【正文】 64 我國 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的 回顧 （ 3） 我國數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的 問題 5） 綜合服務(wù)能力 不強 機床 行業(yè)大部分企業(yè)的管理水平都不能適應(yīng)市場要求，需要運用信息化手段 提高 企業(yè)基礎(chǔ)管理水平。 63 我國 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的 回顧 （ 3） 我國數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的 問題 4） 高檔數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展 緩慢 高檔 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展緩慢是數(shù)控機床發(fā)展的軟肋 。 我國主要企業(yè)年平均科技投入金額不足年銷售收入的 2%。 我國低端 數(shù)控 機床 （ 經(jīng)濟型 數(shù)控裝置、滾珠絲杠、四方 刀架 ） 所 需的功能部件基本可以 滿足配套需要，但為中檔及中高檔數(shù)控 機床 （ 加工 中心用刀庫和機械于、數(shù)控車床轉(zhuǎn) 塔刀架、高速主軸單元、高速傳動單元、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺、高速工具 系統(tǒng) ）配套 的功能 部件幾乎都是從國外購買的。 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 不合理，專業(yè)化配套和協(xié)作水平低，沒有形成數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 功能部件 支撐體系 。 國產(chǎn)高檔數(shù)控機床在品種、水平和數(shù)量上遠遠滿足不了國內(nèi)發(fā)展需求。我 國是機床 生產(chǎn)大國，但不是機床制造 強國 。 通過工業(yè)造型計算機輔助設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用，開展智能化輔助網(wǎng)絡(luò) 協(xié)同造型設(shè)計 ， 將產(chǎn)品設(shè)計與市場需求緊密 結(jié)合 。數(shù)控車床主軸最高轉(zhuǎn)速從 3 000 r/min 提高 到 4 500 r/min ，車削中心轉(zhuǎn)速最高可達 7 000 r/min ；快速進給速度已從 8 m/min 提高 到 15 m/min ，最高可達 40 m/min。 通過 對高速主軸、 直線電動機 、高速加工刀柄（ HSK ）等單元技術(shù)開展研究，完成 了 8000到 10000 r/min 的分離式 主軸單元和 10 000 到 18000 r/min 的內(nèi)裝電動機電主軸單元的開發(fā)和加工制 造工藝的 研發(fā) 。 56 我國 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的 回顧 3） 掌握了具有世界水平的現(xiàn)代數(shù)控 技術(shù) C） 高端數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破，五軸聯(lián)動技術(shù)、復(fù)合加工技 術(shù)及裝備的實際應(yīng)用領(lǐng)域不斷 擴大 ： 五軸聯(lián)動橫梁移動式高速龍門鈍床、 五軸聯(lián)動龍門加工中心、五軸聯(lián)動車鏡中心、五軸聯(lián)功立式葉片加工中心、五軸聯(lián)動 臥式加工中心、六軸五聯(lián)動弧齒錐齒輪 磨床 。 E） 六軸五聯(lián)動數(shù)控滾齒機、七軸五聯(lián)動蝸桿型砂輪 磨齒機、七軸六聯(lián)動弧齒錐齒輪磨齒機， 都是最近三年來進入 批量生產(chǎn)的世界先進水 平的機床新品。 54 我國 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化進程 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的 回顧 2） 研制、開發(fā)出了一批 “高、 精、 尖 ”重、大型數(shù)控 機床 B） 數(shù)控 超重型機床己開發(fā)成功并投入 使用 加工 直徑達 16 m工件 的數(shù) 控立式車床，可加工重 300 t 、直徑 4. 5 m工件 的臥式車床，可加工重 200 t 、直徑 m工件的數(shù)控軋輯磨床等數(shù)控超重型 機床 。 D） 產(chǎn)品品種多，覆蓋面廣。 C） 總量供給能力不凡，市場占有率有了根本性的改觀 。 數(shù)控機床年產(chǎn)量前 10 名企業(yè)的 產(chǎn)量集中 度達到 45. 9%。 2023 年，數(shù)控 金屬 加工機床出口 億美元，占金屬加工機床出口 總額 30. 0% 。 （ 2） 我國數(shù)控技術(shù)的 現(xiàn)狀 “六五 ”至 “十五 ”五個五年計劃我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有了長足 的進步，數(shù)控產(chǎn)業(yè)己具備相當(dāng)規(guī)模，取得了令人矚目的成就 。數(shù)控 機床和主要配套產(chǎn)品均靠國內(nèi)開發(fā)和生產(chǎn)，技術(shù)水平低、質(zhì)量差 ， 期間 ，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展幾經(jīng)波折， 未能得到廣泛應(yīng)用 ，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床 發(fā)展緩慢。 