1、數(shù)控技術(shù)的基本知識和現(xiàn)代數(shù)控的發(fā)展方向 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院數(shù)控技術(shù)研究室 2007年5月12日,第一部分 數(shù)控技術(shù)的基本概念,1.1 數(shù)控與數(shù)控機床 1.概念 數(shù)控: 數(shù)字控制（NC Numerical Control）,以數(shù)字化信 息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。NC已成為 數(shù)控加工的專用術(shù)語。 數(shù)控技術(shù)：用數(shù)控機床（數(shù)控設(shè)備）進行自動化加工的一 種技術(shù)，它綜合應(yīng)用了多種學(xué)科的知識。 數(shù)控機床：是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動生 產(chǎn)系統(tǒng)的基本單元。 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其技術(shù)水平和普及 程度是衡量國家綜合國和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。 CNC與CAD/CAM

2、/CAPP /關(guān)系 : 通訊 CAD :計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design) CAM:計算機輔助制造(Computer Aided Maunfacturng) CAE :計算機輔助工程 (Computer Aided Engineering),CAD CAM CAE 范疇劃分,CNC與現(xiàn)代先進制造系統(tǒng)關(guān)系 : CNC用在制造系統(tǒng)中 CNC： DNC FMC FMS CIMS FA 并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、智能制造、網(wǎng)絡(luò)制造、 綠色制造、納米制造、高速加工等等。,2.數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生的原因 高精度、高效率； 剛性自動化不能滿足的要求（手工、小規(guī)模、大規(guī)模生產(chǎn)）； 柔性

3、自動化（多品種、變批量）、復(fù)雜零件的加工（多坐 標(biāo)加工）； 計算機技術(shù)的發(fā)展。 3.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史 1952年，第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)； 1959年，第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)。隨之出現(xiàn)刀庫，機械手、 加工中心； 1960年，第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)，硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)（稱為 NC； 1970年，第四代小型計算機數(shù)控（CNC ）； 1974年，第五代微型計算機數(shù)控（MNC，統(tǒng)稱CNC） ； 1980年后，F(xiàn)MS、FMC、CIMS、開放式數(shù)控（open NC）系 統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)（IMS）大發(fā)展。 1990年后,高速加工，納米制造。,1.2 數(shù)控機床的工作原理 1.機床數(shù)字控制的原理 將被加工零件圖紙上的

4、幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代 碼和格式編寫成加工程序，然后將程序輸入數(shù)控裝置，按照程 序的要求，經(jīng)過信息處理，分配，使各坐標(biāo)以最小位移量為單 位移動，其合成運動實現(xiàn)了刀具與工件的相對運動，完成零件 的加工。 最小位移量的合成運動是機床數(shù)字控制的基本原理，即軌 跡控制原理（插補原理）。 點位控制：嚴(yán)格控制點到點的距離，不嚴(yán)格要求路徑，運 動中不加工。,輪廓控制： 加工平面曲線、空間曲線、空間曲面時，需要多坐標(biāo)聯(lián)動。 以平面（兩維）的任意曲線L為例，要求刀具沿（逼近）曲線 軌跡運動，進行切削加工。 如圖1.2所示。將曲線L分割成：l0、l1、l2、li等線段。 用直線（或圓?。┐妫ū平┻@些線段

5、，當(dāng)逼近誤差相當(dāng) 小時，這些折線段之和就接近了曲線。 輪廓控制也稱連續(xù)軌跡控制，它的特點是不僅對坐標(biāo)的移動量進行控制，而且對各坐標(biāo)的速度及它們之間的比率都要進行嚴(yán)格控制，以便加工出給定的軌跡,圖1.2輪廓控制,:,這種在允許的誤差范圍內(nèi)，用沿曲線逼近函數(shù)的最小單位移動量合成的分段運動（小線段、小圓?。┐嫒我馇€運動，以得出所需要的運動軌跡，是數(shù)控的基本構(gòu)思之一。,插補（Interpolation） 是用被加工軌跡的有限信息（如起點和終點之間），計算插進刀具運動的許多中間點，進行數(shù)據(jù)點的密化工作，然后用已知線型（如直線、圓弧等）逼近。 插補有二層意義：基本線型的形成及如何分段逼近。 基本線型：

6、由插補指令完成。如直線插補、圓弧插補、拋物 線插補、螺旋線插補、極坐標(biāo)插補、圓柱插補、樣條插補、曲面直接插補、納米插補、光順插補等，插補指令越多，越能實現(xiàn)復(fù)雜型面的加工。 分段逼近：按允許的誤差。弦線逼近、割線逼近、切線逼近。 插補分類：基準(zhǔn)脈沖插補、數(shù)據(jù)采樣插補（主要方法）。 基點和節(jié)點 基點：在數(shù)控加工圖紙中，基本線型的交點稱為； 節(jié)點：輪廓軌跡上的插入點（逼近線型與輪廓軌跡的交點）。,為什么補用數(shù)學(xué)函數(shù)直接插補？ 計算費時間 ，不能滿足實時控制的要求； 有的被加工輪廓用列表點表示的，沒用數(shù)學(xué)公式； 數(shù)控加工時運動不能突變，要滿足加速度的要求。,2.數(shù)控機床的控制 軌跡控制 開關(guān)量控制1.

7、3 數(shù)控機床的組成及分類 1.數(shù)控機床的組成 數(shù)控系統(tǒng)：I/0接口、CNC裝置、伺服系統(tǒng)、PLC 機械主機：主運動機構(gòu)、進給運動機構(gòu)、輔助機 構(gòu)、床身等,圖3 數(shù)控機床的組成,2 .數(shù)控機床的應(yīng)用 1）多品種變批量、單件小批量的自動化 2）柔性加工和柔性自動化 小批量而又輪番生產(chǎn)的零件； 幾何形狀復(fù)雜的零件； 在加工過程中必須進行多種工序加工的零件； 切削余量大的零件； 必須嚴(yán)格控制公差（公差帶范圍很?。┑牧慵?； 工藝設(shè)計會經(jīng)常變化的零件； 貴重零件； 需全部檢測的零件，等等。 3 .數(shù)控機床的分類 1）按控制運動的軌跡特點分類 點位控制數(shù)控機床 直線控制數(shù)控機床(單軸數(shù)控) 輪廓控制的數(shù)控機

