火花线切割机床数控电火花成型加工机床并联机床CIMS系统信息化的车铣加工中心日本Mazake410H型车铣复合加工中心进行零件的完整加工配备了计算机、手机、数码相机，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。能与MES、SCM和CRM联网，及时反映工作地的状态、加工进度、物料和刀具需求手机查询定单完成情况发生故障时及时报警MESManufacturingExecutionSystem制造执行系统SCMSupplyChainManagement供应链管理CRMCustomerRelationshipManagement客户关系管理数控机床的构成4、数控机床的特点1.复杂零件加工2.高精度3.加工稳定可靠4.高柔性、适应性强5.高生产率6.劳动条件好、操作简单、减轻操作者的劳动强度7.有故障诊断和监控能力8.有利于管理现代化9.投资大，使用费用高10.生产准备工作复杂、维修困难二、数控机床的产生1.原因—社会生产发展（军备竞赛的产物）2.目的—解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题社会需要与技术进步当时的生产状况机械加工的发展过程随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复杂，社会对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。1、社会需要与技术进步微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量等技术得到了空前发展。2、当前的生产状况单件与小批生产占机械加工总量的80％、改型频繁、品种多、形状复杂，外观多样性、精度要求高。为解决上述这些问题，一种以数字指令方式控制的、灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备——数控机床在这种情况下应运而生，并得到了惊人的发展。数控机床较好地满足了这种生产需要。如:在航空航天、造船、军工和模具等工业中，零件精度高、形状复杂、批量小、经常改动、加工困难、生产效率低、劳动强度大，质量难以保证。3、机械加工的发展过程： 通用机床：单件小批量、适应加工各种零件，效益低。 自动机床：如专用机床、仿型机床等，应用范围窄。 组合机床：大批量、生产率最高，只能专用，不易转产。 生产线：流水线(通用与组合机床)、自动生产线(组合机床)，专用，不能转产。 柔性制造系统：由数控机床与机器人等构成，适应性强。 机械加工的发展过程反映了科学技术的发展促进了先进加工技术的发展，也满足了社会对生产新产品、保证产品质量和提高生产效益的需求，降低了生产成本。三、数控机床的组成和工作原理 数控机床的组成：由图中7个部分组成。程序载体输入装置数控装置伺服系统强电控制装置检测装置机床数控机床的逻辑组成数控机床的逻辑组成1、程序载体 程序载体是存贮工件加工程序的载体。它是联系人与机床的中间媒介物（或称控制介质）。常有穿孔带、磁带、磁盘等，或键盘直接输入。 加工程序包含加工零件的几何和工艺信息；刀具与工件相对运动的坐标参数；工艺路线和顺序；主运动和进给运动的工艺参数以及各种辅助操作。 程序用规定的格式编制，可手工编程或计算机编程。 穿孔带：是早期的程序载体，常为八单位 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 穿孔带，有各种颜色的纸带、塑料带或金属带。每行有九个孔，其中小孔为同步孔。 信息按规定的格式存贮在穿孔带上，是一种二进制代码，每行代表一个十进制数字、字母或符号。我国使用ISO代码。同步孔的作用避免误读代码由于穿孔带一行表示一个代码，要求瞬时被读入，通过孔径略小的同步孔发“读入”信号，可实现高速读取代码而不出错。2、输入装置 输入装置是从程序载体中读入工件加工程序的装置。将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号传送到数控装置的内存贮器中。 输入装置最早使用光电阅读机对穿孔带进行阅读，以后使用磁带机、软盘驱动器，或手工方式（MDI）直接从键盘输入内存贮器，以及用通信方式由计算机直接传送给数控装置。 光电阅读机：主动轮4始终匀速旋转。开始时，当电磁铁6吸合，穿孔带被带动从光源1、聚集镜2和9只光敏元件7之间通过，将穿孔带上的代码转换成相应的电脉冲信号，经放大整形，输入数控装置译码和寄存。 结束时，制动电磁铁5吸合，启动电磁铁6复位，将穿孔带压向制动柱3，实现快速制动。可避免电机的惯性。3、数控装置数控装置（CNC装置)：是数控机床关键的环节。是由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。其功能是接受输入装置和反馈装置送来的信号，进行运算、处理后，输出各种信号和指令，控制机床可部分按程序的要求实现操作或运动。数控装置主要功能如下：①多轴联动、多坐标控制。②多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。③多种程序输入功能。④信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。