数控技术的现状及其发展趋势

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1、1数控技术的现状及其发展趋势综述07 模具设计与制造（4）班 殷勇引言: 近几十年来，随着科技的发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，尤其在航空、汽车等行业，复杂形状零件越来越多，精度要求也越来越高。同时，激烈的市场竞 争还要求产品的生产周期短。而传统的加工设备和制造方法已很难满足要求。因此， 能有效解决复杂、多变、精密零件加工问题的数控（NC）加工技术得到了迅速发展 和广泛应用。一. 数控加工技术的起源数控加工技术是 20 世纪 40 年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种 自动化加工技术。其研究起源于飞机制造业，1947 年，美国帕森斯（Parsons）公司为 了精确地制作直升机机

2、翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工 外形复杂零件的设想，他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到 刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015 英寸（0.0381mm） ，这在当时 的水平来看是相当高的。1949 年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的 火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所(Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of technology)合作，于 1952 年研制 成功世界上第一台数控机床三坐标立式铣床。可控制铣刀进行连续空间曲面的

3、加 工，揭开了数控加工技术的序幕。二数控技术的发展历程数控技术首先在机床行业得到应用，自从 20 世纪 50 年代初第一台数控机床诞生 以来，随着半导体技术、电子以及集成电路技术的发展，从 1952 年到 1970 年，分立 元件、电子管、印刷电路板、晶体管、中小规模集成电路先后在数控系统中得到应用， 构成了“硬联接”数控时代。这种系统的一切功能都由硬件实现，存在设计周期长， 结构复杂、可靠性差、编程困难，没有自诊断功能、成本高等问题。所以它的发展相 对缓慢，应用受到限制。 70 年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世给数控行业带来了 生机。随着这些技术的逐渐普及并被应用于数控系

4、统，数控系统中的许多功能由软件 实现，标志着“软联接”数控时代的到来，这不仅简化了系统设计，并增加了系统的 灵活性和可靠性。计算机数控技术从此诞生。 另一方面，大规模集成电路的应用，也使整机体积缩小，可靠性提高，同时数控 系统的规模生产和应用以及元器件价格的下降，使得数控系统的价格也跟着大幅度下 跌。 80 年代初，国际上又出现了以 13 台加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监 控检验装置即所谓的柔性制造单元 FMC（flexible manufacturing cell） 。它投资少， 见效快，既可以单独长时间少人看管，也可以集成 FMS 或集成在制造系统中使用，发 展很快。2此外，与数控

5、系统几乎同步发展的包括数控编程在内的 CAD/CAM 技术，经过不断 创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造、到推广应用和销售服务的完 整的高科技产业，成为当代最杰出的十大工程技术成就之一。在技术上，几何设计从 二维绘图、三维线架、曲面造型、实体造型发展到参数化特征造型；数控加工算法则 朝着以提高切削效率为前提的，基于多种几何模型并能进行粗精加工优化轨迹生成的 方向发展；工程分析也从数值计算发展到动态模拟仿真及各种信息的可视化。CAD/AM 软件产品从单一的二维绘图、几何造型、工程分析、数控编程软件发展成为集上述功 能于一体的集成化系统。如市场上已有的 UGII、Pro/Engine

6、ering、MasterCAM、CATIA、Euklid、CADAM 等。 同时，随着制造业对多变化、中批量的柔性制造和计算机综合制造的需要，FMS 和 CIMS（computer integrated manufacturing system）应运而生。 90 年代以来，受到通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以通用微机(个 人计算机PC)为基础、体系结构开放和智能化的方向发展，这是自有数控技术以来 最有深远意义的一次飞跃。1994 年基于 PC 的 NC 控制器在美国首先出现于市场，此后 得到迅速发展。三我国数控技术的发展及现状我国数控技术起步于 1958 年，50 多年的发展历程大

7、致可以分为三个阶段：第一阶 段从 1958 到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基 础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家“六五” “七五”期间以 及“八五”的前期。由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改 善，我国数控技术在研究、开发和产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段 是在国家“八五”的后期和“九五”期间，在此阶段，我国国产数控装备的产业化取 得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50%，配装国 产数控系统（普及型）的也达到了 10%。目前我国一部分普及型数控机床的生产已形成 一定的规模

8、，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争 力。此外，我国数控机床行业所掌握的五轴联动技术较为成熟，并已有成熟产品走向 市场。同时，我国已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行 列。我国现有数控机床生产厂家 100 多家，生产的数控产品达数千种以上。产品主要 分为经济型、普及型和高档型三种类型。在 CIMT2003 上，中国内地共展出机床 700 多 台，包括 600 多台金属切削机床和近 100 台金属成形机床展品中，数控类机床分别占 75%和 54%。这既体现了中国机床市场的需求趋势，也反映了中国在数控机床产业化方 面取得了突破性进展。但就整体来看，

