編號: 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯(譯文)院 (系): 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名:學(xué) 號:指導(dǎo)教師單位:姓 名:職 稱:1數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢1 數(shù)控技術(shù)數(shù)控是自動化可編程技術(shù)的一種形式,通過數(shù)字、字母和其他符號來控制加工設(shè)備。數(shù)字、字母和符號用適當(dāng)?shù)母袷骄幋a為一個(gè)特定工件定義指令程序。當(dāng)工件改變時(shí),指令程序就改變。這種改變程序的能力使數(shù)控適合于中、小批量生產(chǎn),寫一段新程序遠(yuǎn)比對加工設(shè)備做大的改動容易得多。數(shù)控機(jī)床有兩種基本形式:點(diǎn)位控制和連續(xù)控制(也稱為輪廓控制)。點(diǎn)位控制機(jī)床采用異步電動機(jī),因此,主軸的定位只能通過完成一個(gè)運(yùn)動或一個(gè)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)床主要用于直線切削或鉆孔、鏜孔等場合。數(shù)控系統(tǒng)由下列組件組成:數(shù)據(jù)輸入裝置,帶控制單元的磁帶閱讀機(jī),反饋裝置和切削機(jī)床或其他形式的數(shù)控設(shè)備。數(shù)據(jù)輸人裝置,也稱“人機(jī)聯(lián)系裝置”,可用人工或全自動方法向機(jī)床提供數(shù)據(jù)。人工方法作為輸人數(shù)據(jù)唯一方法時(shí),只限于少量輸入。人工輸入裝置有鍵盤,撥號盤,按鈕,開關(guān)或撥輪選擇開關(guān),這些都位于機(jī)床附近的一個(gè)控制臺上。撥號盤通常連到一個(gè)同步解析器或電位計(jì)的模擬裝置上。在大多數(shù)情況下,按鈕、開關(guān)和其他類似的旋鈕是數(shù)據(jù)輸入元件。人工輸入需要操作者控制每個(gè)操作,這是一個(gè)既慢又單調(diào)的過程,除了簡單加工場合或特殊情況,已很少使用。幾乎所有情況下,信息都是通過卡片、穿孔紙帶或磁帶自動提供給控制單元。在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中,八信道穿孔紙帶是最常用的數(shù)據(jù)輸入形式,紙帶上的編碼指令由一系列稱為程序塊的穿孔組成。每一個(gè)程序塊代表一種加工功能、一種操作或兩者的組合。紙帶上的整個(gè)數(shù)控程序由這些連續(xù)數(shù)據(jù)單元連接而成。帶有程序的長帶子像電影膠片一樣繞在盤子上,相對較短的帶子上的程序可通過將紙帶兩端連接形成一個(gè)循環(huán)而連續(xù)不斷地重復(fù)使用。帶子一旦安裝好,就可反復(fù)使用而無需進(jìn)一步處理。此時(shí),操作者只是簡單地上、下工件。穿孔紙帶是在帶有特制穿孔附件的打字機(jī)或直接連到計(jì)算機(jī)上的紙帶穿孔裝置上做成的。紙帶制造很少不出錯(cuò),錯(cuò)誤可能由編程、卡片穿孔或編碼、紙帶穿孔時(shí)的物理損害等形成。通常,必須要試走幾次來排除錯(cuò)誤,才能得到一個(gè)可用的工作紙帶。 2雖然紙帶上的數(shù)據(jù)是自動進(jìn)給的,但實(shí)際編程卻是手工完成的,在編碼紙帶做好前,編程者經(jīng)常要和一個(gè)計(jì)劃人員或工藝工程師一起工作,選擇合適的數(shù)控機(jī)床,決定加工材料,計(jì)算切削速度和進(jìn)給速度,決定所需刀具類型,仔細(xì)閱讀零件圖上尺寸,定下合適的程序開始的零參考點(diǎn),然后寫出程序清單,其上記載有描述加工順序的編碼數(shù)控指令,機(jī)床按順序加工工件到圖樣要求??刂茊卧邮芎蛢Υ婢幋a數(shù)據(jù),直至形成一個(gè)完整的信息程序塊,然后解釋數(shù)控指令,并引導(dǎo)機(jī)床得到所需運(yùn)動。為更好理解控制單元的作用,可將它與撥號電話進(jìn)行比較,即每撥一個(gè)數(shù)字,就儲存一個(gè),當(dāng)整個(gè)數(shù)字撥好后,電話就被激活,也就完成了呼叫。 裝在控制單元里的紙帶閱讀機(jī),通過其內(nèi)的硅光二極管,檢測到穿過移動紙帶上的孔漏過的光線,將光束轉(zhuǎn)變成電能,并通過放大來進(jìn)一步加強(qiáng)信號,然后將信號送到控制單元里的寄存器,由它將動作信號傳到機(jī)床驅(qū)動裝置。有些光電裝置能以高達(dá)每秒 1000 個(gè)字節(jié)的速度閱讀,這對保持機(jī)床連續(xù)動作是必須的,否則,在輪廓加工時(shí),刀具可能在工件上產(chǎn)生劃痕。閱讀裝置必須要能以比控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)更快的速度來閱讀數(shù)據(jù)程序塊。反饋裝置是用在一些數(shù)控設(shè)備上的安全裝置,它可連續(xù)補(bǔ)償控制位置與機(jī)床運(yùn)動滑臺的實(shí)際位置之間的誤差。裝有這種直接反饋檢查裝置的數(shù)控機(jī)床有一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)裝置。位置控制通過傳感器實(shí)現(xiàn),在實(shí)際工作時(shí),記錄下滑臺的位置,并將這些信息送回控制單元。接受到的信號與紙帶輸入的信號相比較,它們之間的任何偏差都可得到糾正。在另一個(gè)稱為開環(huán)的系統(tǒng)中,機(jī)床僅由響應(yīng)控制器命令的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動定位,工件的精度幾乎完全取決于絲杠的精度和機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度。有幾個(gè)理由可以說明步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)自動化申請的非常有用的驅(qū)動裝置。對于一件事物,它被不連續(xù)直流電壓脈沖驅(qū)使,是來自數(shù)傳計(jì)算機(jī)和其他的自動化的非常方便的輸出控制系統(tǒng)。當(dāng)多數(shù)是索引或其他的自動化申請所必備者的時(shí)候,步進(jìn)電機(jī)對運(yùn)行一個(gè)精確的有角進(jìn)步也是理想的。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)不需要監(jiān)聽就提供特定的輸出指令而且期待系統(tǒng)適當(dāng)?shù)胤磻?yīng)的公開- 環(huán)操作造成一個(gè)回應(yīng)環(huán),步進(jìn)電機(jī)是理想的。 一些工業(yè)的機(jī)械手使用高抬腿運(yùn)步的馬乘汽車駕駛員,而且步進(jìn)電機(jī)是有用的在數(shù)字受約束的工作母機(jī)中。 這些申請的大部分是公開- 環(huán) ,但是雇用回應(yīng)環(huán)檢測受到驅(qū)策的成份位置是可能的。 環(huán)的一個(gè)分析者把真實(shí)的位置與需要的位置作比較,而且不同是考慮過的錯(cuò)誤。 那然后駕駛員能發(fā)行對步進(jìn)電機(jī)的電脈沖,直到錯(cuò)誤被減少對準(zhǔn)零位。在這個(gè)系統(tǒng)中,沒有信息反饋3到控制單元的自矯正過程。出現(xiàn)誤動作時(shí),控制單元繼續(xù)發(fā)出電脈沖。比如,一臺數(shù)控銑床的工作臺突然過載,阻力矩超過電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí),將沒有響應(yīng)信號送回到控制器。因?yàn)?,步進(jìn)電機(jī)對載荷變化不敏感,所以許多數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許電機(jī)停轉(zhuǎn)。然而,盡管有可能損壞機(jī)床結(jié)構(gòu)或機(jī)械傳動系統(tǒng),也有使用帶有特高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)的其他系統(tǒng),此時(shí),電動機(jī)有足夠能力來應(yīng)付系統(tǒng)中任何偶然事故。最初的數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)系統(tǒng)。在開、閉環(huán)兩種系統(tǒng)中,閉環(huán)更精確,一般說來更昂貴。起初,因?yàn)樵葌鹘y(tǒng)的步進(jìn)電動機(jī)的功率限制,開環(huán)系統(tǒng)幾乎全部用于輕加工場合,最近出現(xiàn)的電液步進(jìn)電動機(jī)已越來越多地用于較重的加工領(lǐng)域。2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢2.