⑤补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。⑥多种加工方式选择。⑦故障自诊断功能。⑧显示功能：字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。⑨通讯和联网功能。1.控制轴数和联动轴数2.脉冲当量（控制分辨率）3.定位精度和重复精度4.行程5.主轴转速和调节范围6.进给速度和调节范围7.准备功能（G功能）8.辅助功能（M功能）9.自动加减速功能10.开关量接口以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不断地丰富和提高。一般来说，性能越高的数控装置，价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。4、伺服系统伺服系统由电动机和驱动电路构成。电动机有功率步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电机等。伺服系统：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。5、强电控制装置强电控制装置：控制除进给运动之外其它辅助操作的装置。功能：接受数控装置的指令信号，通过可编程控制器（PLC）控制主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松夹，切削液的开或关等辅助操作。6、检测装置位置检测装置：将机床运动部件的实际位置信息反馈给数控装置。运动部分通过传感器将角位移或直线位移转换成电信号送给CNC装置，与指令位置相比较，并由CNC装置发出指令，纠正所产生的误差。位置反馈信息包括：电流、速度、位置检测反馈装置7、机床机床：是数控机床的机械部分。四、数控机床涉及的基本技术 1.精密机械技术 2.计算机及信息处理技术 3.自动控制理论和伺服驱动技术 4.精密检测和传感技术 5.网络和通信技术1、精密机械技术 精密机械技术包括精密机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和精密机械加工两大方面。 发展各种新的设计计算方法和新型结构，采用新型 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和新工艺，提高数控机床的高精度、高速度和高可靠性、减小体积和质量、降低价格和使维修方便等。 标准组件：出现了如滚珠丝杠、滚动导轨、变速箱和联轴器等由专业厂商生产的标准组件。2.计算机及信息处理技术 计算机技术包括计算机软件、硬件、数据库和网络通信技术； 数控系统中计算机指挥和管理整个系统的有序运行,计算机技术的发展极大地促进了数控机床的发展； 信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换技术； 目前，数控系统还引入了人工智能、专家系统、模糊控制、人工神经网络和仿真等技术。并为柔性制造系统（FlexibleManufacturingSytem,简称FMS）提供了技术保证。3.自动控制理论和伺服驱动技术 自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态特性和控制品质具有决定性的影响。 在伺服速度环中采用前馈控制，使传统的位置环偏差控制的跟踪滞后现象得到很大的改善，而且增加了系统的稳定性和伺服精度。 为了适应不同类型数控机床复杂的控制算法，伺服系统的位置环和速度环都采用软件控制。伺服驱动技术已经历了好几代的发展，目前交流伺服电动机驱动已逐步取代其它的伺服驱动，而且向智能化的数字伺服技术发展。4.精密检测和传感技术 精密检测和传感技术是闭环和半闭环控制系统中的关键技术，是实现自动控制的关键环节之一，在精度补偿方面发挥重要作用。 精密检测的关键器件是传感器，数控系统要求传感器能快速、精确地获取信息，并能在各种各样的工作环境下可靠运行。带智能的传感装置本身就具有部分“决策”功能。 目前，编码器的精度达：2500至25000刻线； 总体上说，与计算机技术的发展相比，传感与检测技术的发展相对滞后，难以满足相关技术的需要，必须给予更多的关注。5、网络和通信技术是实现柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，简称FMC）、柔性制造系统（FMS）乃至计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，简称CIMS）不可缺少的基础技术。实现无纸化的远程管理和监控、产品的异地加工、装配和调试，远程故障诊断等。第二节数控机床的分类与应用三、按控制方式分类一、按工艺用途分类二、按运动方式分类四、其它如按功能水平、联动轴数、数控装置的构成等。数控机床组成与分类一、按工艺用途分类1、普通数控机床：钻、车、铣、镗、磨和齿轮加工等。具有较高的加工精度和生产率。2、加工中心：带有刀库（一般可容纳4∼120把各类刀具）和自动换刀装置。可一次装夹后，完成多道工序的加工，避免由于多次装夹造成的定位误差，提高了加工精度和生产率。3、金属成型机床：有数控冲床、压力机、弯管机、折弯机等。4、特种加工机床：数控线切割机床、焊接机、火焰切割机、等离子切割机、激光切割机和高压水切割机等。