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1、哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述11.3.3发展趋势发展趋势l运行高速化运行高速化l加工高精化加工高精化l功能复合化功能复合化l控制智能化控制智能化l体系开放化体系开放化l驱动并联化驱动并联化l交互网络化交互网络化 进进入入九九十十年年代代以以来来，随随着着国国际际上上计计算算机机技技术术突突飞飞猛猛进进的的发发展展，数数控控技技术术不不断断采采用用计计算算机机、控控制制理理论论等等领领域域的的最最新新技技术术成成就就，使使其其朝朝着着下述方向发展下述方向发展哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述21.3.3.1运行高速化运行高速化l 运行高速化、
2、加工高精化运行高速化、加工高精化 速速度度和和精精度度是是数数控控设设备备的的两两个个重重要要指指标标，它它们们是是数数控控技技术术永永恒恒追追求求的的目目标标。因因为为它它直直接接关关系系到到加加工工效效率率和和产产品品质质量量。新新一一代代数数控控设设备备在在运运行行高高速速化化、加加工工高高精精化化等等方方面面都都有有了了更更高高的要求。的要求。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述31.3.3.1运行高速化运行高速化l运运行行高高速速化化：运运行行使使进进给给率率、主主轴轴转转速速、刀刀具具交交换换速速度度、托托盘盘交交换换速速度度实实现现高高速速化化，并并且且具具
3、有高加（减）速率。有高加（减）速率。1.进给率高速化：进给率高速化：在在分分辨辨率率为为1 m时时，Fmax=240m/min。在在Fmax下下可可获获得得复杂型面的精确加工；复杂型面的精确加工；在在程程序序段段长长度度为为1mm时时，Fmax=30m/min，并并且且具具有有1.5g的加减速率；的加减速率；哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述41.3.3.1运行高速化运行高速化2.主主轴轴高高速速化化：采采用用电电主主轴轴（内内装装式式主主轴轴电电机机），即即主主轴轴电机的转子轴就是主轴部件。电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达主轴最高转速达200000r/min。
4、主主轴轴转转速速的的最最高高加加（减减）速速为为1.0g，即即仅仅需需1.8秒秒即即可可从从0提速到提速到15000r/min。3.换刀速度换刀速度 0.9秒（刀到刀）秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）秒（切削到切削）4.工作台（托盘）交换速度工作台（托盘）交换速度 6.3秒。秒。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述51.3.3.2加工高精化加工高精化l加加工工高高精精化化：提提高高机机械械设设备备的的制制造造和和装装配配精精度度；提提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。1.提高提高CNC系统控制精度：系统控制精度：采采用用高高
5、速速插插补补技技术术，以以微微小小程程序序段段实实现现连连续续进进给给，使使CNC控制单位精细化，控制单位精细化，采采用用高高分分辨辨率率位位置置检检测测装装置置，提提高高位位置置检检测测精精度度（日日本本交交流流伺伺服服电电机机已已有有装装上上106 脉脉冲冲/转转的的内内藏藏位位置检测器，其位置检测精度能达到置检测器，其位置检测精度能达到0.01 m/脉冲）；脉冲）；位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述61.3.3.2加工高精化加工高精化2.采用误差补偿技术：采用误差补偿技术：采采
6、用用反反向向间间隙隙补补偿偿、丝丝杆杆螺螺距距误误差差补补偿偿和和刀刀具具误误差补偿等技术差补偿等技术;设设备备的的热热变变形形误误差差补补偿偿和和空空间间误误差差的的综综合合补补偿偿技技术术。研研究究结结果果表表明明，综综合合误误差差补补偿偿技技术术的的应应用用可可将将 加加 工工 误误 差差 减减 少少 60 80。三三 井井 精精 机机 的的JidicH5D型型超超精精密密卧卧式式加加工工中中心心的的定定位位精精度度为为0.1 m。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述71.3.3.2加工高精化加工高精化 由由于于计计算算机机技技术术的的不不断断进进步步，促促进进了了
7、数数控控技技术术水水平平的的提提高高，数数控控装装置置、进进给给伺伺服服驱驱动动装装置置和和主主轴轴伺伺服服驱驱动动装装置置的的性性能能也也随随之之提提高高，使使得得现现代代的的数数控控设设备备在在新新的的技技术术水水平平下下，可可同同时时具具备备运运行行高高速速化化、加加工工高精化的性能。高精化的性能。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述81.3.3.3功能复合化功能复合化l复复合合化化是是指指在在一一台台设设备备能能实实现现多多种种工工艺艺手手段段加加工工的的方方法。法。镗镗铣铣钻钻复复合合加加工工中中心心（ATC）、五五面面加加工工中中心心（ATC，主主轴轴立卧转换
8、）；立卧转换）；车铣复合车铣复合车削中心（车削中心（ATC，动力刀头）；动力刀头）；铣镗钻车复合铣镗钻车复合复合加工中心（复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合铣镗钻磨复合复合加工中心（复合加工中心（ATC，动力磨头）；动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床可更换主轴箱的数控机床组合加工中心。组合加工中心。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述91.3.3.4控制智能化控制智能化l 随随着着人人工工智智能能技技术术的的不不断断发发展展，并并为为满满足足制制造造业业生生产产柔柔性性化化、制制造造自自动动化化发发展展需需求求，数数控控技技术术智智