8、床：分為兩坐標(biāo)聯(lián)動，2.5坐標(biāo)聯(lián)動，三坐 標(biāo)聯(lián)動，四坐標(biāo)聯(lián)動，五坐標(biāo)聯(lián)動等數(shù)控機床。五坐標(biāo)聯(lián)動 是關(guān)鍵技術(shù)。,2）按伺服系統(tǒng)的控制類型分類 開環(huán)控制的數(shù)控機床 全閉環(huán)控制的數(shù)控機床 半閉環(huán)控制的數(shù)控機床 3）按工藝方法分類 金屬切削類數(shù)控機床： 數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加 工中心等。 金屬成型類及特種加工類數(shù)控機床 4）按功能水平分類： 高、中、低檔（亦稱經(jīng)濟型） 5）按驅(qū)動方式分類 步進式 直流伺服 交流伺服（交流模擬、交流數(shù)字） 6）按組成和功能 開放式數(shù)控 智能數(shù)控,第二部分 數(shù)控機床控制系統(tǒng)（CNC） 2.1 CNC系統(tǒng)的組成 CNC系統(tǒng)由“數(shù)控裝置”、“伺

9、服系統(tǒng)”和系統(tǒng)程序組成。 數(shù)控裝置（專用計算機）：硬件和軟件組成。 伺服系統(tǒng)：檢測裝置、驅(qū)動裝置和伺服電機組成。 2.1.1 數(shù)控裝置的硬件組成及功能 1.數(shù)控裝置的硬件包括： 微機基本系統(tǒng)：CPU、總線、存儲器、I/O設(shè)備等 數(shù)控接口組件：進給軸位置控制接口組件、主軸控制接口組件 手搖脈沖發(fā)生器接口組件等。 接口：人機界面接口、通訊接口、機電接口 輔助功能（M）控制接口等 2.硬件功能： 與軟件一起接收輸入信息（程序）、經(jīng)過譯碼、軌跡計算（速 度計算）、補償計算、加/減處理和插補運算，給各個坐標(biāo)的 伺服驅(qū)動器分配速度、位移指令，完成數(shù)控加工任務(wù)。,3.硬件具體組成 微機基本系統(tǒng) 人機界面接口

10、:鍵盤、顯示器、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器 通訊接口、 RS232、RS485串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口 進給軸位置控制接口 主軸控制接口 輔助功能（M 指令）控制接口,圖4 單CPU數(shù)控裝置,2.1.2 數(shù)控裝置軟件的基本組成和功能 軟件由控制功能程序、管理功能程序組成 1.控制功能程序-實時性強,用于進給坐標(biāo)的位置控制，中斷完成; 譯碼; 預(yù)處理（刀補和速度處理）； 插補； 位控； 2.管理功能程序-實時性稍差，但要保證控制軟件數(shù)據(jù)的供給傳 遞，具體見圖。,圖5 數(shù)控裝置軟件組成,2.2 CNC系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo) 1CPU的性能：8、16、32、64位，主頻十多GHz, 精減指令 集芯片（RISC）

11、,提供高的速度和豐富的軟硬件資源； 2系統(tǒng)具有高分辨率：保證高精度、超精密加工。進給系統(tǒng) 100萬脈沖/每轉(zhuǎn)、1600萬脈沖/每轉(zhuǎn)（FANUC 0i）,分辨率 為0.001mm，速度最高可達到100 m 240m/min。超精密 加工時分辨率0.1m（甚至0.01m）,速度為24m/min,或 更高。 3系統(tǒng)的控制功能： 1)多軸聯(lián)動、多坐標(biāo)控制 2)多種函數(shù)的插補 3)多種程序輸入功能 4)信息轉(zhuǎn)換功能 5)補償功能 6)多種加工方式選擇 7)具有故障自診斷功能 8)顯示功能 4伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能,5數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)PLC功能 6系統(tǒng)的通訊和聯(lián)網(wǎng)功 7系統(tǒng)的開放性 8可靠性 2.3 怎樣選擇CNC

12、系統(tǒng) 2.3.1選擇原則 1.名牌廠家： FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG 、GE-FANUC、三菱、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控、藍天 數(shù)控、北京FANUC、上海開通數(shù)控、南京方達數(shù)控、威海華東 數(shù)控、南京清華數(shù)控 2.系統(tǒng)的系列 FANUC: FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/ 180 / 210/160i/180i /210i /F30i； SIEMENS: SIEMENS-802S/802D/810D/840D；,3.基本功能、選擇功能 4.分辨率（設(shè)定單位）、速度、聯(lián)動軸

13、數(shù)； 5.高速高精度系統(tǒng)的特殊指令功能 6.價格、維修。 2.3.2高速高精密數(shù)控機床的CNC系統(tǒng) 1. 數(shù)控裝置的特殊功能 納米精加工插補；（Nano interpolation） 光順插補； 高精度（納米）輪廓控制； 5軸加工功能； NURBS插補； 前視功能； 預(yù)測及反復(fù)控制； 法線方向及緩曲線法線方向控制； 精細加/減速功能； 切削進給插補前/后的直線加/減速功能； 切削進給插補前/后的鈴型（或叫鼓型）加/減速,插補型螺距誤差補償； 雙向螺距誤差補償； 直線度補償； 插補型直線度補償； 豐富的宏指令，循環(huán)指令； 完善的自診斷、參數(shù)設(shè)置、動態(tài)圖形顯示、高速緩存、I/O外 部設(shè)備控制和聯(lián)網(wǎng)

14、功能等 接外部補償?shù)墓δ堋?2. 對驅(qū)動控制及伺服電機的特殊要求 光纖通訊的三環(huán)（電流、速度、位置）全閉環(huán)控制交流數(shù)字 伺服系統(tǒng)； 高響應(yīng)的矢量控制功能:FANUC系統(tǒng)稱為: HRV-High Response Vector高響應(yīng)向量控制）； 雙位置反饋控制； 特殊制造的高響應(yīng)高精度電機,且具有平穩(wěn)運行的低速性能；,第三部分 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計 3. 1 機床本體 機床本體也稱主機，它包括: 主運動部件:主軸箱及主軸； 進給運動部件：進給傳動件、工作臺、刀架、導(dǎo)軌等； 基礎(chǔ)部件：支撐部件，如：底座、床身、立柱等； 特殊部件：刀庫、自動換刀裝置和托盤交換裝置等）； 現(xiàn)在包括CNC裝置，各個部件