5、其它：自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。二、按运动方式分类1、点位控制2、点位直线控制3、轮廓控制（又称连续控制）（1）点位控制(PointtoPointControl) 点位控制严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关。即：只控制从一个位置到另一个位置的精确运动和定位，在运动和定位过程中不进行任何加工。2、点位直线控制 点位直线控制：实现一个坐标位置到另一个坐标位置的精确移动的定位。特例：实现平行于坐标轴的直线进给运动（加工）或两个坐标轴同步（45°斜线）的进给运动。3、轮廓控制(ContouringControl)： 轮廓控制（又称连续控制）：能够实现两个或两个以上的坐标轴同时进行联动控制。既控制机床的起点与终点坐标，又控制运动速度和轨迹。可加工直线、曲线或曲面。轮廓控制要作插补运算来实现多坐标轴联动。插补是数控加工的基本构思之一。直线插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是直线的，称为直线插补。圆弧插补：数控机床加工时，刀具运动轨迹是圆弧的，称为圆弧插补；基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、NURBS插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、切线逼近。插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。精插补是在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位（基准脉冲）移动量合成的分段运动小线段代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹。粗插补是在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的（小线段、小圆弧等）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹。为什么不用数学函数直接插补？①计算费时间，不能满足实时控制的要求；②有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ；③数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。需进行过渡处理。7三、按控制方式分类 1、开环控制 2、半闭环控制 3、闭环控制1、开环控制 开环控制是指不带位置反馈装置的控制方式。常为功率步进电动机驱动方式。步进式运动部件的速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定。 脉冲当量（最小设定单位）：一个脉冲使数控机床工作台所产生的位移量。δ=0.01～0.005mm/脉冲。 特点：结构简单、价格低廉，当输入较高的脉冲频率时，容易产生失步，功率、速度和加工精度都较低。在微电子生产设备中仍有独特优势。2、半闭环控制 半闭环控制：只从电机轴或滚珠丝杠处测量角位移并反馈。通过检测伺服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。 特点：半闭环控制系统调试方便、系统稳定性较好、结构紧凑。由于机械传动链不包括在闭环之内，机械传动链的误差无法得到校正或消除。3、闭环控制 闭环控制：在机床最终的运动部件上安装位置检测装置，将测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移量进行比较，用差值控制运动部件。 特点：结构复杂、调试困难、精度高、价格贵。理论上闭环控制的运动精度取决于检测装置的精度，而与机械传动链的误差无关。4、其它分类方法数控系统的按功能分类比较 性能类别 CPU位数 联动轴数 分辨率(um) 进给速度(m/min) 显示 高级型 64 5 <0.1 >24 三维动态 普及型 32/16 3 0.1～10 10～24 字符/图形 经济型 8 <3 <10 <10 字符四、数控机床的精度与应用范围1、数控机床的精度：指加工精度、定位精度和重复定位精度。定位精度：机床进给系统驱动刀具或工件到达的实际位置与理想位置之间的差距，差距越小，说明精度越高。机床定位是零件加工精度得以保证的前提。重复定位精度：往复运动工作台,每次停止的位置之间角度或长度的差值的最大值。差值越小,精度越高。大尺寸零件加工注重定位精度，中小型零件注重重复定位精度。数控机床的自动加工方式避免了操作者人为的误差，因此同一批加工零件的尺寸一致性非常好，加工质量稳定、产品合格率高。定位精度测量用一个磁性表座吸紧在拖板上，装上千分表，找一个固定参照，把千分表指向参照，对零。移动拖板，看千分表的实际移动误差。多点测量，取最大误差为定位精度。重复定位精度测量移动拖板一段距离，然后回零（返回参照）。移动千分表指向拖板，对零。再移动拖板，再回零，反复多次。取多次回零中千分表所示误差的最大变化值为重复精度。