9、能能化化程程度度不不断断提提高高，具具体体体体现现在在以以下下几几个方面：个方面：哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述101.3.3.4控制智能化控制智能化1.加工过程自适应控制技术加工过程自适应控制技术 通通过过监监测测加加工工过过程程中中的的切切削削力力、主主轴轴和和进进给给电电机机的的功功率率、电电流流、电电压压等等信信息息，利利用用传传统统的的或或现现代代的的算算法法进进行行识识别别，以以辩辩识识出出刀刀具具的的受受力力、磨磨损损以以及及破破损损状状态态，机机床床加加工工的的稳稳定定性性状状态态；并并根根据据这这些些状状态态实实时时修修调调加加工工参参数数（主主轴
10、轴转转速速，进进给给速速度度）和和加加工工指指令令，使使设设备备处处于于最最佳佳运运行行状状态态，以以提提高高加加工工精精度度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述111.3.3.4控制智能化控制智能化Mitsubishi Electric 公公司司的的用用于于数数控控电电火火花花成成型型机机床床的的“Miracle Fuzzy”基基于于模模糊糊逻逻辑辑的的自自适适应应控控制制器器，可可自自动动控控制和优化加工参数；制和优化加工参数；日日本本牧牧野野在在电电火火花花NC系系统统Makino_M
11、ce20中中，用用专专家家系系统统代代替人进行加工过程监控。替人进行加工过程监控。以色列的外置式力自适应控制器以色列的外置式力自适应控制器意大利意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。国国内内清清华华和和华华中中科科大大的的自自适适应应控控制制技技术术的的研研究究已已取取得得成成果果。正在进行商品化开发。正在进行商品化开发。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述121.3.3.4控制智能化控制智能化2.加工参数的智能优化与选择加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规将工艺专家或技工
12、的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。工作状态。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述131.3.3.
13、4控制智能化控制智能化目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。家系统。日本大隈公司的日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。动编程功能。国内清华和华中科大在加工参数的智能优化与选择及国内清华和华中科大在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实用化开发。用化开发。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述141.3.3.4控制智能化控制智能化3.智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 智能
14、故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法（法（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。等），实现故障快速准确定位的技术。智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。于加工过程的整个生命周期。智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的
15、数控系统中智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。智能化自修复技术还在研究之中。智能化自修复技术还在研究之中。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述151.3.3.4控制智能化控制智能化4.智能化交流伺服驱动装置智能化交流伺服驱动装置 目目前前已已开开始始研研究究能能自自动动识识别别负负载载，并并自自动动调调整整参参数数的的智智能能化化伺伺服服系系统统，包包括括智智能能主主轴轴交交流流驱驱动动装装置置和和智智能能化化进进给给伺伺服服装装置置。这这种种驱驱动动装装置置能能自自动动识识别
16、别电电机机及及负负载载的的转转动动惯惯量量，并并自自动动对对控控制制系系统统参参数数进进行行优优化化和和调调整整，使使驱驱动动系系统获得最佳运行。统获得最佳运行。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述161.3.3.4控制智能化控制智能化5.智能智能4M数控系统数控系统 在在制制造造过过程程中中，加加工工、检检测测一一体体化化是是实实现现快快速速制制造造、快快速速检检测测和和快快速速响响应应的的有有效效途途径径，将将测测量量(Measurement)、建建模模(Modelling)、加加 工工(Manufacturing)、机机 器器 操操 作作(Manipulator)四