48 數(shù)控 技術(shù)的發(fā)展趨勢 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 趨勢 （ 4） 交互 可視化 1）用戶界面圖形化 ，通過 窗口和菜單進行操作 ，便于 藍圖編程和快速 編程 、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真及不同方向的視固 和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。在整個工作狀態(tài)中，應(yīng)隨時對數(shù)控系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進行自診斷、檢查，為數(shù)控設(shè)備提供一個包括二次監(jiān)測、故障診斷、安全保障和經(jīng)濟策略等方面在內(nèi)的智能診斷及維護決策的信息集成系統(tǒng) 。 46 數(shù)控 技術(shù)的發(fā)展趨勢 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 趨勢 （ 3） 控制 智能化 1）高速加工時引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、 速度控制等方面采用模糊控制技術(shù)，提高數(shù)控系統(tǒng)的控制性能，從而達到最佳控制 的目的 。多種插補方式如直線插補、圓弧插補、 圓柱插補、空間橢圓由面插補、螺紋插補、極坐標插補、 NURBS 插 補、 樣條插補、多項式插補等；多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤 差補償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補償、與速度相關(guān)的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出 及相反點計算的刀具半徑補償?shù)取? 現(xiàn)代 開放式數(shù)控系統(tǒng)的 體系結(jié)構(gòu)技術(shù)要求 ：采用通用型開放式閉環(huán)控制模式；采 用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，利用開放式的數(shù)控技術(shù)軟、硬件 平臺，可視需要通過重構(gòu)、編輯調(diào)整系統(tǒng)的組成，便于 “裁剪 ”、擴展和升級；功能可 專用 也可通用，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)；功能價格比可 調(diào)；可集成用戶的技術(shù)訣竅等 。 （ 1） 體系結(jié)構(gòu) 開放化、柔性 化 開放式 體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是開放式、高性能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的通稱。 工序復(fù)合 （ 如 車、鏡、鍾、鉆、攻螺紋等）， 不同工藝的復(fù)合 （集車、鏡、滾齒、磨、洋火等不同工藝的 復(fù)合加工機床可對大直徑、短長度回轉(zhuǎn)體類零件進行復(fù)合加工）， 切削與非切削工序 復(fù)合 （如鏡削與激光洋火裝置的復(fù)合、沖壓與激光切割的復(fù)合、金屬燒結(jié)與鏡面切削 的復(fù)合、加工與清洗融于一臺機床上的復(fù)合等）， 多功能化 （如數(shù)控車床由單主軸、單 刀架功能擴展為雙主軸、雙刀架結(jié)構(gòu)，形成臥式平行雙主軸、對置雙主軸或立式雙主 軸結(jié)構(gòu)等） 。m 的 圓度 。m 降低至 0. 003 181。 最小 分辨率為 1 nm 的數(shù)控系統(tǒng)和機床也已 問世 。0. 3 181。 數(shù)控 機床的定位誤差已 由 0. 01 0. 02 mm 降低到 0. 008 mm 左右，亞微米級機床已達到 0. 0 005 mm 左右 。 在 最高進給速度下可實現(xiàn)復(fù)雜型面的精確加工 ，加工 長度為 1 mm 小 段時，最大進給速度可達 30 m/min ，并且具有 1. 5g(g 為重力加速度）的 加 （ 減 ）速率 。 RS232 和 Inter 接口 40 數(shù)控 技術(shù)的基本概念 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控機床的發(fā)展 趨勢 （ 1） 運行 高速 化 指使 進給運動、主軸轉(zhuǎn)動、刀具交換、托盤交換實現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速 率 。 （ 13） 人機對話功能 在 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)配有薄膜場效應(yīng)晶體管（ TFT ）顯示屏，通過軟件可實現(xiàn)字符和圖 形的顯示，以方便用戶的操作和使用 ?？深A(yù)先測出螺距誤差和反向間隙，然后按要求輸入數(shù)控裝置相應(yīng)的存儲單元 內(nèi)，在加工過程中進行實時補償 。 37 數(shù)控 技術(shù)的基本概念 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控系統(tǒng)的 功能 （ 8） 輔助 功能 指控 制機床及其輔助裝置通斷（如主軸啟｛亭、轉(zhuǎn)向，刀庫啟停等）的 功能 （ 9） 刀具管理 功能 實現(xiàn) 對刀具幾何尺寸和刀具壽命管理的功能，加工中心都應(yīng)具有 此 功能 。