一、數控機床的產生

在汽車、拖拉機等大量生產的工業部門中，大都采用自動機床、組合機床和自動線。但這種設備的第一次投資費用大，生產準備時間長，這與改型頻繁、精度要求高、零件形狀復雜的艦船和宇航，以及其他國防工業的要求不相適應。如果采用仿形機床，則要制造靠模，不僅生產周期長，精度亦受限制。第二次世界大戰以后，美國為了加速飛機工業的發展，要求革新一種樣板加工的設備。1948年，美國帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板的機床時，提出了數控機床的初始設想。§7-1數控技術的產生與發展一、數控機床的產生在汽車、拖拉機等大量生產的工11952年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第一臺數控機床。麻省理工學院（MIT）伺服機構實驗室1952年，美國帕森斯公司和麻省理工學院研制成功了世界上第一21952年的第一代——電子管數控機床1959年的第二代——晶體管數控機床1965年的第三代——集成電路數控機床1970年的第四代——小型計算機數控機床1974年的第五代——微型計算機數控系統1990年的第六代——基于PC的數控機床二、數控技術的發展半個世紀以來，隨著計算機技術的發展，數控技術也得到了迅猛的發展，加工精度和生產效率不斷提高。數控機床的發展至今已經歷了兩個階段和六代。六代1952年的第一代——電子管數控機床二、數控技術的發展半個世31電子管：1952，ParsonsCorp.,MIT,美空軍后勤司令部合作，第一臺立式銑；2晶體管、印刷電路：1959，晶體管元件的出現使電子設備的體積大大減小，數控系統中廣泛采用晶體管和印刷電路板，K&T開發第一臺加工中心

MILWAUKEE-MATIC。3小規模集成電路：1965,由于它體積小、功耗低，，使數控系統的可靠性得以進一步提高。1967英國最初的FMS.4通用小型計算機：1970，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數控裝置的數控系統，特征為許多數控功能由軟件完成。5微處理器：1974，開始出現的以微處理器為核心的數控系統被人們譽為第五代數控系統，近30年來，裝備微處理機數控系統的數控機床得到飛速發展和廣泛應用。6基于PC（PC-BASED）的數控：20世紀80年代，基于PC開發式數控系統。1電子管：1952，ParsonsCorp.,MIT,4二個階段

1955~1959，晶體管1952~1955，電子管

1959~1965，小規模集成電路

硬件數控二個階段1955~1959，晶體管1952~1955，電子5

1974-微處理器(MCNC)1979超大規模集成電路(VLIC)1970s(1970~1974)，小型計算機1994~PC-NC.計算機數控1974-微處理器(MCNC)1970s(1970~16§7-2數控技術的發展趨勢1、高速、高精度2、智能化

3、開放式數控系統4、網絡化數控技術5、提高數控系統的可靠性6、實現數控裝備的復合化7、CAD/CAM/CNC一體化，實現數字化制造

§7-2數控技術的發展趨勢1、高速、高精度

7

隨著計算機技術的發展，數控技術不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著下述方向發展。1、加工高速化、高精度化可充分發揮現代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度。（1）高速化高速CPU芯片主軸高速化，采用電主軸采用全數字交流伺服機床動、靜態性能的改善隨著計算機技術的發展，數控技術不斷采用計算機、8上世紀90年代以來，高速主軸單元（電主軸，轉速15000－100000r/min）、高速進給運動部件（快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min）、高性能伺服系統以及工具系統都出現了新的突破。圖切削速度的發展在分辨率為1μm時，快進速度達240m/min，可獲得復雜型面的精確加工加速度達2g主軸轉速已達200,000rpm換刀速度少于1s上世紀90年代以來，高速主軸單元（電主軸，轉速15000－19提高機械的制造和裝配精度；采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上1000000脈沖/轉的內藏位置檢測器，其位置檢測精度能達到0.01μm/脈沖）位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法（2）加工高精度化采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術；設備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術（研究表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60％～80％）。（2）加工高精度化采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤10普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個數量級，超精密加工精度進入納米級（0.001微米），主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。RaδVFVC250.10100002500200.0880002000150.0660001500100.044000100050.0220005000RaδVfVC19931994201920192019年度Ra——表面粗糙度（um），δ——加工誤差（um），Vf——進給速度（mm/min），Vc——切削速度（m/min）圖數控機床的高速化對加工質量的影響普通的加工精度提高了一倍，達到5微米；精密加工精度提高了兩個111）加工過程自適應控制技術：通過監測主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態，機床加工的穩定性狀態；并實時修調加工參數（主軸轉速，進給速度）和加工指令，使設備處于最佳運行狀態，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及保證設備運行的安全性2）加工參數的智能優化：將零件加工的一般規律、特殊工藝經驗，用現代智能方法，構造基于專家系統或基于模型的“加工參數的智能優化與選擇”，獲得優化的加工參數，提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產準備時間。使加工系統始終處于較合理和較經濟的工作狀態。2、控制智能化隨著人工智能技術的不斷發展，為滿足制造業生產柔性化、制造自動化發展需求，數控技術智能化程度不斷提高，體現在：1）加工過程自適應控制技術：通過監測主軸和進給電機123）智能故障診斷與自修復技術