2、数控机床的应用范围长期以来人们传统的观念认为数控机床只有用于加工多品种、小批量以及结构形状复杂的零件才能获得良好的经济效益。然而，目前人们的观念正在改变，一些大批量以及结构形状不太复杂的零件在使用数控机床以后也同样能获得很好的效益。如大批量生产的汽车工业，已普遍使用数控机床和设备进行流水生产。随着计算机技术的高速发展，和数控机床的价格不断下降，数控机床的应用越来越广。第三节数控机床的发展 一、数控机床发展概述 二、机床结构的发展 三、数控系统的发展 四、伺服系统的发展 五、柔性制造单元 六、数控机床发展趋势一、数控机床发展概述数控阶段(NC)阶段（1952~1970年）计算机数控(CNC)阶段（1970年~现在）1、数控系统两个阶段共六代NC数控系统主要是由电路的硬件及其连线组成，所以被称为接线逻辑数控系统或硬数控系统。具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂，可靠性不高，程序的输入、运算、插补及控制功能均由硬件完成，功能简单，设计周期较长。CNC数控系统由微处理器及大规模集成电路组成，具有很强的程序存储能力和控制能力，容易扩展功能，柔性好，可靠性高，数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件就可以适应不同类型的机床控制要求，具有很大的柔性，因此也称软数控系统。由于基于PC的数控系统可以充分利用微机丰富的软、硬件资源和各种先进技术，它己成为数控系统发展的潮流和趋势。NCCNC1.CPU:16、32、64、RISC、主频越来越高；2.分辨率:0.01mm、0.001mm、0.1μm、0.01μm；3.控制功能:FANUC15可控15轴SIEMENS840D可控31轴,多种插补功能及其它功能；4.伺服驱动系统的性能：电流环、速度环、位置环交流数字伺服，交流变频、矢量控制、非线性、前馈控制，摩擦补偿、伺服参数自动调整等；5.数控系统内PLC功能：基本指令执行快，梯形图、C语言编程；6.系统的通讯接口功能：RS232CDNCRS485局域网等；7.系统的开放性：可扩展、可添加、可重组、可选择。美国、欧洲、日本几大开放系统研究；8.可靠性与故障自诊断。2、数控系统的技术性能指标二、数控机床发展方向随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。性能方面：功能方面：由单轴点位控制、两轴联动发展到五轴以上联动。1、运行高速化2、加工高精化3、功能复合化4、控制智能化5、结构柔性化6、交互网络化7、过程无人化8、生产环保化9、高可靠性化1、高速、高效高速数控加工源于90年代初，以电主轴（实现高主轴转速）和直线伺服电机（速度高达72～100m/min，加速度高达22～45g）的应用为特征。有的公司为了降低成本，不用直线电机，而采用加大直径和导程的中空通冷却液的高速滚珠丝杠，但最大移动速度一般不能大于50m／min，加速度为（0.5-1）g。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。包括以下方面：1）高速主轴单元电主轴2）高速且高加/减速度的进给运动部件3）高速高性能数控系统（插补周期<1微秒）4）高速高性能伺服系统（如直线伺服系统）5）超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具目前达到的指标：1）车削和铣削的切削线速度已达到5000米～8000米/分以上；2）主轴转速大于3万转/分～10万转/分以上；3）工作台的进给速度：在分辨率为1微米时，达到100米/分～200米/分，在分辨率为0.1微米时，能达到24米/分；在同样的进给速度要求下，如果数控系统的分辨率提高n倍，就意味着数控系统的数据处理能力要提高1.2n倍以上，再乘以进给速度的提高倍数m，就要求高速数控系统数据处理能力甚至要达到1000倍以上。相对于传统数控0.005mm分辨率和15m/分进给速度而言，简直不可同日而语了。LinearMotor 在高效加工中心上达到90m/min的快移速度和1g的加速度。 直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。平面电机高速、高效换刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度6.3秒。主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min。主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。高速加工随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：（1）应用自适应控制技术（2）自动编程技术（3）自动检测（4）软件精度补偿（5）应用模式识别技术（6）具有故障自动诊断功能（7）动态加工图像显示2、智能化 加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。 加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。 智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。 