数控技术的应用和发展趋势

随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。数控技术是制造业实现这些先进制造技术的基础，而数控技术水平高低和数控设备拥有量是体现国家综合国力水平、衡量国家工业现代化的重要标志之一。

1.现代制造技术的发展趋势

21世纪是知识经济新时代，制造业作为我国新世纪的战略产业将面临剧烈的挑战和经历一场深刻的技术变革。在传统制造技术基础之上发展起来的先进制造技术代表了制造技术发展的前沿，对制造业的发展将产生巨大影响。当前先进制造技术的发展大致有以下特点。

1）信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合

随着信息技术向制造技术的注入和融合，信息技术促使制造技术不断地发展，使制造技术的技术含量提高，使传统制造技术发生质的变化，促进了加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。相继出现的各种先进制造模式，如CIMS、并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造等，均以信息技术的发展为支撑。

2）计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程分析（CAD/CAM/CAE）

制造信息的数字化，将实现CAD/CAM/CAE的一体化，使产品向无图纸制造方向发展。在发达国家的大型企业中，已广泛使用CAD/CAM，实现100%数字化设计。将数字化技术注入产品设计开发，提高了企业产品自主开发能力和产品档次，同时也提高了企业对市场的应变能力和快速响应能力。通过局域网实现企业内部并行工程，通过Internet建立跨地区的虚拟企业，实现资源共享，优化配置，也使制造业向互联网辅助制造方向发展。

3）加工制造技术向着超精密、超高速，以及发展新一代制造装备的方向发展

（1）超精密加工技术。超精密加工技术是为了获得被加工件的形状、尺寸精度和表面粗糙度均优于亚微米级的一门高新技术。超精密加工技术的加工精度由红外波段向可见光和不可见光的紫外波段趋近，目前加工精度达到0.025 μm，表面粗糙度达0.045 μm，已进入纳米级加工时代。美国为了适应航空、航天等尖端技术的发展，已研制出多种数控超精密加工车床，最大的加工直径可达1.63 m，定位精度为28 nm（10-9 m）。

（2）超高速切削。目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1 600 m/min，铸铁为1 500 m/min，超耐热镍合金为300 m/min，钛合金为200 m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。现代数控机床主轴的最高转速可达到10 000～20 000 r/min，采用高速内装式主轴电动机后，使主轴直接与电动机连接成一体，可将主轴转速提高到40 000～50 000 r/min。

（3）新一代制造装备的发展。市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发，如并联桁架式结构数控机床（俗称“六腿”机床），突破了传统机床的结构方案，采用可以伸缩的6条“腿”连接定平台和动平台，每个“腿”均由各自的伺服电动机和精密滚珠丝杠驱动，控制这6条“腿”的伸缩就可以控制装有主轴头的动平台的空间位置和姿势，满足刀具运动轨迹的要求。

4）工艺研究由“经验判断”走向“定量分析”

先进制造技术的一个重要发展趋势是通过计算机技术和模拟技术的应用，使工艺研究由“经验判断”走向“定量分析”，加工工艺由技艺发展为工程科学。

5）虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。

虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本。

虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。

2.数控机床和数控系统的发展方向

随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。

1）高速度、高精度化

高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不仅要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。

高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。

数控机床由于装备有新型的数控系统和伺服系统，使机床的分辨率（进给速度）达到0.1 μm（24 m/min）或1 μm（100～240 m/min），现代数控系统已经逐步由16位CPU系统过渡到32位CPU系统。日本产的FANUC 15系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位0.1 μm时，最大进给速度为100 m/min。FANUC 16和FANUC 18采用简化与减少控制基本指令的精简指令计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC），能进行更高速度的数据处理，使一个程序段的处理时间缩短到0.5 ms，连续1 mm移动指令的最大进给速度可达到120 m/min。

日本交流伺服电动机已装上每转可产生100万个脉冲的内藏位置检测器，其位置检测精度可达到0.01 mm/脉冲。补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿、刀具补偿等技术外，还开发了热补偿技术，减少由热变形引起的加工误差。

2）开放式

开放式要求新一代数控机床的控制系统是一种开放的、模块化的体系结构：系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准化的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。