15、都看做功能部件，專門生產(chǎn)。 3. 2 數(shù)控機床主機的特點 主運動，及進給坐標(biāo)軸都由單獨的伺服電機驅(qū)動； 傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單；運動關(guān)系由計算機來協(xié)調(diào)控制。 采用高效傳動件：精密滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌副、精密 齒條、蝸母條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。 機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的靜態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、 耐磨性以及抗熱變形性能。 在加工中心上還具備有刀庫和自動交換刀具的機械手。,配套設(shè)施齊全，如：冷卻、自動排屑、防護、可靠的潤滑、 對刀儀等 。 3. 3 主機的設(shè)計 3.3.1 總體設(shè)計 1. 總體方案：布局外觀、精度、性能、靜動態(tài)特性（剛度特 性摩擦特性、熱特性）. 2. 參數(shù)：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、行程

16、、速度. 3. 機電匹配：機電分工、電機和控制系統(tǒng)的選擇. 3.3.2 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 1. 傳動系統(tǒng). 2. 電主軸. 3. 自動卡盤. 4. 動力刀架. 3.3.3 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計 1.開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán). 2.傳動方案.,3. 高效傳動件的設(shè)計、選擇、計算、機電匹配. 4. 直線電機系統(tǒng). 3.3.4其它系統(tǒng)的設(shè)計 1.數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺. 2.換刀機械手。 3.刀庫、刀具系統(tǒng). 4.冷卻、排屑系統(tǒng). 第四部分 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 4. 1 數(shù)控技術(shù)總的發(fā)展趨勢 當(dāng)代，數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用是FMC/FMS/CIMS，其發(fā)展方 向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、復(fù) 合化、開放

17、化和智能化以及數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。目前的動向是: 開放式數(shù)控系統(tǒng)、高速加工系統(tǒng)。 4. 2 新的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) STEP-NC,4.2.1 STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生及概念 1.產(chǎn)生： 數(shù)控發(fā)展已50多年了，編程還在采用G、M代碼、地址字的 程序格式（ISO6983），它是面向運動和開關(guān)控制的語言。 限制了CNC系統(tǒng)的開放性和智能化發(fā)展的需要，使CNC與 CAM技術(shù)之間形成了瓶頸。 體現(xiàn)不出IT技術(shù)與MT技術(shù)的結(jié)合：CAD/CAM/CAE/PDM 限制了制造業(yè)的發(fā)展。 為此國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定了“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)” STEP（Standard for the Exchange of Product

18、 Model Data） （ISO10303） 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP，是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，將 此擴展到數(shù)控領(lǐng)域，形成了STEP-NC新標(biāo)準(zhǔn)（ISO-14649） 2. STEP-NC數(shù)據(jù)模型 STEP-NC為“新型的CNC控制器數(shù)據(jù)模型” 標(biāo)準(zhǔn)，它是從 CAM到CNC的數(shù)據(jù)模型。 STEP、STEP-NC是中性的,采用面向?qū)ο蟮恼Z言:EXPRESS,以面向?qū)ο蟮男问綄a(chǎn)品的設(shè)計信息與制造信息聯(lián)系起來， STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)能進行CAD /CAM與CNC一體化的加工。 STEP-NC為CNC系統(tǒng)重新規(guī)定CAD/CAM與CNC之間的接 口，可以進行數(shù)據(jù)交換。要求CNC系統(tǒng)直接使用符合S

19、TEP 標(biāo)準(zhǔn)的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括工件幾何數(shù)據(jù)、設(shè)置、 制造特征信息、工藝信息和刀具信息），而直接產(chǎn)生的加工 程序用來控制機床。 3. STEP-NC研制情況 STEP-NC是當(dāng)前世界各國正在開展的研究項目。 歐洲、美國（Super Model項目）、韓國、日本（Digital Sater項目）都在積極的進行，而且關(guān)于STEP-NC的研究已 取得了實質(zhì)性的進展。 法那科、西門子數(shù)控系統(tǒng)公司都宣布將執(zhí)行STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)。 4.2.2 STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 STEP-NC定義了一個新的應(yīng)用協(xié)議AP-238 ，作為 CAM與 CNC之間數(shù)據(jù)交換的具體規(guī)范 。,1. AP-238 AP-

20、238包括從產(chǎn)品概念到成品（零件）全過程所需的全部信 息。其中有： 三維幾何信息-AP-203/AP214； 特征信息-AP-224； 工藝信息（如車、銑、放電加工等）-AP-219； 檢測信息-AP-219等等。 2. STEP-NC 標(biāo)準(zhǔn)（草案）內(nèi)容： 有關(guān)基本規(guī)則與銑削加工的標(biāo)準(zhǔn)（草案）已完成，包括： 基本概念和規(guī)則（Part 1）； 通用數(shù)據(jù)（Part 10）； 數(shù)控銑削加工工藝（Part 11）； 刀具、銑削刀具（Part 111）等。 正在制定的STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)有： 數(shù)控車削加工（Part 12）； 放電加工（Part 13）； 木材和玻璃加工（Part 14）；,檢測（Part

21、 15）等。 3. 標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù) 包括二大部分: 工件（Workpiece，指成品）和工作計劃（Workplan）。 工件上需去除的材料的區(qū)域由一系列加工特征（Machining- feature）定義。 工作計劃包括若干工作步驟（Working step）。 工作步驟將具體的加工特征（如平面、復(fù)雜曲面、孔等）與 具體的操作（Machining-operation）聯(lián)系起來。 操作（operation）本身是ISO-14649定義的一個面向的概念， 涉及加工方法、刀具、刀軌、工藝策略等。 4.2.3 STEP-NC數(shù)控程序結(jié)構(gòu) 1. STEP-NC數(shù)控程序編制的原則： 采用了ISO-10303

22、數(shù)據(jù)格式和面向特征的編程原則。 以工作步驟為加工流程的的基本單位。 將特征與技術(shù)信息聯(lián)系到一起。, 每個工作步驟只定義一個具體操作（干什么、如何干、只 能用一種刀具和一種策略） 2. 程序結(jié)構(gòu)：程序結(jié)構(gòu)分為文件頭和數(shù)據(jù)段 文件頭以HEADER為標(biāo)記，主要說明文件名、編程者、日 期以及注釋等。 數(shù)據(jù)以DATA開始，包含了加工零件所需的所有信息和操 作任務(wù)。根據(jù)規(guī)定，首先要有一個PROJECT語句。 其后的內(nèi)容可分為三部分： 工作與可執(zhí)行語句（Executable，包括工作步驟、一般NC 功能如信息顯示等、流程控制）。 技術(shù)描述（刀具、機床功能、加工策略等） 幾何描述（幾何數(shù)據(jù)、加工特征等） EN