智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。 提高机械的制造和装配精度； 提高数控系统的控制精度； 采用误差补偿技术。 IC制造装备、纳米控制。3、高精度提高CNC系统控制精度的措施：提高插补速度，减少微小程序段，使CNC控制单位精细化；采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度。（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。 采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1m。 FMS是一种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、多品种产品生产自动化的技术难题。5、柔性化和集成化 1967年Molins公司研制了第一个柔性制造系统（FMS）。 8年后出现FMC，FMC可视为独立的最小规模的FMS。 FMC：常由1～2台数控加工中心，工业机器人、工件交换系统（AWC），以及物料运输存储设备构成。从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展；另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势：6、伺服系统1、液压伺服系统（60年代初）2、小功率伺服型步进电动机和液压扭矩放大器（电液脉冲马达伺服系统）（60年代初）3、功率型步进电动机（60年代中）4、小惯量直流电动机（60年代中）5、大惯量直流电动机（70年代）6、交流伺服电动机（80年代），具有调速范围宽、稳速精度高和动态响应特性好等优良的技术特性。7、开放式体系结构的数控系统IEEE对开放式体系结构的规定：系统具有以及易于实现智能化、网络化的要求。(1)传统数控系统，如FANUC、SIEMENS等数控系统。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。(2)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。数控系统呈现出从封闭体系结构向开放体系结构发展，从硬数控向软数控方向发展的趋势。目前数控系统有以下四种：(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统：它由开放体系结构的运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP或运动控制芯片作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库可以在Windows、DOS和Linux平台下自行开发构造所需的控制系统。如美国PMAC卡构造的PMAC-NC数控系统。(4)软型开放式数控系统:这是一种最新开放体系结构的数控系统,除伺服驱动和外部I/O接口外，其余功能均由软件完成。用户可在Win-NT或RT-LINUX等操作系统平台上，利用开放的CNC内核软件，开发所需的各种功能，通过智能软件替代复杂的硬件。正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国PowerAutomation公司的PA8000 NT等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单、快捷、开放。数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种（特别是各种非标准，非传统数控设备）的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU或其它组件升级而升级，而其余结构可以保持不变。开放式数控的出现，对我国的数控装备行业而言，可以说既是一个挑战，也是一个千载难逢的机遇：因为在开放式数控体系中，大部分原来由硬件完成的工作由PC机承当，开发的工作量很大部分在软件部分。使得我们可以绕过专用数控硬件制造的瓶颈。目前我国在PC机硬件方面，已具备相当的制造水平和规模，以中国人特有的聪明才智，完全可以在数控软件开发中大有作为。1）目前CNC系统现状:可见目前CNC系统基于IGES和ISO6983标准8、STEP-NC标准���CAD�����CAPP�����CAM�����CNC�STEP��STEP��ISO6983�������������������������缺点：采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈；体现不出IT技术与MT技术的有机结合，限制了制造业的发展。CAD/CAM/CAE/PDM…未能一体化；按ISO6983由CAM生成的代码，数据量极大；不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能；设计信息生成G代码的同时丢失了尺寸公差、精度要求、表面光洁度等大量信息；针对各种机械的数据层不具有互换性，需要与各种机械相适应的后置处理。