智能故障診斷技術：根據已有的故障信息，應用現代智能方法，實現故障快速準確定位。

智能故障自修復技術：根據診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導故障的排除技術。集故障自診斷、自排除、自恢復、自調節于一體，貫穿于全生命周期。

智能故障診斷技術在有些數控系統中已有應用，智能化自修復技術還在研究之中。

4）智能化交流伺服驅動裝置：自動識別負載、自動調整控制參數，包括智能主軸和智能化進給伺服裝置，使驅動系統獲得最佳運行。3）智能故障診斷與自修復技術13（1）智能化適應控制技術圖智能化適應控制下的進給速率（1）智能化適應控制技術圖智能化適應控制下的進給速率14

（2）自動編程技術（2）自動編程技術15（3）具有故障自動診斷功能

（4）智能尋位加工（3）具有故障自動診斷功能（4）智能尋位加工16數控系統網絡化是先進制造模式的要求，數控機床作為網絡中的一個節點，有助于解決自動化孤島問題。支持網絡通訊協議，既滿足單機DNC需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造對基層設備集成要求。網絡資源共享。數控機床的遠程（網絡）控制。數控機床故障的遠程（網絡）診斷。數控機床的遠程（網絡）培訓與教學（網絡數控）3、加工網絡化數控系統網絡化是先進制造模式的要求，數控機床作為網17數控系統中采用網絡與光纖通訊技術實現運動和I/O的控制是數控技術的發展方向。由于技術封鎖等原因，各系統中光纖通訊采用的協議沒有兼容性和互換性，要求伺服驅動器以及I/O模塊必須具有相應協議的光纖通訊接口，這樣的系統軟硬件開放性較差，而且系統的成本也較高。

網絡通訊協議：德國Intrtamat的SERCOS、美國DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link，還有ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。數控系統中采用網絡與光纖通訊技術實現運動和I/O的控制是數控181）傳統數控系統的特點

由生產廠家支配價格和結構，各種接口不能通用。

功能集成停止在微電子技術的應用上，而不是針對開放式的生產環境和功能。對于不同的產品，操作、維護方法都必須進行相應的培訓。

對于使用者，控制器成為黑盒子無法自行修改更新。

為滿足現代化生產的要求，數控系統需要具有：開放性：可重構性、可維護性、允許用戶進行二次開發模塊化：具有平臺無關性

接口協議：可傳遞性、可移植性

可進化性：智能化

語言統一化：中性語言NML：FADL、OSEL4、數控系統的開放化1）傳統數控系統的特點為滿足現代化生產的要求，數控系統19傳統的數控系統都是專門、具有不同的編程語言、非標準人機接口、多種實時操作系統、非標準的硬件接口等特征，造成了數控系統使用和維護的不便，也限制了數控技術的進一步發展。為了解決這些問題，人們提出了“開放式數控系統”的概念。概念最早見于1987年美國的NGC(NextGenerationController)計劃，NGC控制技術通過實現基于相互操作和分級式的軟件模塊的“開放式系統體系結構標準規范（SOSAS）”找到解決問題的辦法。一個開放式的系統體系結構能夠使供應商為實現專門的最佳方案去定制控制系統。傳統的數控系統都是專門、具有不同的編程語言、非標準人機接口、202）開放化數控系統的概念