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資,對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā),提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中,數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù),它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體,具有高精度、高效率、柔性自動化等特點(diǎn),對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前,數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革,由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上,數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化;在智能化基礎(chǔ)上,綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù),數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制,加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理;在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上,CAD/CAM 與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體,機(jī)床聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,他對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。長期以來,我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu),CNC 只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定,加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM 和 CNC 之間沒有反饋控制環(huán)節(jié),整個(gè)制造過程中 CNC 只是一個(gè)封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下,加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù),無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)4時(shí)動態(tài)調(diào)整,更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正 CAD/CAM 中的設(shè)定量,因而影響 CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見,傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu),限制了 CNC 向多變量智能化控制發(fā)展,已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程,因此,對數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3 個(gè)階段:第一階段從 1958 年到 1979 年,即封閉式發(fā)展階段。在此階段,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期,即引進(jìn)技術(shù),消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究,進(jìn)入市場競爭階段。在此階段,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá) 50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達(dá)到了 10%??v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程,特別是經(jīng)過 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān),總體來看取得了以下成績。 a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù),其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ),部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上,建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍。雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進(jìn)步,但我們也要清醒地認(rèn)識到,我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā),尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快,但橫向比(與國外對比)不僅技術(shù)水平有差距,在某些方面發(fā)展速度也有差距,即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢。從國際上來看,對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下。a.技術(shù)水平上,與國外先進(jìn)水平大約落后 10~15 年,在高精尖技術(shù)方面則更大。5b.產(chǎn)業(yè)化水平上,市場占有率低,品種覆蓋率小,還沒有形成規(guī)模生產(chǎn);功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低;外觀質(zhì)量相對差;可靠性不高,商品化程度不足;國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng),用戶信心不足。c.可持續(xù)發(fā)展的能力上,對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱;數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng);相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。分析存在上述差距的主要原因有以下幾個(gè)方面。a.認(rèn)識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點(diǎn)認(rèn)識不足;對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足;對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候多,從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候少;沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失,又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新,且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施,往往規(guī)劃理想,實(shí)施困難。d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng),核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后,水平較低,數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠。2.2 戰(zhàn)略考慮以及發(fā)展策略我國是制造大國,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移,即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù),否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中,我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價(jià),交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位,這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題,首先從社會安全看,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè),制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看,西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì),對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制,“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。