为满足现代机械加工的多样化需求，新一代数控机床机械结构更趋向于开放式：机床结构按模块化、系列化原则进行设计与制造，以便缩短供货周期，最大限度满足用户的工艺需求。随着数控机床很多部件的质量指标不断提高，品种规格逐渐增加、机电一体化内容更加丰富，专门为数控机床配套的各种功能部件已完全商品化。

3）智能化

所谓智能化数控系统，是指数控系统具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征，自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

（1）在数控系统中引进自适应控制技术。数控机床中因工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、切削液等因素的变化将直接或间接影响加工效果。自适应控制技术是在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数，如切削力、切削温度等，通过评价函数计算和最佳化处理，对主轴转速、刀具（或工作台）进给速度等切削用量参数进行校正，使数控机床能够始终在最佳的切削状态下工作。

（2）设置故障自诊断功能。数控机床工作过程中出现故障时，控制系统能自动诊断，并立即采取措施排除故障，以适应长时间在无人环境下的正常运行要求。

（3）具有人机对话自动编程功能。可以把自动编程机具有的功能，装入数控系统，使零件的程序编制工作可以在数控系统上在线进行，用人机对话方式，通过CRT彩色显示和手动操作键盘的配合，实现程序的输入、编辑和修改，并在数控系统中建立切削用量专家系统，从而达到提高编程效率和降低操作人员技术水平的要求。

（4）应用图像识别和声控技术。图像识别和声控技术是指由机床自己辨别图样，并自动地进行数控加工的智能化技术和根据人的语言声音对数控机床进行自动控制的智能化技术。

4）复合化加工

复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现一机多能，最大限度提高机床的开机率和利用率。20世纪60年代初期，在一般数控机床的基础上开发了加工中心（MC），即自备刀库的自动换刀数控机床。在加工中心上，工件一次装夹后，机床的机械手可自动更换刀具，连续地对工件的各加工面进行多种工序加工。目前加工中心的刀库容量可多达120把左右，自动换刀装置的换刀时间为1～2 s。加工中心中除了镗铣类加工中心和车削类车削中心外，还出现了集成型车/铣加工中心、自动更换电极的电火花加工中心，带有自动更换砂轮装置的内圆磨削加工中心等。

随着数控技术的不断发展，原有机械分类的工艺性能界限被打破，出现了相互兼容、扩大工艺范围的趋势。复合化加工不仅是加工中心、车削中心等在同类技术领域内的复合，而且正向不同类技术领域内的复合发展。

多轴联动，是衡量数控系统的重要指标，现代数控系统的控制轴数可多达16轴，同时联动轴数已达到6轴。高档次的数控系统，还增加了自动上下料的轴控制功能，有的还在PLC里增加位置控制功能，以补充轴控制数的不足。这些改变将会进一步扩大数控机床的工艺范围。

5）高可靠性

高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键，因此需要选用高质量的印制电路和元器件，对元器件进行严格地筛选，建立稳定的制造工艺及产品性能测试等一整套质量保证体系。例如，在新型的数控系统中采用大规模、超大规模集成电路实现三维高密度插装技术，进一步地把典型的硬件结构集成化，做成专用芯片，提高了系统的可靠性。

现代数控机床均采用CNC系统，数控系统的硬件由多种功能模块制成，对于不同功能的模块可根据机床数控功能的需要选用，并可自行扩展，组成满意的数控系统。在CNC系统中，只要改变一下软件或控制程序，就能制成适应各类机床不同要求的数控系统。

现代数控机床都装备有各种类型的监控、检测装置，以及具有故障自动诊断与保护功能。能够对工件和刀具进行监测，发现工件超差，刀具磨损、破裂，能及时报警，给予补偿，或对刀具进行调换，具有故障预报和自恢复功能，保证数控机床长期可靠地工作。数控系统一般能够对软件、硬件进行故障自诊断，能自动显示故障部位及类型，以便快速排除故障。此外，系统中注意增强保护功能，如行程范围保护功能、断电保护功能等，以避免机床损坏和工件报废。

6）多种插补功能

数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插补等。

7）人机界面的友好

现代数控机床人机界面具有的特征为：

（1）现代数控机床具有丰富的显示功能，多数系统都具有实时图形显示、PLC梯形图显示和多窗口的其他显示功能；

（2）丰富的编程功能，像会话式自动编程功能、图形输入自动编程功能，有的还具有CAD/CAM功能；(www.xing528.com)