數控系統可以在統一的運行平臺上開發，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁數控功能，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明特色的名牌產品。（1）開放式數控裝置的結構硬件配置單元軟件配置單元標準計算機硬件數控系統基本硬件數控功能應用程序DOS(WINDOWS)實時多任務操作系統RTM應用程序接口NC構件庫2）開放化數控系統的概念（1）開放式數控裝置的結構硬件配置軟21（2）開放式數控系統的優點數控系統廠

品種減少、批量增加，易于滿足用戶要求；開放式的標準框架，促進各行業的軟件廠商參與；軟件開發效率提高，產品更新加快。

機床廠

可使整機具有個性化，降低開發成本。

減少對系統廠的依賴，保護自己專有技術。

最終用戶

購買機床時的初期成本透明化；

能實現用戶自身獨特的FA系統設計；

用戶界面的一致性，易于使用和培訓；（2）開放式數控系統的優點22（3）開放式數控研究狀況美國在20世紀90年代初提出了開發下一代控制器的計劃NGC(NextGenerationController)，以后又提出了OMAC（OpenModularArchitectureControl）計劃，重點開發以PC為平臺的開放式模塊化控制器。歐洲也在20世紀90年代初開始OSACA(OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationsystem)計劃，目標是研制出開放式控制系統的體系結構。（3）開放式數控研究狀況23（4）現狀由于技術等方面的限制，要在短期內完全實現這種理想的開放式數控系統，還有不少困難。

目前開放式數控的一個具體表現就是發展基于PC的數控系統。數控系統的PC化正成為開放式數控系統一個潮流，代表了CNC發展的主要方向。基于PC的開放式數控系統有3種基本結構形式：

ＰＣ嵌入ＣＮＣ型

CNC嵌入ＰＣ型

全軟件CNC型

（4）現狀基于PC的開放式數控系統有3種基本結構形式：24

5、提高數控系統的可靠性

數控系統平均無故障時間大于10000-30000（小時）

電子與電氣元件高集成、抗干擾，零部件制造專業化標準化

6、實現數控裝備的復合化2）機床結構技術上的突破性進展當屬20世紀90年代中期問世的并聯機床。并聯機床是機器人技術、機床結構技術、現代伺服驅動技術和數控技術相結合的產物，被稱為“21世紀的機床”

1）傳統機床基本上都遵循笛卡爾直角坐標系的運動原理被設計制造出來，其結構為串聯結構，存在懸臂部件，承受很大彎矩和扭矩，不容易獲得高的結構剛度。另外，傳統機床組成環節多、結構復雜，形成誤差迭加，限制了加工精度和速度的提高。

5、提高數控系統的可靠性

數控系統平均無故障時間大25我國自主研發的并聯機床樣機我國自主研發的并聯機床樣機26并聯運動機床

并聯運動機床是以空間并聯機構為基礎，充分利用計算機數字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機械傳動，使將近兩個世紀以來以笛卡爾坐標直線位移為基礎的機床結構和運動學原理發生了根本變化。并聯運動機床并聯運動機床是以空間并聯機構為基礎，充27并聯運動機床布局的基本特點是，以機床框架為固定平臺的若干桿件組成空間并聯機構，主軸部件安裝在并聯機構的動平臺上，改變桿件的長度或移動桿件的支點，按照并聯運動學原理形成刀頭點的加工表面軌跡。有六桿、三桿、立式、臥式并聯機床，結構形式為并聯、串聯和混合結構，可采用直線電機和電主軸。并聯運動機床布局的基本特點是，以機床框架為固定平臺28由于并聯運動機床結構以桁架桿系取代傳統機床結構的懸臂梁和兩支點梁來承載切削力和部件重力，加上運動部件的質量明顯減小以及主要由電主軸、滾珠絲桿、直線電動機等機電一體化部件組成，因而具有剛度高、動態性能好、機床的模塊化程度高、易于重構以及機械結構簡單等優點，是新一代機床結構的重要發展方向。由于并聯運動機床結構以桁架桿系取代傳統機床結構29并聯機床自94年在美國芝加哥國際機床展覽會上面市以來，有了很大發展，結構緊湊而且增大了工作空間，機床剛度和工作精度進一步提高，已進入實用階段。主要用于汽車業、航空業和模具業。在加工中心和可移動FMC中也采用了并聯結構。有六桿、三桿、立式、臥式并聯機床，結構形式為并聯、串聯和混合結構，可采用直線電機和電主軸。并聯機床的工作臺有固定臺、可交換臺、水平分度臺、滑座床身等多種。現已達到的最高精度：定位精度為±5μm，重復定位精度為±1.5μm。過去并聯機床的最大問題是精度不如傳統結構機床，其原因一是坐標軸（支桿）的位置精度不高，二是由于熱效應和切削力引起的變形。現在桿內除裝有滾珠絲杠外，還有檢測桿自身長度的測量系統，通過補償校正運動精度。數控并聯機床的應用

