【文章內(nèi)容簡介】 APT/SS（ Sculptured Surface） (增加雕塑曲面加工編程 功能 )等先進版。 采用 APT 語言編制數(shù)控程序具有程序簡煉，走刀控制靈活等優(yōu)點，使數(shù)控加工編程從面向機床指令的 “ 匯編語言 ” 級，上升到面向幾何元素 ，但 APT 仍有許多不便之處：采用語言定義零件幾何形狀，難以描述復雜的幾何形狀，缺乏幾 7 何直觀性；缺少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段；難 以和 CAD 數(shù)據(jù)庫和 CAPP 系統(tǒng)有效連接；不容易做到高度的自動化，集成化。 針對 APT 語言的缺點， 1978 年，法國達索飛機公司開始開發(fā)集三維設計、分析、 NC 加工一體化的 系統(tǒng)，稱為為 CATIA。隨后很快出現(xiàn)了象 EUCLID， UGII，INTERGRAPH， Pro/Engineering， MasterCAM 及 NPU/GNCP 等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都有效的解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設計、修改及刀具軌跡生成，走刀過程的仿真顯示、驗證等問題，推動了 CAD 和 CAM向一體化方向發(fā)展。到了80 年代，在 CAD/CAM 一體化概念的基礎上，逐步形成了計算機集成制造系統(tǒng)（ CIMS）及并行工程（ CE）的概念。 20 世紀 90年代中期以后，數(shù)控自動編程系統(tǒng)更是向著集成化、智能化、網(wǎng)絡化、并行化 和虛擬化方向迅速發(fā)展，標志著更新的自動編程系統(tǒng)的發(fā)展潮流和方向。 我國的自動編程系統(tǒng)發(fā)展較晚，但進步很快，目前主要有用于航空零件加工的 SKC 系統(tǒng)以及 ZCK、 ZBC系統(tǒng)和用于線切割加工的 SKG 系統(tǒng)等。 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，數(shù)控系統(tǒng)正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發(fā)展，其主要研究熱點有以下幾個方面： 性能發(fā)展方面 （ 1）高速化 可通過高速運算技術(shù)、快速插補運算技術(shù)、超高速通信技術(shù)和高速主軸等技術(shù)來實現(xiàn)高速化。 機床向 高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。依靠快速、準確的數(shù)字量傳遞技術(shù)對高性能的機床執(zhí)行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理，由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達到 5000米 ~8000 米 /分以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在 30000 轉(zhuǎn) /分 (有的高達 10 萬轉(zhuǎn) /分 )以上；工作臺的移動速度：（進給速度），在分辨率為 1 微米時，在 100 米 /分（有的到 200 米 /分）以上，在分辨率 為 微米時，在 24 米 /分以上；自動換刀速度在 1 秒以內(nèi)；小線段插補進給速度達到 12 米 /分。根據(jù)高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動技術(shù)的飛速發(fā)展，高速直線電機的推廣應用，開發(fā)出一批高速、高效的高速響應的數(shù)控機床以滿足汽車、農(nóng)機等行業(yè)的需求。還由于新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，模 8 具、航空、軍事等工業(yè)的加工零件不但復雜而且品種增多。 （ 2）高精度化 高精度化一直是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展追求的目標。它包括機床制造的幾何精度和機床使用的加工精度兩方面。 提高數(shù)控機床的加工精度，一般是通過減少數(shù)控系統(tǒng)誤差，提 高數(shù)控機床基礎大件結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性，采用補償技術(shù)和輔助措施來達到的。在減少 CNC系統(tǒng)誤差方面，通常采用提高數(shù)控系統(tǒng)分辨率，使 CNC 控制單元精細化，提高位置檢測精度以及在位置伺服系統(tǒng)中為改善伺服系統(tǒng)的相應特征，采用前饋和非線性控制的方法。在采用補償技術(shù)方面，采用齒縫補償、絲杠螺母誤差補償、刀具補償、熱變形誤差補償和空間誤差綜合補償?shù)取? 從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（ 10nm），其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括 超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等）。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機床，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應現(xiàn)代科技的發(fā)展。 （ 3）高可靠性 數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關鍵性指標。衡量可靠性的重要量化指標是平均無故障工作時間 MTBF（ Mean Time Between Failures），現(xiàn)在數(shù)控機床整機的 MTBF 已達到 800h 以上，數(shù)控系統(tǒng)的 MTBF 已達到 125 個月以上。提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性通?？