（3）方便的操作，有引导对话方式帮助使用者很快熟悉操作，设有自动工作手动参与功能；

（4）根据加工的要求，各系统都设了多种方便于编程的固定循环；

（5）伺服系统数据和波形的显示，伺服系统参数的自动设定；

（6）系统具有多种管理功能，刀具及其寿命的管理、故障记录、工作记录等；

（7）PLC程序编制方法增加，目前有梯形图编程（Ladder Language Program）方法、步进顺序流程图编程（Step Sequence Program）方法；

（8）帮助功能，系统不但显示报警内容，而且能指出解决问题的方法。

3.数控技术与计算机集成制造系统

1）柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）

FMC在早期是作为简单和初级的柔性制造技术而发展起来的。它在MC的基础上增加了托盘自动交换装置或机器人、刀具和工件的自动测量装置、加工过程的监控功能等，它和MC相比具有更高的制造柔性和生产效率。

图6-38为配有托盘交换系统的FMC。托盘上装夹有工件，在加工过程中，它与工件一起流动，类似通常的随行夹具。环形工作台用于工件的输送与中间存储，托盘座在环形导轨上由内侧的环链拖动而回转，每个托盘座上有地址识别码。当一个工件加工完毕，数控机床发出信号，由托盘交换装置将加工完的工件（包括托盘）拖至回转台的空位处，然后转至装卸工位，同时将待加工工件推至机床工作台并定位加工。

图6-38　配有托盘交换系统的FMC

1—环行工作台；2—托盘座；3—托盘；4—加工中心；5—托盘交换装置。

在车削FMC中一般不使用托盘交换工件，而是直接由机械手将工件安装在卡盘中，装卸料由机械手或机器人实现，如图6-39所示。

图6-39　机器人搬运式FMC

1—车削中心；2—机器人；3—物料传送装置。

FMC是在加工中心（MC）、车削中心（TC）的基础上发展起来的，又是FMS和CIMS的主要功能模块。FMC具有规模小、成本低（相对FMS）、便于扩展等优点，它可在单元计算机的控制下，配以简单的物料传送装置，扩展成小型的柔性制造系统，适用于中小企业。

2）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）

FMS是集自动化加工设备、物流和信息流自动处理为一体的智能化加工系统。FMS由一组CNC机床组成，它能随机地加工一组具有不同加工顺序及加工循环的零件。实行自动运送材料及计算机控制，以便动态地平衡资源的供应，从而使系统自动地适应零件生产混合的变化及生产量的变化。

图6-40为柔性制造系统框图。由图可见，柔性制造系统由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。

（1）加工系统。该系统由自动化加工设备、检验站、清洗站、装配站等组成，是FMS的基础部分。加工系统中的自动化加工设备通常由5～10台CNC机床、加工中心及其附属设备（例如工件装卸系统、冷却系统、切屑处理系统和刀具交换系统等）组成，可以以任意顺序自动加工各种工件、自动换工件和刀具。

FMS中常需在适当位置设置检验工件尺寸精度的检验站，由计算机控制的坐标测量机担任检验工作。其外形类似三坐标数控铣床，在通常安装刀具的位置上装置检测触头，触头随夹持主轴按程序相对工件移动，检测工件上一些预定点的坐标位置。计算机读入这些预定点的坐标值之后，经过运算和比较，可算出各种几何尺寸（如外圆内孔的直径、平面的平面度、平行度、垂直度等）的加工误差，并发出通过或不通过等命令。

清洗站的任务是清除工件夹具和装载平板上的切屑和油污。

装卸站设在物料处理系统中靠近自动化仓库和FMS的入口处。由于装卸操作系统较复杂，大多数FMS均采用人力装卸。

（2）物料输送系统。物料输送系统在计算机控制下主要实现工件和刀具的输送及入库存放，它由自动化仓库、自动输送小车、机器人等组成。

图6-40　柔性制造系统框图

在FMS中，工件一般通过专用夹具安装在托盘上，工件输送时连同整个托盘一起由自动输送小车进行输送。在计算机的控制下，根据作业调度计划自动从工件存贮区将工件取出送到指定的机床上加工，或者从机床上取出已完成该工序加工的工件送到另一机床上加工。