23、DSEC為程序結(jié)束標(biāo)志。,3. 例子（西門子公司開發(fā)的,其中的斜體為特意加入的說明)： HEADER ; 文件頭部開始語句 ENDSEC ; 文件頭部分結(jié)束 DATA ; 數(shù)據(jù)段開始 # 1 = PROJECT(Workplan #10) ; #1規(guī)劃由工作計劃#10完成 #10=Workplan(#20, #35, ) ;#10包括：#20工步、#35工步、 #20=Machining - Workingstep( , #21 (feature), #22 (Machining) ;#20為加工工步，包括： #21加工特征、 #22加工操作 #21=Round hole( Hole M6 ,

24、 , ) ;被加工的是M6,圓周孔 #22=Drilling(#(Tool) , , , #(technology), #(Machine - functions) ; 鉆削加工（刀具、工藝、機床功能） #35=Machining - Workingstep() ; #35為加工工步 其它加工工步 ENDSEC ; 程序結(jié)束（數(shù)據(jù)段）,說明：文件程序名 、編者、日期、注釋,4. STEP-NC特點：廢棄了傳統(tǒng)的數(shù)控程序，無后置處理，無 G、M代碼。ISO14649的目標(biāo)為： 改進CAD/CAM 系統(tǒng)與CNC控制器之間的連接，數(shù)據(jù)傳遞。 不采用刀具運動編程，而采用工作步驟面向?qū)ο蟮母拍?。?作步

25、驟相應(yīng)于高級特征和過程參數(shù)。 CNC對工作步驟解析 為坐標(biāo)的運動和刀具的動作。 數(shù)據(jù)模塊必須包括所有的復(fù)雜級別（從加工時，指令的CAD 幾何數(shù)據(jù)到離散值的簡單軸運動）。 CNC 程序設(shè)想可以放在新開發(fā)的CNC控制器上, 也可能放在 分離的支持和改進現(xiàn)有CNC控制器的高級系統(tǒng)上（包括各種 網(wǎng)絡(luò)）。 對于數(shù)控程序的新標(biāo)準(zhǔn)將提供機床操作者更多的柔性、功能、 統(tǒng)計表的編輯定義、相關(guān)控制和幾何過程的修正。 新標(biāo)準(zhǔn)允許操作者因為專用機床和技術(shù)，而執(zhí)行專門的功能。 對于最終用戶新的標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的編程格式，使程序準(zhǔn)備更 快、更廉價。 較少的后置處理，而且更標(biāo)準(zhǔn)化。在數(shù)控編程級CAD/CAM 系統(tǒng)和NC系統(tǒng)之間

26、的數(shù)據(jù)交換將更方便。,4.2.3 STEP-NC為計算機數(shù)控（CNC）提供的發(fā)展空間 STEP-NC的發(fā)展使得STEP標(biāo)準(zhǔn)擴展到自動化加工的底層設(shè)備，建立了一條貫穿整個制造過程的高速公路。將影響相關(guān)的CAX技術(shù)（CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM、ERP等）、刀具、機床、夾具、先進生產(chǎn)模式等。主要有以下幾方面： 數(shù)控編程界面； 數(shù)控系統(tǒng)的開放性； 數(shù)控系統(tǒng)的智能化； CAM和CNC之間的功能重新劃分（嵌入式CAM）； 加工質(zhì)量和效率，CNC改變被動執(zhí)行者的地位； 數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)制造。 4. 3 開放式數(shù)控（OPEN CNC ） 4.3.1開放數(shù)控的產(chǎn)生和發(fā)展： 1.產(chǎn)生的原因 當(dāng)今的CN

27、C控制器是個黑匣子，封閉保密，制造廠和用戶不 能把特殊加工工藝、管理經(jīng)驗和操作技能等放進去，要求透,明，因此需要開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。 現(xiàn)在的CNC技術(shù)（其核心為CNC控制器和驅(qū)動技術(shù)）及結(jié)構(gòu) 為專用的軟硬件，遠落后于PC的主流技術(shù)。升級困難，各廠 家產(chǎn)品不兼容，成本高。 用戶界面不靈活，網(wǎng)絡(luò)功能弱，系統(tǒng)維護培訓(xùn)昂貴。 2. 發(fā)展情況： 美國： OMAC 1981年，國防部為了減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依 賴性，開始了一項名為“下一代控制器（NGC）”的計劃， 并成立了“美國國家科學(xué)制造中心”，該計劃于1991年終 止，完成了“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（SOSAS）”。 1995年，在NGC的基

28、礎(chǔ)上，由美國國防部資助又開始了由 20個公司合作的“OASAY”計劃，目的是建立8個控制器并 在6個不同的系統(tǒng)平臺上測試這8個控制器。 1994年美國汽車工業(yè)為了解決自身發(fā)展過程中碰到的一系 列問題，由克萊斯勒、福特和通用三家大汽車公司開始了一 項名為：,“開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器（OMAC-Open Modular Architecture Controls）”的計劃。 歐洲： OSACA 1992年在歐洲，啟動了一項“自動化系統(tǒng)中控制器的開放 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（OSACA-Open System Architecture for Controls within Automation Syst

29、ems）”的聯(lián)合計劃。由22家 歐州的機床生產(chǎn)商、控制開發(fā)商、控制集成商和研究機構(gòu)參 加，后來擴大到27名會員。 日本： OSEC 1995年日本六家公司:東芝機器制造公司、豐田機器廠、 MAZAK公司、日本IBM、三菱電子公司和SML公司共同實 施了“控制器開放系統(tǒng)環(huán)境計劃。OSEC-Open System Environment for Controllers”的計劃。 OMAC、OSACA、OSEC是在當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi) 有很大影響的三個計劃。這幾大開放數(shù)控系統(tǒng)計劃正在執(zhí)行 中，已有了自己的標(biāo)準(zhǔn)和樣機產(chǎn)品。,4.3.2 開放性： 開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化(用戶

30、界 面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊)， 而且對實時性和可靠性要求很高。其特點： 可移植性：在保持應(yīng)用模塊功能的情況下，不需任何變化就 可以應(yīng)用到不同的平臺上。 可擴展性：不同的模塊能運行于一個平臺，而不出現(xiàn)沖突。 互操作性：模塊在一起工作時，表現(xiàn)為相互協(xié)調(diào)，可以根據(jù) 定義相互交換數(shù)據(jù)。 可維護性：用戶修方便。 統(tǒng)一的人機界面。 4.3.3 結(jié)構(gòu)：目前開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有3種： 基于PC的CNC系統(tǒng)（軟數(shù)控 ： Soft CNC）： 以PC機為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要決實時性的 問題。運動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo) 軸電機。全方位開放。,基于PC的