刹捎萌哂嗉夹g(shù)，故障診斷技術(shù)，自動檢錯、糾錯技術(shù)，系統(tǒng)恢復技術(shù)，軟件可靠性技術(shù)等技術(shù)。 目前，很多企業(yè)正在對可靠性設計技術(shù)，可靠性試驗技術(shù)，可靠性評價技術(shù)可靠性增長技術(shù)以及可靠性管理與可靠性保證體系等進行深入研究和廣泛應用，以期望是數(shù)控機床整機可靠性能提高到一個性的水平。 （ 4）高柔性化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力。目前，再進一步提高單元柔性自動化加工的同時，正努力向單元柔性和系統(tǒng) 柔性化發(fā)展，如體現(xiàn)系統(tǒng)柔性化的 FMC和 FMS 發(fā)展迅速。 作為數(shù)控機床的大腦 —— 數(shù)控系統(tǒng)，在 21 世紀將具有最大限度的柔性，能實現(xiàn)多種用途，具體指具有開放性體系結(jié)構(gòu)。通過重構(gòu)，編輯，系統(tǒng)的組成視需要可大可??；功能可專用也可通用，功能價格比可調(diào)；可以集成用戶的技術(shù)訣竅，形成名牌產(chǎn)品。 9 （ 5）高一體化 CNC 系統(tǒng)與加工過程作為一個整體，實現(xiàn)機電光聲綜合控制；測量造型、加工一體化；加工、實時檢測與修正一體化；機床主機設計與數(shù)控系統(tǒng)設計一體化。 （ 6）網(wǎng)絡化 實現(xiàn)多種通迅協(xié)議，既滿足單機需 要，又能滿足 FMC、 FMS、 CIMS 對基層設備的要求，同時便于形成“全球制造”的基礎單元。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡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)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在 EM0200l 展中，日本山崎馬扎克公司展出的“ CyberProduction Center” (智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)；日本大隈機床公司展出的“ IT plaza” (信息技術(shù)廣場，簡稱 IT 廣場 )；德 國西門子公司展出的“ Open Manufac— tufing Environment” (開放式制造環(huán)境，簡稱 OME)等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 （ 7）智能化 21 世紀的 CNC 系統(tǒng)將是一個高度智能化的系統(tǒng)，具體指系統(tǒng)應在局部或全部實現(xiàn)加工過程自適應、自診斷、自調(diào)整；多媒體人機接口使用戶操作簡單，智能編程使編程更加直觀，不僅可以使用多種高級語言編程，還可用類自然語言編程；加工數(shù)據(jù)的自生成及智能數(shù)據(jù)庫；智能監(jiān)控等。 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：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、電動機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載、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、 specid Repons 綜述能化的人機界面等；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。日本 MAZAK 株式會社的日本工廠是世界上為數(shù)不多的智能管理的代表。整個工廠實行計算機網(wǎng)絡智能化管理。智能生產(chǎn)中心通過機床的數(shù)控系統(tǒng)、生產(chǎn)線上的網(wǎng)絡管理 Pc 機、立體倉庫的計算機進行管理。智能生產(chǎn) 中心由 CAM— WARE輔助制造編程系統(tǒng)、智能化日程管理系統(tǒng)、智能化工具管理系統(tǒng)、智能化監(jiān)控系統(tǒng)組成。馬扎克公司在中國的企業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)控機床用以太網(wǎng)并與智能生產(chǎn)中心相連。在此基礎上再借助以太網(wǎng)與企業(yè)上層的 CAD／ MRP(EPR)等系統(tǒng)聯(lián)接，實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，建立了智能網(wǎng)絡化工廠。 功能發(fā)展方面 （ 1）用戶界面圖形化 10 用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口，圖形用戶界面要適合各種用戶包括非專業(yè)用戶的使用，通過窗口和萊單進行操作，可實現(xiàn)圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤、仿真和快速編程等功能。 （ 2）科學計 算可視化 信息交流已不再局限于用文字和語言表達，可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g(shù)可用于 CAD／ CAM、參數(shù)自動設定、刀具補償、顯示及加工過程的可視化仿真等。如最近廈門創(chuàng)壹軟件有限公司開發(fā)的數(shù)控機床虛擬實現(xiàn)技術(shù)，用可視化 3D 技術(shù)展示了對數(shù)控機床的故障診斷與維修等功能。 （ 3）插補和補償多樣化 插補方式有直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、多項式插補等。補償功能有垂直度補償、間隙補償、圓弧插補時過象限的誤差補償、螺量系統(tǒng)誤差補償、刀具半徑補償、溫度補償?shù)取? （ 4）高性能的內(nèi)置 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能的 PLC，可直接用梯形圖或高級語言編程，可在線調(diào)試和在線編輯修改，建立自己的應用程序。 （ 5）多媒體技術(shù)應用 計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控系統(tǒng)，應用多媒體技術(shù)對各種信息可進行綜合化，智能化處理。 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方面 （ 1）集成化 采用高度集成化 CPU、 RISC 芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐?，及專用集成電路芯片，提高數(shù)控系統(tǒng)的集成電路密度和軟硬件運行速度及系統(tǒng)的可靠性。 （ 2）模塊化 實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標準化，將 CPU、存儲器、位 置伺服、 PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產(chǎn)品，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。 數(shù)控機床的綠色制造 所謂綠色制造 (Green Manufacturing， GM)，就是應用綠色設計、使用綠色設備、綠色材料、綠色能源制造綠色產(chǎn)品，一直到產(chǎn)品使用壽命完結(jié)后的綠色處理的全過程。在這個過程中，要使資源利用率最高，消耗最低，環(huán)境污染最小。 綠色制造技術(shù)涉及到現(xiàn)代設計技術(shù)、先進制造工藝及設備、環(huán)境技術(shù)標準、環(huán)境工程技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、通信網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)庫支撐技術(shù)、并行工程技術(shù)以及 11 政策法規(guī)等等。而這些技術(shù) 又集中體現(xiàn)在充分利用數(shù)控設備資源方面。因此，充分利用數(shù)控設備資源，提高數(shù)控設備資源利用率就成了綠色制造的重中之重。 在綠色制造的產(chǎn)業(yè)鏈中，充分利用數(shù)控設備資源對于推進綠色制造具有重要意義，受到發(fā)達國家的重視；雖然我國的數(shù)控設備的應用技術(shù)比發(fā)達國家落后，但近幾年有了長足的發(fā)展，目前數(shù)控設備的用量約有 100 萬臺，也很可觀。我國軍工行業(yè)進行了以提高數(shù)控設備資源利用率為目標的應用技術(shù)攻關，攻關取得了重大進展，試點效果顯著，為探索綠色制造的發(fā)展方向和重點，起到了示范作用。 1 綠色制造的重要意義和國內(nèi)外簡況 隨著世界 人口的日益膨脹，對自然資源的開采利用達到了無以復加的地步?？砷_采利用的礦產(chǎn)資源越來越少，制造生產(chǎn)的日用消費品和生產(chǎn)資料消費品越來越多，環(huán)境污染越來越嚴重，生存環(huán)境越來越差。如果現(xiàn)在對制造業(yè)資源不加以充分利用，對制造過程和制造生產(chǎn)的產(chǎn)品使用過程造成的環(huán)境污染不加以控制和改善，這對人類來說將是一場災難。只有發(fā)展和推進綠色制造，充分利用資源，節(jié)省資源 (要特別注重節(jié)省不可再生資源 )，減少制造過程的排放污染，特別是提高數(shù)控設備資源利用率就成了實施“綠色制造”的重中之重。因此，許多國家已經(jīng)開展以保護環(huán)境為主題的“綠色計 劃”，如日本的“綠色行業(yè)計劃”、加拿大的“綠色計劃”等。美、英、德、法等 20 多個國家實施產(chǎn)品“環(huán)境標志”，促進“綠色產(chǎn)品”發(fā)展。我國也提出了綠色設計理論和方 法，建立了綠色產(chǎn)品設計指標評價體系，提出了綠色設計工具，并與 CAD、 CAM、 CAE、 CAPP 等集成，形成集成環(huán)境；建立綠色制造示范點，貫徹 IS014000 環(huán)境管理體系標準等。但是，我國數(shù)控設備的使用效率低下，還不到發(fā)達國家的 1／ 4。主要原因是我國數(shù)控設備使用技術(shù)落后。具體表現(xiàn)在兩個方面： (1)集成制造技術(shù)比較落后，多數(shù)數(shù)控加工車間計算機輔助生產(chǎn)管理 (訂單 處理、生產(chǎn)計劃編制、作業(yè)調(diào)度、任務分配、工序質(zhì)量控制、現(xiàn)場信息反饋、統(tǒng)計報告等 )和制造資源管理系統(tǒng) (人員、設備、刀具、卡具、量具、毛料、成品等 )缺乏有機集成， CAD／ CAM／ CAPP 集成應用整體水平還不高，生產(chǎn)準備時間過長； (2)缺乏統(tǒng)一的工藝數(shù)據(jù)庫支持，數(shù)控加工仿真和優(yōu)化能力薄弱，數(shù)控編程一般是利用商品化 CAD／ CAM 軟件系統(tǒng)自動生成 NC程序，但工藝需要自己編制，因缺乏統(tǒng)一的標準和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫 (如切削數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫等 )的支撐，致使數(shù)控編程每一個工藝員一個樣，相似零件多樣程序，許多工藝不合理，人為因素影響 大， NC程序運行效率低，極大地制約了數(shù)控設備的使用效率。 2 研究提高數(shù)控設備應用效率推進綠色制造 針對我國數(shù)控設備應用技術(shù)落后和應用效率低的問題，我國軍工行業(yè)正在實施“數(shù)控機床專項增效計劃”。開展了“高效數(shù)控集成制造技術(shù)攻關”和“基于 12 切削過程動態(tài)力學仿真的數(shù)控加工工藝優(yōu)化技術(shù)攻關”。 (1)高效數(shù)控集成制造技術(shù)攻關。開發(fā)出計算機輔助生產(chǎn)管理和制造資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)計劃和資源計劃自動生成，以及基于生產(chǎn)計劃的工裝管理、刀具集