6從我國基本國情的角度出發(fā),以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo),用系統(tǒng)的方法,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主,以整機(jī)(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價(jià)格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面,要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合,以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo),按國家意志實(shí)施攻關(guān),以解決國家之急需。在競爭前數(shù)控技術(shù)方面,強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新,強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品,為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。3 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢3.1 性能發(fā)展方向效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一,國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)將其確定為 21 世紀(jì)的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域,年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒/輛,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一;在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域,其加工的零部件多為薄壁和薄筋,剛度很差,材料為鋁或鋁合金,只有在高切削速度和切削力很小的情況下,才能對這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝,使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min,甚至更高,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/min 左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國 CINCINNATI 公司的7HyperMach 機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá) 60m/min,快速為 100m/min,加速度達(dá) 2g,主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件,只用 30min,而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h,在普通銑床加工需 8h;德國 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá) 12*!000r/mm 和 1g。(1)高速高精高效化 速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng),同時(shí)采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施,機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化 包含兩方面:數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性,數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),功能覆蓋面大,可裁剪性強(qiáng),便于滿足不同用戶的需求;群控系統(tǒng)的柔性,同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求,使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。(3)工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工,正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后,通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施,完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸,西門子 880 系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá) 24 軸。 (4)實(shí)時(shí)智能化 早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境,其作用是如何調(diào)度任務(wù),以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為??茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天,實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合,人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展,而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展,由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域,實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展:自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能,在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高,從而達(dá)到最佳控制的目的。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm 提高到5μm,精密級加工中心則從 3~5μm,提高到 1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(0.01μm)。8在可靠性方面,國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 6000h 以上,伺服系統(tǒng)的 MTBF 值達(dá)到 30000h 以上,表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工,與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。3.2 功能發(fā)展方向(1)用戶界面圖形化 用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同,因而開發(fā)用戶界面的工作量極大,用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前 INTERNET、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等技術(shù)也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用,人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作,便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。(2)科學(xué)計(jì)算可視化 科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù),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、圖像、動畫等可視信息??