自动输送小车在自动化仓库和各个制造单元之间完成工件输送任务。

自动化仓库包括仓库多层货架、出入库装卸站、堆垛起重机、传动齿轮和导轨等组成，它能通过物料运贮工作站的指令实现毛坯、加工成品的自动入库及出库。

刀具输送是利用机器人实现刀具进出系统以及系统中央刀库和各加工设备刀库之间的刀具输送。

（3）信息系统。信息系统由主计算机、分级计算机及其接口、外围设备和各种控制装置的硬件和软件组成。其主要功能是实现各系统之间的信息联系，确保系统的正常工作。对FMS，计算机系统一般分为3级，第一级为主计算机，又称为管理计算机，其任务是：一是用来向下一级计算机实时发布命令和分配数据；二是用来实时采集现场工况；三是用来观察系统的运行情况。第二级为过程控制计算机，包括计算机群控（DNC）、刀具管理计算机和工件管理计算机，其作用是接受主计算机的指令，根据指令对下属设备实施具体管理。第三级由各设备的控制计算机构成，执行各种操作任务。

在FMS中，加工零件被装夹在随行夹具或托盘上，自动地按加工顺序在机床间逐个输送，工序间输送的工件一般不再重新装夹。专用刀具和夹具也能在计算机控制下自动调度和更换。如果在系统中设置有测量工作站，则加工零件的质量也能在测量工作站上检查，甚至进一步实现加工质量的反馈控制。系统只需要最低限度的操作人员，并能实现夜班无人作业，操作人员只负责起动和停止系统、装卸工件。由于FMS是具有很高柔性的自动化制造系统，因此它最适合于多品种、中小批量的零件生产。

3）DNC

DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control的简称，译为直接数字控制或分布数字控制。DNC最早的含义是直接数字控制，其研究开始于20世纪60年代。它指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC程序的管理和传送。当时的研究目的主要是为了解决早期数控设备（NC）因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高计算成本等问题。DNC的基本功能是下传NC程序。随着技术的发展，现代DNC还具有制造数据传送（NC程序上传、NC程序校正文件下载、刀具指令下载、托盘零点值下载、机器人程序下载、工作站操作指令下载等）、状态数据采集（机床状态、刀具信息和托盘信息等）、刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制和CAD/CAPP/CAM接口等功能。

4）计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）简介

CIMS是用于制造业工厂的综合自动化大系统。它在计算机网络和分布式数据库的支持下，把各种局部的自动化子系统集成起来，实现信息集成和功能集成，走向全面自动化，从而缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。它是工厂自动化的发展方向，未来制造业工厂的模式。

（1）CIMS的概念。计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂的全部生产活动——设计、制造及经营管理（包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产过程有关的物料流与信息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竞争。

（2）CIMS的构成。CIMS包括制造工厂生产、经营的全部活动，应具有经营管理、工程设计和加工制造等主要功能。图6-41为美国制造工程学会（SME）提出的CIMS轮式结构。其“核”为集成系统体系结构；内层为支撑分系统；中层可“水平”分解为工程设计（产品/工艺）、生产计划与生产控制，以及工厂自动化三个分系统；外层则有市场、战略规划、财务及制造管理和人力资源管理等分系统。

产品/工艺分系统主要包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助数控编程技术等，目的是使产品的开发更高效、优质、并自动化地进行。

柔性制造系统是制造模块的主体，主要包括：零件的数控加工、生产调度、刀具管理、质量检测和控制、装配、物料储运等。

信息管理模块主要包括：市场预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售及售后跟踪服务、成本核算、人力资源管理等，通过信息的集成，达到缩短产品生产周期、减少占用的流动资金、提高企业的应变能力。

公用数据库是CIMS的核心，对信息资源进行存储与管理，并与各个计算机系统进行通信，实现企业数据的共享和信息集成。

图6-41　CIMS轮式结构

由上述分析可知，CIMS是建立在多项先进制造技术基础上的高技术制造系统，为赶上工业先进国家的机械制造水平，我国863计划将CIMS作为自动化领域中的一个主题项目进行研究，开展了关键技术的攻关工作，确定了若干试点工厂，取得了一批重要的研究成果。CIMS的实施过程中要实现工程设计、制造过程、信息管理、工厂生产等技术和功能的集成，这种集成不是现有生产系统的计算机化，而原有的生产系统集成很困难，独立的自动化系统异构同化非常复杂，所以要考虑在实施CIMS计划时的收益和支出。