A、彻底改变了数控程序编制的原则：采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。以工作步骤为加工 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 的的基本单位。将特征与技术信息联系到一起。2）STEP-NC特点（优点）B、废弃了传统的数控程序，无后置处理，无G、M代码。改进CAD/CAM系统与CNC控制器之间的连接，数据传递。不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工作步骤相应于高级特征和过程参数。CNC对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。 STEP的本质特点是共享数据（sharedata），通过相互间交流信息实现协同工作。不仅可以传递工程图纸的几何信息，而且可以传递工程图纸全部信息、真正含义。 STEP-NC本质特征是面向加工对象，描述加工什么（what），即根据给定的形状、尺寸、公差、加工次序和刀具等，从原材料加工出合格的工件。1）对企业，从CAD传到CAM的图纸减少75％；2）对车间，CAM计划编制时间减少35％；3）采用智能优化，对中小工件加工时间减少50％；4）更加安全、合适的刀具选择；5）不需要后置处理。STEP、STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言:EXPRESS,以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM与CNC一体化的加工。3）STEP-NC数据模型STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口，可以进行数据交换。要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工程序用来控制机床。STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。欧洲、美国（SuperModel项目）、韩国、日本（DigitalSater项目）都在积极的进行，而且关于STEP-NC的研究已取得了实质性的进展。FANUC、SEMENS数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。4）STEP-NC研制情况AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信息。其中有：三维几何信息--AP-203/AP214；特征信息---AP-224；工艺信息（如车、铣、放电加工等）--AP-219；检测信息---AP-219等等。STEP-NC的发展使得STEP标准扩展到自动化加工的底层设备，建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的CAX技术（CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM、ERP等）、刀具、机床、夹具、先进生产模式等。主要有以下几方面：5）STEP-NC为计算机数控（CNC）提供的发展空间⑴数控编程界面；⑵数控系统的开放性；⑶数控系统的智能化；⑷CAM和CNC之间的功能重新划分（嵌入式CAM）；⑸加工质量和效率，CNC改变被动执行者的地位；⑹数据共享与网络制造。9.环保环境保护越来越受到重视。节地、节能、低噪声、干切削、无液压、免润滑（MQL－MinimumQuitLiquid）、是今后数控机床发展的新特点。机床普遍采用即坚固美观，又方便操作的全封闭活动罩门，防止切削液飞溅和形成油雾。安装油雾分离器使排除的只是不含油的雾。应用干切削，在切削加工中，作为重要环保措施的干切削，是指在加工过程中不使用或极少使用冷却润滑液。干切削的技术措施：刀具采用耐热性和散热性良好的涂层材料、设计有利于断屑和排屑的刀具形状和几何参数。干切要解决的问题是刀具寿命、切屑的及时排走和价格问题。许多机数控床实现了干切削，如齿轮加工机床多是干切削的。10、机械结构技术1、提高机床的静刚度、动刚度和热刚度，采用消除传动间隙的装置，采用滚珠丝杠传动和滚动导轨以消除低速爬行，实现微量进给以保证数控机床很高的重复定位精度。2、发展数控加工中心机床。实现工件一次装夹，连续进行铣、镗、钻、铰以及攻螺纹等多工序，提高定位精度。3、发展五面体加工中心。4、发展工件交换系统。5、发展六杆加工中心。工件交换系统六杆数控机床1994年9月芝加哥IMTS‘94国际展览会上,美国Giddings&Lewis公司推出了费时6年研制成功的虚拟轴数控机床——VARIAX加工中心，以其全新的结构、奇异的造型、独特的工作方式和极高的轮廓加工速度受到举世瞩目。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨刀具导向方式，转而采用由六根可变长度杆驱动主轴作多自由度运动的并联闭链结构，实现工件的加工。六杆数控机床最显著的特点是它靠复杂的控制运算和相对简单的运动机构来产生六自由度的空间运动，其结构大大简化，但控制运算和加工编程的难度大大增加。