第7章 數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

第6章數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)第1節(jié)數(shù)控機(jī)床及的發(fā)展方向第2節(jié)先進(jìn)制造技術(shù)中的幾個(gè)概念6.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向

數(shù)控機(jī)床綜合了當(dāng)今世界上許多領(lǐng)域最新的技術(shù)成果，主要包括自動(dòng)控制及智能化的數(shù)字伺服、計(jì)算機(jī)及信息處理、精密機(jī)械、精密檢測(cè)和智能化的傳感、網(wǎng)絡(luò)和通訊等技術(shù)。這些技術(shù)的核心是由微電子技術(shù)向精密機(jī)械技術(shù)滲透所形成的機(jī)電一體化技術(shù)，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展：運(yùn)行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化1、運(yùn)行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因?yàn)樗苯雨P(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運(yùn)行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。（1）運(yùn)行高速化：使進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤交換速度實(shí)現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。進(jìn)給率高速化：在分辨率為1m時(shí)，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長(zhǎng)度為1mm時(shí)，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），即主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺(tái)（托盤）交換速度6.3秒。（2）加工高精化：提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度（日本交流伺服電機(jī)已有裝上106

脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測(cè)器，其位置檢測(cè)精度能達(dá)到0.01m/脈沖）；位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。

采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機(jī)的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1

m。2、功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車銑復(fù)合—車削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動(dòng)裝卸車刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動(dòng)力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；3、控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測(cè)加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運(yùn)行的安全性。案例：MitsubishiElectric公司的用于數(shù)控電火花成型機(jī)床的“MiracleFuzzy”

基于模糊邏輯的自適應(yīng)控制器，可自動(dòng)控制和優(yōu)化加工參數(shù)；日本牧野在電火花NC系統(tǒng)Makino_Mce20中，用專家系統(tǒng)代替人進(jìn)行加工過程監(jiān)控。以色列的外置式力自適應(yīng)控制器意大利Mandelli公司數(shù)控系統(tǒng)的可編程功率自適應(yīng)控制功能。加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇將工藝專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。案例：目前已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動(dòng)編程功能。國(guó)內(nèi)清華在加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待進(jìn)行實(shí)用化開發(fā)。智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法（AI、ES、ANN等），實(shí)現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動(dòng)排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個(gè)生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置目前已開始研究能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行。智能4M數(shù)控系統(tǒng)在制造過程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，將測(cè)量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。4、體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺(tái)上均能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對(duì)構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；硬件配置單元軟件配置單元標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)硬件數(shù)控系統(tǒng)基本硬件數(shù)控功能應(yīng)用程序DOS(WINDOWS)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTM應(yīng)用程序接口NC構(gòu)件庫(kù)開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu)開放體系結(jié)構(gòu)CNC的優(yōu)點(diǎn)向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長(zhǎng)生命周期；標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面：標(biāo)準(zhǔn)化的編程語(yǔ)言，方便用戶使用，降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗；向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個(gè)方法，從低級(jí)控制器開始，逐步提高，直到達(dá)到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本，增強(qiáng)市場(chǎng)供應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。5、驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化并聯(lián)加工中心（又稱6條腿數(shù)控機(jī)床、虛軸機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。驅(qū)動(dòng)桿機(jī)架

