数控技术大作业——CNC装置未来的发展方向和动态

——大作业1

CNC装置未来的发展方向和动态

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目录

前言 ..................................................................................................... 3

一、 CNC装置硬件结构最新发展主要技术特征 ............... 3 1. 高速化发展 .............................................................................. 3 2. 柔性化和集成化 ....................................................................... 4 3. 高精度发展 ........................................................................... 5 4. 高可靠性发展 ....................................................................... 6 5. 复合化发展 ........................................................................... 6 6. 多轴化发展 ........................................................................... 7 二、 CNC装置的软件功能扩展 ................................................ 7 1. 智能化发展 .............................................................................. 7 2. 网络化发展 .............................................................................. 9 3. 开放式发展 ............................................................................ 10

总结 ................................................................................................... 10

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前言

CNC（数控机床）是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术, 是现代化工业生产中的一门发展十分迅速的高新技术。数控装备是以数控技术为代表的新技术, 应用于传统制造产业和新型制造业形成的机电一体化产业, 即所谓的数字化装备。进入20 世纪90 年代以来, 由于计算机技术的飞速发展, 推动了数控机床技术更快的更新换代。除了对数控机床技术指标如高速化、高精度和可靠性的进一步提高以外，世界上许多数控系统生产厂家利用PC丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性, 并向智能化、网络化方向发展。

一、CNC装置硬件结构最新发展主要技术特征 1. 高速化发展

机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

20世纪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。高速主轴单元（电主轴，转速15000～100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代

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高速数控机床提供了技术基础。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨率为1微米时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

2. 柔性化和集成化

集成电路及计算机技术发展给数控硬件技术的更新换代注入新的活力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路（VLSI）、专用芯片（ASIC）及数字信号处理（DSP）技术。在电气装联上广泛采用表面安装（SMT）、三维高密度技术，极大地提高系统的可靠性。高速高性能存储技术，比如闪烁存储，移动存储等极大地方便用户。薄膜晶体管液晶显示器（TFTLCD）技术使得显示装置趋于平板化，更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用“位以上的高速RISC CPU，保证高速、高精度的数控加工。

柔性是指机床适应加工对象变化的能力.是开放式系统的具体体现。传统的自动化设备和生产线,由于是机械或刚性连接和控制的，当被加工对象变换时,调整很困难,甚至是不可能的，有时只得全部更新或者更换。开放式数控系统对满足加工对象变换有很强的适应能力，具有下列特性: ①高度的灵活性和多品种生产的快速适应性。

②高效的生产能力,包括:高生产率,借助于高速化和提高金属切除率等途径；高稳定性，对于光机电集成的数控机床，着重要求其降低故障率，提高可靠性,以提高制造装备及系统的开动率(利用率)。

柔性化的实现是通过硬件的柔性化与软件的柔性化来完成的。硬件方面采用可编程器件，只要改变程序就可以改变硬件的功能,如DSP、FPGA等,从而使得硬件不硬；软件是控制系统的主要部分，以前用硬件来实现的功能，逐步用软件来代替,能用软件实现的就不用硬件来实现，大大地减少了硬件电路，增加了系统的柔性。目前,各个厂家都在向这一方向努力，在设计时都尽量考虑软硬件的柔性。

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以日本FANUC 16i/18i和160i/180i为例，已形成超小、超薄型控制器，主控板仅为名片一样大小，主处理器采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M/S的高速串行总线。用光缆连结I/O模块，采用分散配置，便于机电一体化。在通讯方面采用PCMCIA存储卡和外部计算机通讯，或采用调制解调器，用电话和人机通讯。嵌入式硬件的使用有望使得数控系统硬件更趋标准化、系列化。数控系统的开发成本也会随着降低。

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：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。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

3. 高精度发展

从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。 当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm；精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm，提高到±1～1.5μm，甚至更高；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。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2μm，轴向窜动小于1μm，轴系不平衡度达到G0.4级。 高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。

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滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO3408 1级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的“零传动”，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

4. 高可靠性发展

随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

5. 复合化发展

在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

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柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。

6. 多轴化发展

由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，

随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。

二、CNC装置的软件功能扩展 1. 智能化发展

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以 解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。