由于这种机床上没有导轨、转台等表征坐标轴方向的实体构件，故又称“虚拟轴机床”（VirtualAxisMachineTool）、“概念机床”，和“数学建造的机床”.六杆数控机床的特点和应用应用 数控机床 高速分拣与装配 高速精密定位装置 运动仿真 娱乐 其它六杆数控机床采用运动聚合原理，主轴部件较轻，切削刀具由六根杆件分摊受力，比传统结构刚度高。运动部件的质量减小，改善了机床的动态特性，可实现高速加工。六杆结构使误差平均化，提高了重复定位精度。采用虚拟轴实现刀具与工件的定位，使工件的装夹和调整大为简化。结构简化，控制运算和加工编程的难度大。驱动并联化并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。六杆机构并联构型装备的特点特点：优势:刚度/重量比大；响应速度快；便于模块化设计、具有不同的自由度，可构成形式多样的布局。劣势：控制复杂，某些构型的工作空间小，精度尚不满意、灵活度较差。采用并联闭环结构、硬件简单、软件复杂、技术附加值高。DMT1005-axismachiningcenterGermany并联构型加工中心并联构型焊接机器人Laserweldinginfinalassemblyofwhitebody,transferlineatVolkswagen,Germany虚拟轴快速进给工作台3-DOFSphericalParallelManipulator中国数控机床发展水平及数字统计2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计 进口 出口 数量(千台) 金额(百万$) 与上年比较(%) 数量(千台) 金额(百万$) 与上年比较(%) 数量 金额 数量 金额 金属切削机床合计 75.96 2074.7 24.29 26.60 5506.58 263.9 22.22 13.85 其中数控机床 18.28 1453.7 38.37 31.63 3.10 34.6 41.16 -3.242002年世界机床生产前十名（百万美元）2002年世界机床消费前十名（百万美元） 国家(地区) 2002年 2001年 同比 德国 6737 7732 -17% 日本 6379 9390 -30% 意大利 3775 3794 -5% 中国 3025 2624 15% 美国 1913 2853 -33% 中国台湾 1754 1635 10% 瑞士 1716 2047 -20% 西班牙 863 886 -8% 韩国 833 804 4% 法国 812 814 -5% 国家(地区) 2002年 2001年 同比 中国 5696 4740 20% 德国 4815 5712 -20% 日本 3441 5254 -32% 美国 3325 5231 -36% 意大利 2932 3080 -10% 韩国 1223 1324 -8% 法国 1165 1516 -27% 中国台湾 977 1118 -10% 西班牙 819 881 -12% 英国 690 897 -26%2002年世界机床进口前十名（百万美元）2002年世界机床出口前十名（百万美元） 国家(地区) 2002年 2001年 同比 中国 3151 2406 31% 美国 2327 3411 -32% 德国 1960 2269 -14% 意大利 957 1227 -22% 韩国 790 931 -15% 法国 781 1188 -34% 加拿大 704 739 -5% 中国台湾 661 845 -22% 英国 612 781 -22% 日本 495 660 -25% 国家(地区) 2002年 2001年 同比 德国 3882 4288 -14% 日本 3443 4797 -26% 意大利 1801 1942 -12% 瑞士 1476 1756 -20% 中国台湾 1438 1363 8% 美国 915 1034 -11% 英国 514 708 -28% 西班牙 501 476 5% 法国 429 486 -16% 比利时 414 564 -30%小结： 以上学习了数控机床的产生、组成、基本工作原理、数控机床的分类、数控机床的特点及应用范围和数控机床的发展等知识和基本概念。是同学们应掌握所学知识。本章的学习对进一步学习数控机床的其它知识奠定了基础。学习参考网站：http://www.busnc.com/ThisistheEndofChapterI数据加工仿真 根据在仿真过程中的数据驱动是采用CL(CutterLocation，即刀位)数据还是采用NC代码，数据加工仿真可分为两类： 基于CL数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真刀具相对工件的运动，主要目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。这类仿真方法开展的比较早，到目前为止已有一些比较成熟的思想和商品化软件。 基于NC程序的仿真的主要用途可以概括为三方面：NC程序的正确性检验与优化、操作工培训、碰撞检验。由于驱动数控机床运动的是NC指令，所以基于NC程序的加工过程仿真比基于CL数据的加工过程仿真更接近实际，由于在仿真过程中考虑了加工环境，从而增加了仿真难度。制造业是我国国民经济的基础和支柱。中国已经成为世界第四制造大国。数控机床拥有量及制造装备数控化率是国家综合实力的标志加工中心7