第七章 数控技术的发展趋势

第二次世界大战以后，美国 为了加速飞机工业的发展， 要求革新一种样板加工的设 备。 1948年，美国帕森斯 (Parsons)公司在研制加工 直升飞机叶片轮廓检查用样 板的机床时，提出了数控机 床的初始设想。
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1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界 上第一台数控机床。
麻省理工学院（MIT）
由于并联运动机床结构以桁架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点 梁来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主 轴、滚珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态 性能好、机床的模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点，是新一 代机床结构的重要发展方向。
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计 算 机 数 控
1974-微处理器 (MCNC) 1979超大规模集成电路 (VLIC)
1994~ PC-NC.
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§7-2
数控技术的发展趋势
1、 高速、高精度
2、智能化 3、开放式数控系统 4、网络化数控技术 5、提高数控系统的可靠性
6、 实现数控装备的复合化
7、 CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造
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2）STEP-NC的出现 STEP (Standard for the Exchange of Product model data) 即产品模型数据转换标准 STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它在STEP的基础上以面 向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了传统 数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，采用了新的 数据格式和面向特征的编程原则 STEP-NC是一个新的NC编程数据接口国际标准（ISO14649）， 于1996年制定的，在2001年成为国际标准草案（Draft International Standard, DIS），目的是取代现在使用的NC编程 接口标准。


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STEP-NC是欧美许多企业和研究机构共同开发的一套面向对象的NC编程 接口， 这套编程接口总称为“计算机数字控制数据模型（Data Model for Computerized Numerical Controllers）， 它包括十三个部分，分成三个阶段发布。 目前发布出来的有： 1）概述和基本原理 2)总体加工数据 3）切削加工数据 4）铣削刀具。 STEP-NC是一种在CAD/CAM系统和CNC机床之间进行数据转换的模型，它 使用工步（Working Steps)这个面向对象的概念，通过详细描述加 工过程而不是机床运动来弥补ISO6983的不足。
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5、提高数控系统的可靠性 数控系统平均无故障时间大于10000-30000 （小时） 电子与电气元件高集成、抗干扰，零部件制造专业化标准化 6、实现数控装备的复合化

1）传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计 制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和 扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、 结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。
靠性得以进一步提高。1967英国最初的FMS.
小规模集成电路：1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可
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出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由 软件完成。 为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发 展和广泛应用。 系统。
通用小型计算机：1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展
微处理器：1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉


基于PC（PC-BASED）的数控：20世纪80年代，基于PC开发式数控
安冶学院 二个阶段
1952~1955，电子管
硬 件 数 控
1955~1959，晶体管
1959~1965，小规模集成电路
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1970s (1970~1974)，小型计算机
1、定义：有两个以上柔性制造单元或多台数控机床、加工中心组成， 并用一个物料输送系统将机床联系起来。
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2、特征
(1) 高柔性 能在不停机调整的情况下，实现多种不同工艺要求的零 件加工。 (2) 高效率 能采用合理的切削用量实现高效加工，同时使辅助时间 和准备终结时间减小到最低程度。
(3) 高度自动化 自动更换工件、刀具、夹具，实现自动装夹和输送， 自动监测加工过程，有很强的系统软件功能。
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（1） 智能化适应控制技术
图
智能化适应控制下的进给速率
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（2） 自动编程技术
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（3） 具有故障自动诊断功能
（4） 智能寻位加工
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传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、 多种实时操作系统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使 用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些 问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。 概念最早见于1987年美国的NGC(Next Generation Controller)计划， NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式 系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放 式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制 系统。
安冶学院 3、 生产线（FTL, Flexible Transfer Line）
安冶学院 4、组成
由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有 分系统。 加工系统可以由FMC组成，但是多数还是由CNC机床按DNC的控 制方式构成，可以自动更换刀具和工件并进行自动加工。 物流系统包括工件和刀具两个物流系统。
数控并联机床的应用
并联机床自94年在美国芝加哥国际机床展览会上 面市以来，有了很大发展，结构紧凑而且增大了工作 空间，机床刚度和工作精度进一步提高，已进入实用 阶段。主要用于汽车业、航空业和模具业。在加工中 心和可移动FMC中也采用了并联结构。有六杆、三杆、 立式、卧式并联机床，结构形式为并联、串联和混合 结构，可采用直线电机和电主轴。并联机床的工作台 有固定台、可交换台、水平分度台、滑座床身等多种。 现已达到的最高精度：定位精度为±5μm，重复定位 精度为±1.5μm。过去并联机床的最大问题是精度不 如传统结构机床，其原因一是坐标轴（支杆）的位置 精度不高，二是由于热效应和切削力引起的变形。现 在杆内除装有滚珠丝杠外，还有检测杆自身长度的测 量系统，通过补偿校正运动精度。
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上世纪90年代以来，高速主 轴单元（电主轴，转速 15000－100000r/min）、 高速进给运动部件（快移速 度60~120m/min，切削进给 速度高达60m/min）、高性 能伺服系统以及工具系统都 出现了新的突破。 •在分辨率为1μm时，快进速 度达240m/min，可获得复杂 型面的精确加工 •加速度达2g •主轴转速已达200,000rpm •换刀速度少于1 s
数字化工厂
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数控技术总的发展趋势
当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS， 其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能 化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准 的发展。目前的动向是: 开放式数控系统、高速加工系 统。
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运行高速化
加工高精化 功能复合化
安冶学院 并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平 台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机 构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照 并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。
有六杆、三杆、立式、卧式并联机床，结构形式为并联、 串联和混合结构，可采用直线电机和电主轴。
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1993
10000
2500 2000 1500 1000 5000
Ra
δ
VF VC
8000 6000 4000 2000
百度文库
1994 1995 1996 1997 年度 Ra——表面粗糙度（um），δ ——加工误差（um）， Vf——进给速度（mm/min），Vc——切削速度（m/min）
图 数控机床的高速化对加工质量的影响
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8、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制 造
数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的 所有信息。 在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚 拟化； DNC可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。 DNC技术使CNC与通信网络联系在一起, 可以传送维修数据，使 用户与数控生产厂家直接通信，进而把制造厂家联系在一起，构成 虚拟制造网络。 现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线， 在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品。 这个全过程就是数字制造。
高速、高精、高效、 智能化、复合化 开放化、网络化
控制智能化
体系开放化
驱动并联化
交互网络化
§7-3
数控技术的FMS及CIMS
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一、柔性制造单元（FMC,Flexible Manufacturing Cell）
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二、 柔性制造系统 (FMS, Flexible Manufacturing System)
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第七章 数控技术的发展趋势

§7-1 §7-2 §7-3
数控技术的产生与发展 数控技术的发展趋势 数控技术的FMS及CIMS


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§7-1 数控技术的产生与发展
一、数控机床的产生
在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、 组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备 时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇 航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则 要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。
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STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufacturing features） 进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。 它包含了工件的所有加工任务，通过这一系列加工任务，对从零件 毛坯到最终成品所有的操作加以描述，提供了更高层次的信息给 加工车间。 STEP-NC是STEP （Standard for the Exchange of Product Model Data)标准的扩展， 一个基于STEP-NC的NC程序由几何信息和工艺信息描述组成。 几何信息描述文件格式与STEP标准完全一致。几何信息采用STEP数 据格式描述，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，从 而消除了由于数据格式转换可能导致的精度降低的问题。 工艺信息描述部分包括所有工步的详细完整定义，如特征代码、刀 具数据、机床功能、加工方法及其他数据。
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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。
1、加工高速化、高精度化 （1）高速化 可充分发挥现代刀具材料的性能 ，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 质量和精度。 高速CPU芯片 主轴高速化，采用电主轴 采用全数字交流伺服 机床动、静态性能的改善
图 切削速度的发展
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普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级， 超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到 0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。 Ra δ Vf VC 25 20 15 10 5 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02
伺服机构实验室
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1
铣；
电子管：1952，Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式
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小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心 MILWAUKEE-MATIC 。
晶体管、印刷电路：1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减

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2）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的 并联机床。 并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控 技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”
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并联运动机床
并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算 机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和 电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡 尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根 本变化。