31、CNC系統(tǒng)（軟數(shù)控 ： Soft CNC）： 以PC機為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實現(xiàn)，但要決實時性的 問題。運動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo) 軸電機。全方位開放。 PC嵌入式:把一塊多軸運動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，運動卡 運行以坐標(biāo)軸運動為主的實時控制（作為數(shù)控功能運行）。 PC作為人機接口平臺 。易實現(xiàn)，研究單位和高校。 PC + CNC （融合系統(tǒng)）：專業(yè)廠家認為CNC系統(tǒng)最主要功 能是高速、高精加工和可靠性，向PC在的死機現(xiàn)象是不允許 的。已生產(chǎn)的大量CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可 靠性不利。故采取了：增加一塊PC板，提供鍵盤，使PC與 CNC 聯(lián)系在一起的方案?？?/p>

32、界面開放，提高人機界面的功能 。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如fanuc，siemens等）現(xiàn)在都這樣做。 4. 4 CNC控制器的發(fā)展趨勢 4.4.1多坐標(biāo)、多通道控制。FANUC 30i-MODEL A： 十個通道，40個軸（32個進給軸、8個主軸）,聯(lián)動軸數(shù)24/每通道。 3個PMC通道。最大I/O點數(shù)4096/4096 PMC基本命令速度25ns。 最大預(yù)讀程序段：1000段。 (適合作為大型自動機床、復(fù)合機床、多頭機床的控制器) 4.4.2 高速高精、低速高精加工功能 1.新功能 前饋控制。補償由于反饋滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度。 進給率和加減速曲線控制。減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。 前

33、瞻控制。在程序執(zhí)行前，對運動數(shù)據(jù)進行計算處理和多段 緩沖，從而控制刀具以很小的誤差進行高速運動。 平滑運行的高精度輪廓控制。對指令的實時識別，最佳的控 制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳狀態(tài)。 數(shù)字濾波器技術(shù)。用以消除機械諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置 增益。 高精高速進給伺服系統(tǒng)、高精高速主軸伺服系統(tǒng)。, 高增益的驅(qū)動器、控制單元、電機； 提高編碼器的分辨率，1600萬/轉(zhuǎn)； 直線伺服電機驅(qū)動，提高進給剛度；對于直線電機，設(shè)計數(shù) 字濾波器以避免直接驅(qū)動機械帶來的多點諧振。 主軸采用交流同步伺服電機驅(qū)動時，高增益控制、無齒槽效 應(yīng)高分辨率電機，使主軸低速時轉(zhuǎn)矩大、精度高；采用交流 異步高分辨率

34、伺服電機驅(qū)動時，高速度高精度。 納米控制：在系統(tǒng)檢測分辨率為1 m時，插補分辨率為1nm。 采取措施：CNC內(nèi)部計算以納米或更小的單位計算，使誤最 小化；高精度的交流數(shù)字伺服控制；很高的電流檢測精度； 相應(yīng)的硬件（RISC芯片）。 納米平滑功能：以納米為單位評估原始曲線，圓整指令公差。 使加工自由曲面時，減小或消除程序段之間出現(xiàn)的條紋。 NURBS插補。 2. NURBS插補簡介 1）概述 高速加工CNC控制器具有NURBS插補功能，可以接受CAM,軟件傳來的BURBS格式的刀位軌跡數(shù)據(jù),進行BURBS插補加工。 在CAM軟件的刀位軌跡計算時，直接輸出定義NURBS曲線的“控制點”、“權(quán)重”、

35、“節(jié)點”，然后通過后處理譯成機床CNC系統(tǒng)可識別的G代碼，CNC以插補速率對原始的NURBS曲線進行插補加工。 常規(guī)的CAM后置處理提供二種插補：直線插補和圓弧插補，常用線性插補逼近。高速加工設(shè)備出現(xiàn)了NURBS曲線插補，這使CNC系統(tǒng)具備了能自動進行NURBS格式定義的加工域生成的能力。各種插補比較如下： 圖4. 4 - 1 NURBS曲線的插補方式,2）NURBS插補的優(yōu)點： 與線性插補相比，CAM輸出的NURBS插補的刀位文件大為縮短，只有其1/101/100。由于高速銑采用小的刀具、小的切削量和窄的公差帶，如公差帶設(shè)置為0.002mm或更小，按照常規(guī)的插補方法，這個程序的長度會很大，可

36、能達到100MB以上，許多機床的CNC控制器不能接受。 NURBS插補比采用近似分段的直線和圓弧插補更為準(zhǔn)確，刀位軌跡更加平滑。 NURBS插補速率快，精度高。 例如：GE Fanuc NURBS插補采樣周期為1ms，加工處曲率半徑為50mm，產(chǎn)生的法向加速度為0.2g，以18.8m/min的高速進行加工。計算： 一個插補周期的輪廓步長 L = fT= 18.8m1000/min601000 = 0.313mm 插補誤差 e = (Ft)2/8r = 0.3132/850 =0.0002448mm = 0.245m,改變高速切削的表面質(zhì)量。得到平滑精確的表面，如采用內(nèi)、外公差（Intol/Ou

37、ttol）會得到更加平滑的刀具軌跡。 NURBS插補可縮短加工時間。由于機床存在慣性，在用直線插補時，存在直線拐角處的拐角運動，為了避免沖擊，機床一般按平滑規(guī)律進行加減速處理。這樣每到一拐角就要降低速度，然后再加速。而NURBS插補是光滑的，能在加速度允許的范圍內(nèi)以最大速度進行加工。 有的專家認為：提高數(shù)控加工質(zhì)量、速度的最好辦法之一是高速加工技術(shù)和NURBS插補的結(jié)合 3）NURBS格式輸出的系統(tǒng)模型 NURBS插補由CAD-CAM-CNC的過程見下圖：, .,4）NURBS插補指令的格式： G6.2 P K X Y Z- R . 在UG中，如果選擇了NURBS選項后，要回答三個問題： 分段

38、的NURBS曲線是否聯(lián)接成一條曲線。 角度公差控制。兩個NURBS曲線的切線的夾角，為了光滑選為5或更小。 擬合公差控制。 目前支持NURBS功能的CNC系統(tǒng)有：FANUC系統(tǒng)的15B、16C、16iMA、18i、Seimens、Heidenhain、Makino、Fidia等。,4.4.3 五軸加工和復(fù)雜加工功能； 五軸加工工藝合理，對三維曲面加工可充分利用刀具的 最佳幾何形狀進行切削，在復(fù)雜形狀的高速高精加工中，可 以提高效率提高光潔度。 五軸加工的機械配置有刀具旋轉(zhuǎn)方式、工作臺旋轉(zhuǎn)方式 及它們的混合方式。五軸加工功能要滿足各種配置。 功能為： 刀具軸方向的長度補償。 五軸加工刀具中心點控