梢暬夹g(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域,如無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等,這對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域,可視化技術(shù)可用于 CAD/CAM,如自動編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。(3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2 螺旋插補(bǔ)、NANO 插補(bǔ)、NURBS 插補(bǔ)(非均勻有理 B 樣條插補(bǔ))、樣條插補(bǔ)(A、B、C 樣條)、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?4)內(nèi)裝高性能 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊,可直接用梯形圖或高級語言編程,具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序?qū)嵗?,用戶可在?biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改,從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。(5)多媒體技術(shù)應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體,使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域,應(yīng)用多媒體技術(shù)9可以做到信息處理綜合化、智能化,在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。(6)5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展,采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為,1 臺 5 軸聯(lián)動機(jī)床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯(lián)動機(jī)床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí),5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因,其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍,加之編程技術(shù)難度較大,制約了 5 軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn),使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低,數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床(含 5 面加工機(jī)床)的發(fā)展。在 EMO2001 展會上,新日本工機(jī)的 5 面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭,可實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工,使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn),還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心,可在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動加工,可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。3.3 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化,如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究,如美國的 NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController),中國的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上,面向機(jī)床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能),形成系列化,并可方便地10將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī),如在 EMO2001 展中,日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”(智能生產(chǎn)控制中心,簡稱 CPC);日本大隈(Okuma)機(jī)床公司展出“ITplaza”(信息技術(shù)廣場,簡稱 IT 廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的 OpenManufacturingEnvironment(開放制造環(huán)境,簡稱OME)等,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。(1)集成化 采用高度集成化 CPU、RISC 芯片和大規(guī)模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD 以及專用集成電路 ASIC 芯片,可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。應(yīng)用 FPD 平板顯示技術(shù),可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示,成為和 CRT 抗衡的新興顯示技術(shù),是 21 世紀(jì)顯示技術(shù)的主流。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù),將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格,改進(jìn)性能,減小組件尺寸,提高系統(tǒng)的可靠性。 (2)模塊化 硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求,將基本模塊,如 CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊,作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品,通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減,構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。(3)網(wǎng)絡(luò)化 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng),可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行,不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu),便于裁剪、擴(kuò)展和升級,可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型單機(jī)封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個(gè)具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程,包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素,因此,要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化,必須采用多變量的閉環(huán)控制,在實(shí)時(shí)加工過程中動態(tài)調(diào)整11加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動態(tài)全閉環(huán)控制模式,易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體,構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系,從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。4 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補(bǔ)償、動態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體,形成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系。