分析数控系统.发展趋势的特点和优化方法

1.发展趋势

（1）机床的高速化 随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。高速加工不仅是设备本身，而是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术，以及人员素质的集成。高速化的最终目的是高效化，机床仅是实现高效的关键之一，绝非全部，生产率和效益在“刀尖”上。

（2）机床的精密化 按照加工精度，机床可分为普通机床、精密机床和超精机床，加工精度大约每8年提高一倍。数控机床的定位精度即将告别微米时代而进入亚微米时代，超精密数控机床正在向纳米进军。在未来10年，精密化将与高速化、智能化和微型化汇合而成新一代机床。机床的精密化不仅是汽车、电子、医疗器械等工业的迫切需求，还直接关系到航空航天、导弹卫星、新型武器等国防工业的现代化。

（3）发展历程 20世纪70年代出现的加工中心开多工序集成之先河，现已发展到完整加工，即在一台机床上完成复杂零件的全部加工工序。完整加工通过工艺过程集成，一次装卡就把一个零件加工过程全部完成。由于减少装夹次数，提高了加工精度，易于保证过程的高可靠性和实现零缺陷生产。此外，完整加工缩短了加工过程链和辅助时间，减少了机床台数，简化了物料流，提高了生产设备的柔性，生产总占地面积小，使投资更加有效。

（4）机床的信息化机床 信息化的典型案例是Mazak410H，该机床配备有信息塔，实现了工作地的自主管理。信息塔具有语音、文本和视像等通信功能，与生产计划调度系统联网，下载工作指令和加工程序。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。信息塔实时反映机床工作状态和加工进度，并可以通过手机查询。信息塔同时进行工作地数据统计分析和刀具寿命管理，以及故障报警显示、在线帮助排除。机床操作权限需经指纹确认。

（5）机床的智能化 机床智能化包括在线测量、监控和补偿，数控机床的位置检测及其闭环控制就是简单的应用案例。为了进一步提高加工精度，对机床的圆周运动精度和刀头点的空间位置，可以通过球杆仪和激光测量后，输入数控系统加以补偿。未来的数控机床将会配备各种微型传感器，以监控切削力、振动、热变形等所产生的误差，并自动加以补偿或调整机床工作状态，以提高机床的工作精度和稳定性。

（6）机床的微型化 随着纳米技术和微机电系统的迅速进展，开发加工微型零件的机床已经提到日程上来了。微型机床同时具有高速和精密的特点，最小的微型机床可以放在掌心之中，一个微型工厂可以放在手提箱中。操作者通过手柄和监视屏幕控制整个工厂的运作。

（7）新的并联机构原理 传统机床是按笛卡尔坐标将沿3个坐标轴线的移动X、Y、Z和绕3个坐标轴线转动A、B、C依次串联叠加，形成所需的刀具运动轨迹。并联运动机床是采用各种类型的杆机构在空间移转主轴部件，形成所需的刀具运动轨迹。并联运动机床具有结构简单紧凑、刚度高、动态性能好等一系列优点，应用前景广阔。

（8）新的工艺过程 除了金属切削和锻压成形外，新的加工工艺方法和过程层出不穷，机床的概念正在变化。激光加工领域日益扩大，除激光切割、激光焊接外，激光孔加工、激光三维加工、激光热处理、激光直接金属制造等应用日益广泛。电加工、超声波加工、叠层铣削、快速成型技术、三维打印技术各显神通。

（9）新结构和新材料 机床高速化和精密化要求机床的结构简化和轻量化，以减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响，大幅度提高机床的动态性能。例如，借助有限元分析对机床构件进行拓扑优化，设计箱中箱结构，以及采用空心焊接结构或铅合金材料，已经从实验室走向实用。

（10）新方法和手段 我国机床设计和开发手段要尽快从甩图板的二维CAD向三维CAD过渡。三维建模和仿真是现代设计的基础，是企业技术优势的源泉。在此三维设计基础上进行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，可以加快新产品的开发速度，保证新产品的顺利投产，并逐步实现产品生命周期管理。

（11）直接驱动技术 在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件（如传送带、齿轮和联轴器等）加以连接，实现部件所需的移动或旋转，机和电是分家的。直接驱动技术是将电动机与机械部件集成为一体，成为机电一体化的功能部件，如直线电动机、电主轴、电滚珠丝杆和力矩电动机等。直接驱动技术简化了机床结构，提高了机床的刚度和动态性能、运动速度和加工精度。