39、制 。 五軸加工刀具半徑補償。 三維圓弧插補，可以指定傾斜平面內(nèi)的圓弧。 五軸加工刀具中心點控制 。 傾斜加工指令。 五軸加工用手動進刀。 4.4.4數(shù)控智能、環(huán)保、安全技術(shù) 1. 智能 1）智能技術(shù),隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)的智能化將不斷提高。主要為： 應(yīng)用自適應(yīng)控制（Adaptive Control）技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)檢測加工過程中的一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。當(dāng)前已開發(fā)出模糊邏輯控制和帶自學(xué)習(xí)

40、功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控系統(tǒng)和其它數(shù)控加工系統(tǒng)。 引入故障診斷專家系統(tǒng) 智能化伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負載而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行狀態(tài)。,2）智能技術(shù)應(yīng)用 機床的智能化不僅可實現(xiàn)遠程診斷、遠程服務(wù)，而且使機床融合了信息技術(shù)和管理技術(shù)。 日本Mazak公司的Integrex e系列車銑中心為五軸聯(lián)動（X、Y、Z、B、C）。 可通過開放式CNC系統(tǒng)與公司的e塔式信息中心交換數(shù)據(jù)，從局域網(wǎng)下載零件圖紙、加工程序，對零件加工過程進行監(jiān)控、錄像，以便對加工中心出現(xiàn)的問題進行檢查分析。 機床采用的信息技術(shù)為操作者和管理者提供了廣泛支持。包括：顯示生產(chǎn)進度（用CCD攝像頭和特有的結(jié)構(gòu)監(jiān)

41、控）、輔助操作者改善機床的操作、使機床由報警狀態(tài)快速恢復(fù)正常、顯示加工完成情況報告（通過移動電話）、機床報警通知、時間顯示、加工完成時間、要求維護保養(yǎng)通知等等。 機床還有指紋識別系統(tǒng)，機床可進行車、銑、鉆、熱處理、磨等加工。 意大利的板材加工線 編程系統(tǒng)采用三維圖像自動編程，并進行成型工藝仿真、,監(jiān)控機床的使用狀況、預(yù)警維護保養(yǎng)。 還可以計算工時、成本、交貨期，通過遠程通訊解決用戶編程中的難題。 2. 環(huán)保 環(huán)境保護越來越受到重視。節(jié)地、節(jié)能、低噪聲、干切削、無液壓、免潤滑（MQLMinimum Quit Liquid）、是今后數(shù)控機床發(fā)展的新特點。 機床普遍采用即堅固美觀，又方便操作的全封閉

42、活動罩門，防止切削液飛濺和形成油霧。安裝油霧分離器使排除的只是不含油的霧。 在切削加工中，作為重要環(huán)保措施的干切削，是指在加工過程中不使用或極少使用冷卻潤滑液。 干切削的技術(shù)措施： 刀具采用耐熱性和散熱性良好的涂層材料。 無潤滑的解決辦法是：采用潤滑性能優(yōu)異的涂層物質(zhì)、設(shè)計有利于斷屑和排屑的刀具形狀和幾何參數(shù)。 許多機數(shù)控床實現(xiàn)了干切削，特別是齒輪加工機床很多都,是干切削的。 干式切削要解決的問題是刀具壽命、切屑的及時排走和價格問題。 3.安全 安全分三個層次：操作者、機床和工件。 人的安全是通過帶電子鎖的全封閉罩（甚至是防彈玻璃） 和雙手操作按鈕來保證； 在突然停電或遇突發(fā)故障時，刀具會迅速

43、與工件分離，保 證機床安全； 工件的安全通過傳感器和安全開關(guān)來保證。,4.4.5 復(fù)合數(shù)控功能 1.定義： 復(fù)合加工是指在同一機械上，可以進行多種工藝的加工。如一圓柱體各部位加工：在一臺機床上車削外圓、鏜內(nèi)孔、銑圓柱面上的溝槽等，可提高生產(chǎn)率。該機床上要有進行復(fù)合加工功能的控制系統(tǒng)。如“車銑加工中心”、 “銑車加工中心”的數(shù)控系統(tǒng)是銑、車等功能的復(fù)合。 2.車銑復(fù)合中心 車銑復(fù)合中心是由車削中心衍生出的車銑復(fù)合中心。在數(shù)控車床的托板上增加大功率、高轉(zhuǎn)速的電主軸動力頭。電主軸頭除了隨托板作X、Z軸運動外，還作垂直于X、Z平面的Y軸運動和繞Y軸回轉(zhuǎn)的B軸運動，從而達到了車銑復(fù)合。 奧地利WFL公司

44、的Millturn系列“9軸數(shù)控車銑復(fù)合中心”是一種集車削中心、五軸加工中心、深孔鉆和三坐標(biāo)測量機的所有功能復(fù)合。整機可以進行車、銑、鉆、鏜、插、滾齒等各種操作。 “7軸兩個五軸聯(lián)動數(shù)控車床” 該機結(jié)構(gòu)為臥式雙主軸、,單刀塔。雙面布置的兩個主軸每個都可作C軸旋轉(zhuǎn)和Z軸運動，刀塔作X軸Y軸運動和B軸旋轉(zhuǎn)，刀塔上可配24把刀具。兩個 主軸頭可分別與刀塔實現(xiàn)五軸聯(lián)動。 “7軸排刀數(shù)控車床” 其為臥式雙主軸刀排式布局，雙主軸均帶C軸控制，兩個主軸分別配置動力刀排，實現(xiàn)七軸控制。 3.銑車中心 銑車中心已系為主，帶有車的功能。 瑞士的銑車中心是在立式加工中心上帶棒料自動送料器，以棒料為坯料復(fù)合了車削功能

45、。主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min，機床X、Y、Z、A、B等多軸可控。 德國的Stama、美國的Saas也有銑車中心。 數(shù)控滾磨機、蝸桿成型磨齒機及集自動上下料、檢測、刀具對中、磨齒及修正砂輪于一體的磨齒機均為復(fù)合機床。 復(fù)合數(shù)控機床還有：臥式鏜銑和深孔鉆的復(fù)合機床、板材沖和激光切割（或等離子切割、火焰切割）的復(fù)合機床。 4.4.6 進網(wǎng)通訊功能:以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、無線 通訊技術(shù)。,PC、CNC對多臺機床進行集中監(jiān)控和管理需要通過網(wǎng)絡(luò) 通信。傳送程序，監(jiān)控加工狀態(tài)，傳送維修數(shù)據(jù)、進行遠 程控制操作和診斷，傳送CAD/CAM數(shù)據(jù)。現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)制 造系統(tǒng)要求CNC系統(tǒng)有很強的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。 4.4