智能化是数控系统发展的方向之一，包括控制上的智能化、接口上的智能化

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及自诊断功能.它是实现系统开放的必要手段。国立台湾大学刘天华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同步电动机伺服驱动。电机在运行过程中,模型和参数是不断变化的，参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能.因此，将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域，可以大大提高调速系统的性能.在这方面，运用得较为成功的控制技术主要有：自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能,N.Matsui J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统.仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似,并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。随着人工智能技术的发展,智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统(Expert System)；基于模糊集合理论(Fuzzy Logic)的模糊控制;基于人工神经网络(Artificial Neural Network)的神经控制.接口智能化。开放式数控系统，其接口具有如下重要技术特征：

①用户可以在较大范围内根据需要选择和配置硬件，如主轴轴数、伺服轴数和PLC-IO点数等；

②用户可以在开放式环境下扩充系统的功能,例如开发最适合自己用途的人机界面,或者利用标准NC控制功能开发自己的专有控制功能；

③系统能够直接运行其他标准的应用软件,例如CAD、数据库等,利用现有软件开发出能最佳满足自己产品要求的控制系统。

为了满足上述第一项要求,最好采用数字伺服系统并用数字通讯技术连接CNC平台和机床驱动部分.数字伺服系统具有高速、高精度和无漂移等特点,发展非常迅速并且已经在数控机床上获得广泛应用.由于数字伺服系统本身具有位置反馈和位置控制功能,CNC系统可以直接将位置指令传递给数字伺服系统,独立

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完成位置控制。开放式数控系统通常通过数字通讯接口(同轴电缆或光缆)和通讯协议控制伺服轴、主轴和PLC-IO接口,具有如下技术优越性：

①CNC与伺服之间采用光缆或同轴电缆连接,大大减少电缆布线,便于系统安装,提高可靠性；

②系统扩充和精简方便,在同一硬件平台上,可以开发多种控制系统；

③系统控制和诊断功能丰富,如控制方式切换和伺服参数设定等，便于系统安装和维护。

目前，各种外部接口都有相应的国际标准或行业标准，如NC程序接口标准有ISO6983和STEP-NC；与伺服系统接口的标准有+/-10 V模拟电压,SERCOS，MACRO和FireWire等；与I/O设备的接口标准有Profibus Interbus和CAN总线等；与企业管理网的接口主要采用局域网，基于以太网和TCP/IP协议。至于内部接口，还没有关于组件API的标准，但国际上很多大的开放式数控系统工作组，如OMAC(Open Modular Architecture Controls)、OSACA(Open System Architecture for Controls Within Automation Systems)、OSEC(Opens System Environment for Controllers)等，都在为尽快形成国际标准而努力。自诊断功能要求系统可以自己查找故障，并在没有人参与或很少有人参与的情况下来完成系统的自我修复工作。目前的控制系统能够给出简单的故障提示，还不能进行自我修复。

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

2. 网络化发展

数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系

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统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。

随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有“人性化”。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。

3. 开放式发展

数控系统的开放是大势所趋。目前开放式数控系统有三种形式：1）全开放系统，即基于微机的数控系统，以微机作为平台，采用实时操作系统，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动机的运动。2）嵌入系统，即CNC+PC，CNC控制坐标轴电动机的运动，PC作为人机界面和网络通信。3）融合系统，在CNC的基础上增加PC主板，提供键盘操作，提高人机界面功能。 总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命. 并且随着制造业在中国的地位日益提高，市场需求不断增长，数控行业将迅速的发展，为中华民族的复兴做出更大的贡献。

总结

20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔

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性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。在CNC装置硬件结构方面有以下发展趋势 1. 高速化发展 2. 柔性化和集成化 3. 高精度发展 4. 高可靠性发展 5. 复合化发展 6. 多轴化发展

在CNC装置的软件功能方面有以下发展趋势 1. 智能化发展 2. 网络化发展 3. 开放式发展

数控技术是制造自动化的基础, 是现代制造装备的灵魂与核心, 是国家工业和国防工业现代化的重要手段, 关系到国家战略地位, 体现国家综合国力水平, 其水平的高低和数控装备拥有量的多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。

中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加：[到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

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