并聯機床自94年在美國芝加哥國際機床展覽會上303）并聯機床的優、缺點及研究熱點：優點：進給速度快；精度高；剛性好；加速度高；安裝、維修方便。缺點：工作空間小；姿態能力差；運動特性和力特性非線性。目前研究熱點：混聯機床。3）并聯機床的優、缺點及研究熱點：311）目前CNC系統的局限：數控代碼只定義了機床的運動和動作，丟失了尺寸公差、精度要求、表面光潔度等大量信息；生成G代碼的過程單向不可逆，在加工車間做出的修改無法反饋到設計部門；各廠商開發的宏和擴展EIA代碼，使系統間語言不具通用性，對G、M代碼的解釋也不盡相同；不支持5軸銑、樣條數據、高速切削等功能；7、STEP-NC1）目前CNC系統的局限：7、STEP-NC32

STEP-NC是一個新的NC編程數據接口國際標準（ISO14649），于2019年制定的，在2019年成為國際標準草案（DraftInternationalStandard,DIS），目的是取代現在使用的NC編程接口標準。2）STEP-NC的出現STEP(StandardfortheExchangeofProductmodeldata)即產品模型數據轉換標準STEP-NC是STEP向數控領域的擴展，它在STEP的基礎上以面向對象的形式將產品的設計信息與制造信息聯系起來，拋棄了傳統數控程序中直接對坐標軸和刀具動作進行編碼的做法，采用了新的數據格式和面向特征的編程原則

STEP-NC是一個新的NC編程數據接口國際標準（ISO133STEP-NC是歐美許多企業和研究機構共同開發的一套面向對象的NC編程接口，這套編程接口總稱為“計算機數字控制數據模型（DataModelforComputerizedNumericalControllers），它包括十三個部分，分成三個階段發布。目前發布出來的有：1）概述和基本原理2)總體加工數據3）切削加工數據4）銑削刀具。STEP-NC是一種在CAD/CAM系統和CNC機床之間進行數據轉換的模型，它使用工步（WorkingSteps)這個面向對象的概念，通過詳細描述加工過程而不是機床運動來彌補ISO6983的不足。STEP-NC是歐美許多企業和研究機構共同開發的一套面向對象34STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufacturingfeatures）進行編程，而不是直接對刀具運動進行編程。它包含了工件的所有加工任務，通過這一系列加工任務，對從零件毛坯到最終成品所有的操作加以描述，提供了更高層次的信息給加工車間。STEP-NC是STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData)標準的擴展，一個基于STEP-NC的NC程序由幾何信息和工藝信息描述組成。幾何信息描述文件格式與STEP標準完全一致。幾何信息采用STEP數據格式描述，CNC系統可以直接從CAD系統讀取STEP數據文件，從而消除了由于數據格式轉換可能導致的精度降低的問題。工藝信息描述部分包括所有工步的詳細完整定義，如特征代碼、刀具數據、機床功能、加工方法及其他數據。STEP-NC的基本原理是基于制造特征（manufactur35德國肖特日本FANUC德國肖特日本FANUC36美國哈挺美國哈挺37瑞士米克朗德國斯賓納TC系列瑞士米克朗德國斯賓納TC系列38日本東芝美國新新那提韓國現代日本東芝美國新新那提韓國現代39數字制造就是用數字的方式來存儲、管理和傳遞制造過程中的所有信息。在計算機世界里，可以產生各種各樣的信息，并把物理過程虛擬化；DNC可以對CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序進行傳送和分級管理。DNC技術使CNC與通信網絡聯系在一起,可以傳送維修數據，使用戶與數控生產廠家直接通信，進而把制造廠家聯系在一起，構成虛擬制造網絡。現在的問題是，如何把這些信息從計算機“下載”到生產線，在生產過程中利用這些信息控制機器，生產出合格產品。這個全過程就是數字制造。