46、.7 高可靠性、高安全性；采取措施： 采用光纖通訊，減少電纜連接； 采用糾錯碼（ECC ）； 采用雙檢措施：在CNC內(nèi)嵌入多個處理器冗余的監(jiān)控伺服 電機、主軸電機、與安全相關(guān)的I/O信號，并使用急停與 相關(guān)的I/O電路，使系統(tǒng)安全的運行和停止。 4.4.8 控制器的開放性（開放式數(shù)控系統(tǒng)） 前面已介紹，要注意幾點： 要保證實時性，不是現(xiàn)在的PC機拿來就能用。 開放性和可靠性時是有矛盾的，注意解決它們之間的關(guān)系。 開放是有層次的，按模塊或組件，不能無限開放。 4.4.9 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng),有兩種方案：一是增加STEP-NC程序的編譯器、二是重 新設(shè)計開放式CNC系統(tǒng)。這樣才能以STEP-N

47、C標(biāo)準(zhǔn)編制的程 序，進行CAD/CAM與CNC一體化的加工。 4. 5 伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展 4.5.1全數(shù)字化伺服系統(tǒng)的組成,數(shù)字系統(tǒng)的進給控制,傳動系統(tǒng)及控制方案圖,4.5.2新發(fā)展的主要技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性直接影響機床的位移速度，定位精度和加工精度?，F(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代；伺服電機的位置，速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化；并采用了新的控制理論，實現(xiàn)了不受機械負荷變動影響的高速響應(yīng)系統(tǒng)。 前饋控制技術(shù)。 過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著跟蹤滯后誤差，

48、這使得在加工拐角及圓弧時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣使伺服系統(tǒng)的跟蹤滯后誤差大大減小。 2. 機械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)。 對于一些具有較大靜止摩擦的數(shù)控機床，新型數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補償機床驅(qū)動系統(tǒng)靜摩擦的非線性摩擦的非線性控制功能。,3. 伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)（包括電流環(huán)）均采用數(shù) 字閉環(huán)，軟件計算、數(shù)字調(diào)解等。 為適應(yīng)不同類型的機床，不同精度和不同速度的要求 ，預(yù)先調(diào)整加、減速性能或自動調(diào)整加、減速性能。 4.采用高分辨的位置檢測裝置。 高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細分電 路，使得分辨率大大提高，增量位置檢測為10000p/

49、r （脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)）以上；絕對位置檢測為1000000p/r、 16000000以上。 5.補償技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)都具有補償功能，可以對伺服系統(tǒng)進行 多種補償，如絲杠螺距誤差補償，齒側(cè)間隙補償、軸 向運動誤差補償、空間誤差補償和熱變形補償?shù)取?6.采用光柵尺的全閉環(huán)系統(tǒng) 7.矢量控制技術(shù)。,4. 6 機械結(jié)構(gòu)技術(shù) 為適應(yīng)數(shù)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，機械結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化。為縮小體積，減少占地面積，更多地采用機電一體化結(jié)構(gòu)。為了提高自動化程度，而采用自動交換刀具，自動交換工件，主軸立、臥自動轉(zhuǎn)換，工作臺立、臥自動轉(zhuǎn)換，主軸帶C軸控制，萬能回轉(zhuǎn)銑頭，以及“數(shù)控夾盤”，“數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺”

50、，“動力刀架”和“數(shù)控夾具”等。 為了提高數(shù)控機床的動態(tài)特性，伺服系統(tǒng)和主機進行很好的機電匹配。同時主機也借助計算機進行模塊化、優(yōu)化設(shè)計。 4.6.1 設(shè)計思想的發(fā)展 機床是工作母機，機床制造必須連續(xù)不斷的開發(fā)新思想，滿足用戶對產(chǎn)品制造質(zhì)量和效率日益提高地要求。單純優(yōu)化現(xiàn)有工藝和一再提高機床的功率是遠遠不夠的。 在新的驅(qū)動技術(shù)和運動學(xué)領(lǐng)域的新開發(fā)、輕型化的新材料、環(huán)保生產(chǎn)、機床安全、精度和測試技術(shù)、微型制造和微型裝卸技術(shù)等方面的研究值得注意。,機床的運動分配和運動設(shè)計已經(jīng)打破傳統(tǒng)的金切機床分類: 不管是工件旋轉(zhuǎn)還是刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，只要工件和刀具之間有相對運動就行，并要求這種布置為最佳。 機床

51、的動力頭在同一臺機床上有時作傳統(tǒng)意義上的主軸使用，有時又作動力刀具的旋轉(zhuǎn)軸使用。 在同一次裝夾的情況下，上一工步工件旋轉(zhuǎn)作為主運動，下一步則是工件的進給運動。以“完全加工”的理念進行工序復(fù)合和功能復(fù)合。 4.6.2 機床功能部件 1. 電主軸； 驅(qū)動、軸承、潤滑、冷卻、本體（動平衡、減輕重量）。 電機：交流同步（額定轉(zhuǎn)速下，橫扭矩）、交流異步（高 速性好） 2. 直接驅(qū)動：旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動 、直線直接驅(qū)動； 旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動：力距電機，低速大扭矩。 直線直接驅(qū)動：直線電機，已解決漏磁和發(fā)熱問題。加速 度可達3個g 3. 滾動部件：滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌；,精緊自潤滑滾珠絲杠，加速度可達2g。 4.