加減速控制一般由軟件實現(xiàn)，可在插補前進行（插補前加減速 ），也 可以在插補后進行（插補后加減速） 。該功能要求主軸必須裝有位置編碼器， 用于加工 螺紋。數(shù)控系統(tǒng)在輸出位移量前會自動將其轉(zhuǎn)換成外部脈沖當(dāng)量 。 直線 、 圓弧 、 拋物線 、橢圓、螺旋曲線、樣條曲線插補 34 數(shù)控 技術(shù)的基本概念 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控系統(tǒng)的 功能 （ 4） 分辨率（脈沖當(dāng)量 ） 指 兩個相鄰的分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。數(shù)控的控制進給軸有 移動軸 和回轉(zhuǎn)軸、基本軸和附加軸 。 是 影 響零件加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及刀具壽命的主要 因素 ，二者均受數(shù)控裝置的運算速度、 機床動特性及工藝系統(tǒng)剛度等因素的限制 。 回零誤差包括整個進給伺服系統(tǒng)的誤差，它直接 影響機床坐標系的建立精度 。 重復(fù) 定位精 度是呈正態(tài)分布的偶然性誤差，它影響著一批零件加工的 一致性 。 定位 誤差包括伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、進給系統(tǒng) 等的誤差，以及移動部件導(dǎo)軌的幾何誤差等。 數(shù)控 機床控制軸數(shù)和數(shù)控裝置的運算處理能力、運算 速度及內(nèi)存 容量等 有關(guān) 。 27 Huazhong Univ. of Sci. Tech. ? 數(shù)控機床的主要指標 （ 1） 規(guī)格 指標 1）行程 范圍 指 坐標軸可控的運動區(qū)間，它反映該機床允許的 加工空間 ，一般工件的輪廓尺寸應(yīng)在加工范圍 之內(nèi) ， 個別 情況下工件的輪廓也可大于 機床的 加工范圍，但工件的加工區(qū)域必須小于加工 范圍 。 數(shù)控 機床是集光、機、電、液于一體的高技術(shù)加工裝備，價格較高，維護與維修 難度 大，加工中的編程、調(diào)整又相對 復(fù)雜 ，要求 操作、維護和維修人員具有一定的數(shù)控 技 術(shù)基礎(chǔ)和 技能 。 數(shù)控機床 ： 首先將刀具與工件的相對運動軌跡、加工過程中主軸速度和進給速度 的變換、冷卻液的開關(guān)、工件和刀具的交換等幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的 代碼和格式編成加工程序，然后將該程序送入數(shù)控系統(tǒng) ； 數(shù)控 系統(tǒng)按照程序的要求， 先進行相應(yīng)的運算、處理，接著發(fā)出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互 協(xié) 調(diào)，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 （ 5） 按數(shù)控系統(tǒng)接口形式 分類 1）模擬接口數(shù)控系統(tǒng) 模擬 接口數(shù)控系統(tǒng)以電流和電壓的模擬量形式控制伺服驅(qū)動器的速度、位置 或扭矩 。 計算機 數(shù)控軟件全部裝在 計算機 中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動裝置和外部 I/O 之間的標準化通用 接口 。運動控制卡通常選用高速數(shù)字信號處理（ DSP） 器 作為中央處理器，具有很強 的運動 控制和可編程控制能力，而且它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨使用 。具有一定的開放性，但由于其 NC 部分的體系結(jié)構(gòu)不開放， 用戶無法介入系統(tǒng)核心。系統(tǒng)若需擴展功能、 改變和 維修，都必須求助于系統(tǒng)供應(yīng) 商 。 3）實現(xiàn)全數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸波特率達到 100 M 以上 。 Fanuc 160i、西門子 840D。 Huazhong Univ. of Sci. Tech. 數(shù)控 技術(shù)的基本概念 ? 數(shù)控 系統(tǒng) 的 分類 （ 3）按 數(shù)控系統(tǒng)功能水平 分類 1） 經(jīng)濟型 數(shù)控 系統(tǒng) 具有 基本數(shù)控 操作功能 ，采用 開環(huán)控制 ，控制軸數(shù)在 三軸以下 ，主軸 轉(zhuǎn)速一般在 3000 r/min 以下，快速移動速度在 24 m/min 以下，定位誤差 一般為 到 mm ，能滿足一般機械加工需要；系統(tǒng)的價格便宜，主要適用于車床等 低價位機床 。 Huazhong Univ. of Sci. Tech. 數(shù)控 技術(shù)的基本概念 ? 數(shù)控 系統(tǒng) 的 分類 3） 閉環(huán) 數(shù)控 系統(tǒng) 16 系統(tǒng) 直接對工作臺的實際位置進行 檢測 。 不 包括或只包括少量的機械傳動環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)可獲得較穩(wěn)定的控制性能，其穩(wěn) 定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，