（12）开放式数控系统 数控系统的开放是大势所趋，目前开放式数控系统有以下三种形式：

1）全开放系统。即基于微机的数控系统，以微机作为平台，采用实时操作系统，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动机的运动。

2）嵌入系统，即CNC+PC，CNC控制坐标轴电动机的运动，PC作为人机界面和网络通信。

3）融合系统，在CNC的基础上增加PC主板，提供键盘操作，提高人机界面功能，如Siemens840Di和FANUC210i、LYNUCG-SPEED等。当代开放式数控系统的必需功能如图1-5所示。

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图1-5 当代开放式数控系统的必需功能

（13）可重组制造系统 随着产品更新换代速度的加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要起来。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液和气以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。

（14）虚拟机床 为了加快新机床的开发速度和质量，在设计阶段借助虚拟现实技术，可以在机床还没有制造出来以前，就能够评价机床设计的正确性和使用性能，在早期发现设计过程的各种失误，减少损失，提高新机床开发的质量。

2.我国使用的主要数控系统类型

（1）西门子数控系统 西门子840D/810D是几乎同时推出的，具有非常高的系统一致性，显示/操作面板、机床操作面板、S7-300PLC、输入/输出模块、PLC编程语言、数控系统操作、工件程序编程、参数设定、诊断、伺服驱动等许多部件均相同。

SINUMERIK 810D是840D的CNC和驱动控制集成型，SINUMERIK 810D系统没有驱动接口，SINUMERIK 810D NC的软件基本包含了840D的全部功能。

采用PROFIBUS-DP现场总线结构西门子840Di系统，全PC集成的SINU-MERIK 840Di数控系统提供了一个基于PC的控制概念。

（2）FANUC数控系统 FANUC数控系统以其通用性强为特点，在数控机床控制器中占有量非常大，大多数数控机床都是FAUNC控制器。

早期的数控系统是0i及18i系列。功能比较齐全、易用的是FANUC 31i。但FANUC早期的传统式控制器（如FANUC0系列）占领了大部分市场，近年来逐步被开放式控制器（如FANUC 18i，16i，31i）取代，这类控制器结构复杂，功能强大，但价格也非常昂贵。FANUC31i只用于本公司的钻铣攻牙机上，不对外销售。

（3）三菱数控系统 三菱电机自动化的产品被广泛应用于机械、冶金、电力等多个领域。主要代表产品有M70及M700系列。

M700系列可用于精密模具加工，能预读大程序，进行微小线段的加工。

（4）广州数控（GSK）系统 广州数控为用户提供GSK全系列机床控制系统、进给伺服驱动装置和伺服电动机、大功率主轴伺服驱动装置和主轴伺服电动机等数控系统的集成解决方案，积极推广机床数控化改造服务，开展数控机床贸易。GSK拥有国内最大的数控系统研发生产基地。

广州数控系统主要应用于数控车床。

（5）华中数控系统 华中数控系统有限公司成立与1995年，由华中理工大学、中国国家科技部、武汉市科委、武汉市东胡高新技术开发区、香港大同工业设备有限公司等政府部门和企业共同投资组建。华中数控是政府主导的企业，其数控销售主要针对国有企事业或校企单位。

（6）上海铼钠克数控系统 上海铼钠克数控系统是近些年来发展起来的开放式数控系统，基于PC+NC的数控模式，该数控系统将LCD与控制单元集成于一体，不仅极大地节省了空间，而且还优化了操作性和安装的简易性。开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势，其给数控系统生产商、机床制造商以及用户都带来了很多好处。基于PC的开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用PC丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真等功能。模块化的程序设计使系统的通用性、扩展性和可移植性大大增强，有利于系统的功能扩展。

LYNUC开放式数控系统具有如下特点：先进的GACC高速度高精度轮廓控制功能实现了高速度、高精度加工；支持1000行NC指令预读，实现了加工轨迹模拟、加工速度、加速度、加加速度的全程监控；可以预测机床震动和加工面的表面质量；支持2G超大文件的编辑和加工、支持断点、断电复位加工；智能编辑NC程序，实现高效、可靠的零件加工；网络化管理，支持远程服务和在线版本升级；支持各种电动机，如步进电动机、AC伺服电动机、直线电动机等；其应用范围为加工中心、雕刻机、鞋楦机、磨床、CNC自动车床、电加工等。