動(dòng)平臺(tái)主軸電機(jī)伺服電機(jī)主軸刀具柔性?shī)A具工件靜平臺(tái)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖并聯(lián)機(jī)床的特點(diǎn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床是現(xiàn)代機(jī)器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機(jī)床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機(jī)床性能提高的結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于并聯(lián)機(jī)床具有許多傳統(tǒng)機(jī)床所無法比擬的卓越性能，它作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。近年來，受到了國(guó)際機(jī)床行業(yè)的高度重視。在近幾年的國(guó)際知名機(jī)床博覽會(huì)上，一些世界著名的機(jī)床廠商都展出了他們研制的并聯(lián)機(jī)床，得到了行家們的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”，“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。6、交互網(wǎng)絡(luò)化支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機(jī)需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對(duì)基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。網(wǎng)絡(luò)資源共享。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）監(jiān)視、控制。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）培訓(xùn)與教學(xué)（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)（數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程（網(wǎng)絡(luò)）診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、電子商務(wù)等）。第2節(jié)先進(jìn)制造技術(shù)中的幾個(gè)概念先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，其顯著的特點(diǎn)是：先進(jìn)制造技術(shù)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高產(chǎn)品對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)。先進(jìn)制造技術(shù)不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場(chǎng)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和裝配、銷售、維修、服務(wù)，以及回收再生的全過程。強(qiáng)調(diào)技術(shù)、人、管理和信息的四維集成，不僅涉及到物質(zhì)流和能量流，還涉及到信息流和知識(shí)流，即四維集成和四流交匯是先進(jìn)制造技術(shù)的重要特點(diǎn)。先進(jìn)制造技術(shù)更加重視制造過程組成和管理的合理化和革新，它是硬件、軟件、腦件（人）與組織的系統(tǒng)集成。一、柔性制造單元（FMC)1、FMC的含義

FMC（FlexibleManufacturingCell）一臺(tái)數(shù)控機(jī)床裝上最簡(jiǎn)單的自動(dòng)上料裝置，即可變成柔性制造單元。根據(jù)上下料裝置不同，柔性制造單元主要分為：托盤搬運(yùn)式和機(jī)器人搬運(yùn)式兩大類。2、FMC的特點(diǎn)FMC具有規(guī)模??；成本低（相對(duì)于FMS）；占地面積?。槐阌跀U(kuò)充等。二、柔性制造系統(tǒng)FMS1、柔性制造系統(tǒng)含義

FMS（FlexibleManufacturingSystem）一般是指：將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床與工件、刀具、夾具及切屑與自動(dòng)傳輸線相配合，并由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理與控制，就組成了計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，常稱為FMS。2、柔性制造系統(tǒng)的組成加工子系統(tǒng)。是FMS的基本制造單元，由CNC機(jī)床、FMC及工具組成。物料儲(chǔ)運(yùn)子系統(tǒng)。包括自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、中央刀具庫(kù)‘無人運(yùn)輸小車、輸送帶及搬運(yùn)機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯、夾具和工件等的出入庫(kù)及裝卸等工作。運(yùn)行控制子系統(tǒng)。接收指令，對(duì)整個(gè)FMS實(shí)行監(jiān)控、診斷等。刀具子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)對(duì)刀具的訂購(gòu)、計(jì)劃、準(zhǔn)備、存儲(chǔ)及管理。質(zhì)量檢測(cè)及監(jiān)控子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)離線質(zhì)量檢測(cè)和監(jiān)控，一般包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和測(cè)量機(jī)器人等。3、FMS的特點(diǎn)提高了中、小批量零件制造的生產(chǎn)率?？s短了新產(chǎn)品試制的準(zhǔn)備時(shí)間。減少了工廠的庫(kù)存零件。節(jié)約了生產(chǎn)勞動(dòng)成本。提高了產(chǎn)品質(zhì)量。改善了制造廠的工作條件。保證了操作人員的安全。三、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）1、CIM(ComputerIntegratedManufacture)CIM是一種概念、一種哲理。它指出了制造業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的更高階段。

在制造企業(yè)中將從市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、經(jīng)過制造過程各環(huán)節(jié)，最后到銷售和售后服務(wù),逐步實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的計(jì)算機(jī)化。

實(shí)施CIM的目的是實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)更短的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，改善企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理，以適應(yīng)市場(chǎng)的迅速變化，獲得更大經(jīng)濟(jì)效益。2、CIMSCIMS就是在CIM思想指導(dǎo)下，逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)全過程計(jì)算機(jī)化的綜合人—機(jī)系統(tǒng)。不論其計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度處于什么階段，只要全局規(guī)劃是明確的，確實(shí)按照CIM思想指導(dǎo)著企業(yè)的體制改革和技術(shù)改革，就可稱之為CIM系統(tǒng)。

CIMS一般是由管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)等現(xiàn)代管理方法和先進(jìn)技術(shù)