17、四者者（即即4M）融融合合在在一一个个系系统统中中，实实现现信信息息共共享享，促促进进测测量量、建建模模、加加工工、装装夹夹、操操作作一一体体化化的的4M智智能系统。能系统。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述171.3.3.5体系开放化体系开放化 定定义义（IEEE）：具具有有在在不不同同的的工工作作平平台台上上均均能能实实现现系系统统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：开放式数控系统特点：系系统统构构件件（软软件件和和硬硬件件）具具有有标标准准化化(Standardization)与与多多样样
18、化化(Diversification)和和互互换换性性(Interchangeability)的特征的特征允允许许通通过过对对构构件件的的增增减减来来构构造造系系统统，实实现现系系统统“积积木木式式”的集成。构造应该是可移植的和透明的；的集成。构造应该是可移植的和透明的；哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述181.3.3.5体系开放化体系开放化1.开放体系结构开放体系结构CNC的优点的优点向向未未来来技技术术开开放放：由由于于软软硬硬件件接接口口都都遵遵循循公公认认的的标标准准协协议议，只只需需少少量量的的重重新新设设计计和和调调整整，新新一一代代的的通通用用软软硬硬件件
19、资资源源就就可可能能被被现现有有系系统统所所采采纳纳、吸吸收收和和兼兼容容，这这就就意意味味着着系系统统的的开开发发费费用用将将大大大大降降低低而而系系统统性性能能与与可可靠靠性性将将不不断改善并处于长生命周期；断改善并处于长生命周期；标标准准化化的的人人机机界界面面：标标准准化化的的编编程程语语言言，方方便便用用户户使使用用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述191.3.3.5体系开放化体系开放化向向用用户户特特殊殊要要求求开开放放：更更新新产产品品、扩扩充充能能力力、提提供供可可供供选选择择的的
20、硬硬软软件件产产品品的的各各种种组组合合以以满满足足特特殊殊应应用用要要求求，给给用用户户提提供供一一个个方方法法，从从低低级级控控制制器器开开始始，逐逐步步提提高高，直直到到达达到到所所要要求求的的性性能能为为止止。另另外外用用户户自自身身的的技技术术诀诀窍窍能能方便地融入，创造出自己的名牌产品；方便地融入，创造出自己的名牌产品；可可减减少少产产品品品品种种，便便于于批批量量生生产产、提提高高可可靠靠性性和和降降低低成成本，增强市场供应能力和竞争能力。本，增强市场供应能力和竞争能力。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述201.3.3.5体系开放化体系开放化2.国内外开放
21、式数控系统的研究进展国内外开放式数控系统的研究进展美国：美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划计划欧共体：欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划计划日本：日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划计划华中华中I型型基于基于IPC的的CNC开放体系结构开放体系结
22、构航天航天I型型CNC系统系统基于基于PC的多机的多机CNC开放体系结构开放体系结构哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述5:50 AM211.3.3.6 驱动并联化驱动并联化驱动杆驱动杆机架机架 动平台动平台主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机主轴主轴刀具刀具柔性夹具柔性夹具工件工件静平台静平台图图 并联机床结构示意图并联机床结构示意图并并联联加加工工中中心心（又又称称6条条腿腿数数控控机机床床、虚虚轴轴机机床床）是是数数控控机机床床在在结结构构上上取取得得的的重重大大突突破。破。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述221.3.3.6驱动并联化驱动并联化
23、特点特点并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；由由于于它它没没有有传传统统机机床床所所必必需需的的床床身身、立立柱柱、导导轨轨等等制制约约机机床床性能提高的结构，性能提高的结构，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述231.3.3.6驱动并联化驱动并联化 鉴鉴于于并并联联机机床床具具有有许许多多传传统统机机床床所所无无法法比比拟拟的的卓卓越越性性能能，它它作作为为一一种种新新型型的的加加工工设设备备，已已成
24、成为为当当前前机机床床技技术术的的一一个个重重要要研研究究方方向向。近近年年来来，受受到到了了国国际际机机床床行行业业的的高高度度重重视视。在在近近几几年年的的国国际际知知名名机机床床博博览览会会上上，一一些些世世界界著著名名的的机机床床厂厂商商都都展展出出了了他他们们研研制制的的并并联联机机床床，得得到到了了行行家家们们的的高高度度评评价价，被被认认为为是是“自自发发明明数数控控技技术术以以来来在在机机床床行行业业中中最最有有意意义的进步义的进步”，“21世纪新一代数控加工设备世纪新一代数控加工设备”。哈工大哈工大 现代数控技术现代数控技术 第第1章概述章概述241.3.3.7交互网络化交互网络化 支支持持网网络络通通讯讯协协议议，既既满满足足单单机机需需要要，又又能能满满足足FMC、FMS、CIMS对对基基层层设设备备集集成成要要求求的的数数控控系系统统，该该系统是形成系统是形成“全球制造全球制造”的基础单元。的基础单元。网络资源共享。网络资源共享。数控机床的远程（网络）监视、控制。数控机床的远程（网络）监视、控制。数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）数数控控装装备备的的数数字字化化服服务务（数数控控机机床床故故障障的的远远程程（网网络）诊断、远程维护、电子商务等）。络）诊断、远程维护、电子商务等）。