52、數(shù)控刀架； 數(shù)控刀架形式多樣（德國，意大利） 刀架的控制和驅(qū) 動采用伺服電機或液壓系統(tǒng) ，回轉(zhuǎn)180的時間安已縮 短到0.5s。刀架品種繁多，可以為各種數(shù)控車床、車 削加工中心配套。 5. 銑頭； 為數(shù)控銑床、加工中心、車銑中心等配套的各式各樣銑 頭。車銑中心用的B軸銑頭，可在210范圍內(nèi)擺角進行 高精度銑切加工；數(shù)控銑床、加工中心用的二坐標(biāo)銑頭 能A、B軸（立、臥二用）擺角，可加工任意空間面。 6. 數(shù)控轉(zhuǎn)臺； 已有了二坐標(biāo)數(shù)控轉(zhuǎn)臺，具有連續(xù)分度和鼠牙盤分度二 種形式。它具有雙耳軸，平臺能傾轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺上配備交換 工作臺接收裝置。 7. 刀庫； 刀庫容量增大， 大容量、刀位不動的“貨架式”刀庫

53、用工業(yè)機器人取放,的刀具； “圓柱形立體刀庫”（德國） 在圓柱內(nèi)可容納500把刀， 圓柱中心的工業(yè)機器人按程序預(yù)選、取放、并傳遞給機 床主軸； “框架式刀庫”（瑞士） 該刀庫每個模塊可容納96把刀 具，模塊外形1.812.25m，可以層層疊加擴展容量。 刀庫內(nèi)機械手按程序抓放刀后，先傳遞給一個作為“二傳 手 ”的接接模塊，再對機床換刀。 數(shù)控刀架形式多樣（德國，意大利） 刀架的控制和驅(qū)動 采用伺服電機或液壓系統(tǒng) ，回轉(zhuǎn)180的時間安已縮短到 0.5s。刀架品種繁多，可以為各種數(shù)控車床、車削加工 中心配套。 8. 棒料自動送料器； 9. 潤滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等等。 10.高速多軸轉(zhuǎn)塔頭 塔頭的主軸

54、有2、3、6、8個等多種，轉(zhuǎn)速最高可達12000 18000r/min，功率450kW。,4.6.3 并聯(lián)機床進入實用階段 并聯(lián)機床自94年在美國芝加哥國際機床展覽會上面市以來，有了很大發(fā)展，結(jié)構(gòu)緊湊而且增大了工作空間，機床剛度和工作精度進一步提高，已進入實用階段。主要用于汽車業(yè)、航空業(yè)和模具業(yè)。在加工中心和可移動FMC中也采用了并聯(lián)結(jié)構(gòu)。 有六桿、三桿、立式、臥式并聯(lián)機床，結(jié)構(gòu)形式為并聯(lián)、串聯(lián)和混合結(jié)構(gòu)，可采用直線電機和電主軸。并聯(lián)機床的工作臺有固定臺、可交換臺、水平分度臺、滑座床身等多種。 現(xiàn)已達到的最高精度：定位精度為5m，重復(fù)定位精度為1.5m。 過去并聯(lián)機床的最大問題是精度不如傳統(tǒng)結(jié)

55、構(gòu)機床，其原因一是坐標(biāo)軸（支桿）的位置精度不高，二是由于熱效應(yīng)和切削力引起的變形。現(xiàn)在桿內(nèi)除裝有滾珠絲杠外，還有檢測桿自身長度的測量系統(tǒng)，通過補償校正運動精度。 4.6.4 數(shù)控激光加工領(lǐng)域有了新的進展 激光加工機床有：用于板材下料的激光切割中心、激光龍門銑切機床（可以五軸聯(lián)動）、激光雕刻機床、激光加工中心（三個光學(xué)軸，三個機械軸）、高速銑切和激光加工復(fù)合機床。功率：精細加工為,幾百瓦、切割等為幾千瓦。 激光器有：CO2激光器、固體激光器YAG、準(zhǔn)分子激光器（冷切削）。激光加工工藝方法：激光銑切、激光雕刻銑切、激光焊接、激光表面處理、激光打孔、激光切割等。激光銑切的進一步發(fā)展，有可能取代部分電

56、加工機床。 激光加工范圍：“激光束能”（激光束直徑0.04MM0.1MM）幾乎對所用材料都能加工，如精密膜具和工件加工、膜型制造、珠寶加工、薄片加工、刀具加工、陶瓷的精細雕刻（這是一般銑削和電火花加工所不能比擬的）。 加工精度：10m，表面粗糙度：1m。4.6.5 成套、成線制造裝備 。4.6.6 工業(yè)機器人技術(shù)融入數(shù)控機床，促進成套技術(shù)向自動化方 向發(fā)展 。,4.7 編程技術(shù)的發(fā)展 4.7.1 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控編程技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)控加工的主要環(huán)節(jié)，發(fā)展趨勢: 由手工編程發(fā)展到自動編程 由APT語言形式發(fā)展到自CAD/CAM自動編程。 此外還有下面特點： 1.脫機編程發(fā)展到在線編程。 傳統(tǒng)

57、的編程是脫機進行的。由人工、計算機以及采用編程機來完成，然后再輸入給數(shù)控裝置。 現(xiàn)代的CNC裝置有很強的存儲和運算能力，把很多自動編程機具有的功能，移植到數(shù)控裝置的計算機中來，在人工操作鍵盤和彩色顯示器的作用下，在線的以人機對話方式進行編程，并具有前臺操作、后臺編程的功能。 2.具有機械加工技術(shù)中的特殊工藝和組合工藝方法的程序編制功能。 除了具有圓切削、固定循環(huán)和圖形循環(huán)外，還有宏程序設(shè)計、子程序設(shè)計功能，會話式自動編程、藍圖編程和實物編程，,功能。 3.編程系統(tǒng)由只能處理幾何信息發(fā)展到幾何信息和工藝信息同時處理的新階段。 新型的CNC系統(tǒng)中裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫，使得在線程序編制過程中可以自動

58、選擇最佳切削用量和適合的刀具。 4.7.2 基于CAD/CAM軟件的交互圖形自動編程 4.7.2.1 CAD/CAM軟件數(shù)控編程簡介 交互圖形編程的實現(xiàn)是以CAD技術(shù)為前提，編程的核心是刀位點的計算。對于復(fù)雜零件，其數(shù)控加工刀位點的人工計算十分困難。而CAD三維造型包含了數(shù)控編程所需要的完整的零件表面幾何信息，計算機軟件可針對這些幾何信息進行數(shù)控加工的刀位自動計算。絕大部分數(shù)控編程軟件（CAM）都具有CAD功能，因此稱為CAD/CAM一體化軟件。 基于CAD/CAM軟件的交互圖形編程技術(shù)與CAD技術(shù)相比較要簡單的多，其實現(xiàn)過程基本固定，其操作簡單易學(xué)，然而對經(jīng)驗依賴較強。目前，市場上流行的CAD/CAM軟件種類較,多，均具備了交互圖形編程的功能，操作大同小異。 4.7.2.2 常用CAD/CAM軟件簡介 ： 1. UG（Unigraphich） 為EDS公司產(chǎn)品，是世界上處于領(lǐng) 先地位的最著名的幾種大型CAD/CAM軟件之一。 2. PRO/E同上。 3. Cimatrom 為1