9、我国目前占据市场的产品主要集中在经济型上， 而中高档产品的市场占有率仍然很小，与国外一些先进产品相比，在可靠性、稳定性、 速度和精度等方面均存在较大的差距。 与发达国家相比，我国数控行业仍然存在很多不足，主要表现在以下三个方面： 信息化技术基础薄弱，对国外技术依赖度高。我国数控行业总体的技术开发能 力和技术基础落后，信息化技术程度不高，行业现有的信息化技术来源主要依 靠引进国外技术，对国外技术的依赖度较高，并且对引进技术的消化仍停留在 掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创 新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的数控机 床基本上还依靠进口。

10、 产品成熟度较低，可靠性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000h 以上，3国内自主开发的数控系统仅 30005000h，整机平均无故障工作时间国外达 800h 以上，国内最好只有 300h。 创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多 数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低、制造成本高、产品 市场竞争力不强。四数控技术的发展趋势随着先进制造技术的兴起和不断成熟，传统的制造业开始了根本性的变革。各工 业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现 代制造系统中，数控技术是关键技术。目前，数控技术正由专用型封闭式开环控制模

11、式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式转变。在集成化基础上，数控系统实现了 超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络 等多学科技术。数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、 调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。当今数控机床正 在不断采用最新技术成就，朝着高速高精化、多功能化、智能化、自动化、高可靠性 及开放化等方向发展。（1）高速高精化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量，特 别是在超高速切削、超精密加

12、工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精 度提出了更高的要求。另外这两项技术指标又是相互制约的。现代数控机床配备了高 性能的数控系统及伺服系统，其位移分辨率和进给速度已可达到 1m（100240m/min） ，0.1m （24 m/min） ，0.01m（400800mm/min） 。为实现 更高速度及更高精度的指标，目前主要在下述几个方面采取措施和进行研究。 对于数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。 目前已由 8 位 CPU 过渡到 16 位和 32 位，并向 64 位 CPU 发展，频率已由原来的 5MHz 提高到 16MHz、20MHz 和 32MH

13、z。同时也采用了超大规模的集成电路和多微处理器结构， 以提高系统的数据处理能力，对于插补运算器若采用大规模集成专用芯片的硬件插补 方法，其插补速度要比软件快得多，如日本 FANUC 公司即采用 DDA 专用插补集成芯片。 对于伺服驱动系统。虽然当今最新的数字式交流伺服系统，在定位精度、进给 速度等性能上比以往的模拟式直流伺服系统有了极大的改进，但随着超高速切削、超 精密加工等先进加工工艺的提出，使得“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的这种传统机械进 给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的这种“零传动”直线 伺服进给方式，已在世界先进机床行业得到重视和应用。 前馈控制技术。所谓前馈控制

14、，就是在原来的控制系统上加上速度指令的方式， 这将使追踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机械动、静摩擦的非线性会导致机床 拖板爬行，除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动 补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔 性，以适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并4能实现复杂的控制算法，满足高性能控制要求。 超高速切削刀具的应用。目前陶瓷刀具（切削速度可达 500800m/min）和金 刚石涂层刀具（切削速度可高达 1200m/

15、min 以上）已开始得到应用。(2) 多功能化 数控机床采用一机多能，以最大限度地提高设备利用率。配有自动换刀机构 （刀库容量可达 100 把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣、镗、 钻、车、铰、扩孔、攻丝甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和不 同的工艺加工过程都能集中到同一台设备上来完成。从而避免了工件多次装夹所造成 的误差，同时减少了工件装夹辅助时间，及设备的占地面积。为了进一步提高工效， 现代数控机床又采用了多主轴、多面体切削，如各类五面体加工中心。另外，现代数 控系统的控制轴数也在不断增加，如西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 前台加工、后台编辑的

16、前后台功能。现代数控系统由于采用了多 CPU 结构和分 级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓“前台 加工，后台编辑” ，也就是说操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用 数控系统的键盘和 CRT 进行零件程序的编制，并利用 CRT 进行动态图形模拟显示其所 编程序的加工轨迹，进行零件程序的调试和修改，以充分提高其工作效益和机床利用 率。 具有更高的通信功能，为了适应 FMC、FMS 以及进一步联网组成 CIMS 的要求， 一般的数控系统都具有 RS-232C 和 RS-422 高速远距离串行接口。可以按照用户级的格 式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统还应具有 DNC 接口，可 以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。 现代数控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越 大的要求，以及不同厂家不同类型数控机床联网的需要，已采用了 MAP 工业控制网络， 现在已经实现了 MAP3.0 版本，为