8、CAD/CAM/CNC一體化，實現數字化制造數字制造就是用數字的方式來存儲、管理和傳遞制造過程中40數字化工廠數字化工廠41高速、高精、高效、智能化、復合化開放化、網絡化數控技術總的發展趨勢

運行高速化加工高精化功能復合化控制智能化體系開放化驅動并聯化交互網絡化當代，數控技術的典型應用是FMC/FMS/CIMS，其發展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、復合化、開放化和智能化以及數控標準的發展。目前的動向是:開放式數控系統、高速加工系統。高速、高精、高效、數控技術總的發展趨勢運行高速化42一、柔性制造單元（FMC,FlexibleManufacturingCell）§7-3數控技術的FMS及CIMS一、柔性制造單元（FMC,FlexibleManufact431、定義：有兩個以上柔性制造單元或多臺數控機床、加工中心組成，并用一個物料輸送系統將機床聯系起來。二、柔性制造系統(FMS,FlexibleManufacturingSystem)1、定義：有兩個以上柔性制造單元或多臺數控機床、加工中心組成442、特征高柔性能在不停機調整的情況下，實現多種不同工藝要求的零件加工。(2)高效率能采用合理的切削用量實現高效加工，同時使輔助時間和準備終結時間減小到最低程度。(3)高度自動化自動更換工件、刀具、夾具，實現自動裝夾和輸送，自動監測加工過程，有很強的系統軟件功能。2、特征高柔性能在不停機調整的情況下，實現多種不同工453、生產線（FTL,FlexibleTransferLine）3、生產線（FTL,FlexibleTransfer464、組成由加工、物流、信息流三個子系統組成，每一個子系統還可以有分系統。加工系統可以由FMC組成，但是多數還是由CNC機床按DNC的控制方式構成，可以自動更換刀具和工件并進行自動加工。物流系統包括工件和刀具兩個物流系統。

信息流系統包括加工系統及物流系統的自動控制，在線狀態監控及其信息處理以及在線檢測和處理等。4、組成由加工、物流、信息流三個子系統組成，每一個47三、計算機集成制造系統(CIMS)J.Harringtong博士提出：ComputerIntegratedManufacturing計算機集成制造CIM基本思想企業的各個生產環節是不可分割的，應該加以統一處理；整個生產過程實質上也是對信息的采集、傳遞和加工處理的過程，在企業中主要存在信息流和物流這兩種運動過程，而物流又是受信息流控制的。三、計算機集成制造系統(CIMS)J.Harrington48CIM的定義CIM是一種組織、管理與運行企業的哲理。它將傳統的制造技術與現代信息技術、管理技術、自動化技術、系統工程技術等有機結合，借助計算機（硬、軟件），使企業產品全生命周期——市場需求分析、產品定義、研究開發、設計、制造、支持（包括質量、銷售、采購、發送、服務）以及產品最后報廢、環境處理等各階段活動中有關人/組織、經營管理和技術三要素及其信息流、物流和價值流有機集成并優化運行，實現企業制造活動的計算機化、信息化、智能化、集成優化，以達到產品上市快、高質、低耗、服務好、環境清潔，進而提高企業的柔性、健壯性、敏捷性，使企業贏得市場競爭。CIM的定義CIM是一種組織、管理與運行企業的49CIMS的定義CIMS是一種基于CIM哲理構成的計算機化、信息化、智能化、集成優化的制造系統。在功能上，CIMS包含了一個工廠的全部生產經營活動，即從市場預測、產品設計、加工制造、管理到售后服務的全部活動。CIMS比傳統的工廠自動化的范圍大得多，是一個復雜的大系統。(2)CIMS模式的自動化不是工廠各個環節的計算機化或自動化(有人稱自動化孤島)的簡單疊加，而是有機的集成，并且這里的集成不僅僅是物質、設備的集成，更主要的是體現在以信息集成為特征的技術集成，以至于人的集成。CIMS的定義CIMS是一種基于CIM哲理構成50CIMS的組成(1)工程設計系統。

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