哈工大 数控技术大作业.docx
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哈工大数控技术大作业
《数控技术》课程（2013）
大作业
院（系）
机电工程学院
专业
机械制造及其自动化
姓名
Guobs
学号
1100800
班号
1008
任课教师
完成日期
2013.5.2
哈尔滨工业大学机电工程学院
2013年5月
说明
一、大作业应包括下列主要内容：
1.目录；
2.题目1的要求（精简版）与报告；
3.题目2的要求（精简版）与报告；
4.题目3的要求（精简版）与报告；
5.其他内容
二、注意事项：
1.报告可以打印，也可以手写，手写的请扫描后粘贴入word文件中，形成电子文档；
2.调研部分，不要为了凑字数，而撰写大量无关内容。
字数不重要，重要的是对调研内容的自我总结；
3.在大作业的最后，如果愿意，可以谈一下对课程的感受和建议；
4.报告的电子版请以班级为单位，刻录在光盘中交给任课教师。
三、报告请用A4纸双面打印，左侧装订，统一交给任课教师，以备检查。
四、此说明页请勿删除。
目录
作业一：
调研报告——数控系统的国内外发展及应用现状
一、引言……………………………………………………………………………………………1
二、数控系统的发展过程和趋势……………………………………………………………1
（一）数控系统的发展过程……………………………………………………………………1
（二）数控系统的发展趋势……………………………………………………………………2
三、国内外数控系统功能介绍与应用分析…………………………………………………4
（一）国内数控系统……………………………………………………………………………4
（二）国外数控系统……………………………………………………………………………5
四、国内数控系统与国外数控系统的比较及存在的差距………………………………7
（一）国外数控系统现状………………………………………………………………………7
（二）国内数控系统现状………………………………………………………………………8
（三）国内数控系统与国外数控系统存在的差距……………………………………………8
五、小结…………………………………………………………………………………………9
六、参考文献……………………………………………………………………………………9
作业二：
加工中心零件加工编程
一、目的和要求…………………………………………………………………………………10
二、数控机床设备……………………………………………………………………………10
三、加工工艺制订……………………………………………………………………………11
（一）加工零件…………………………………………………………………………………11
（二）工艺分析…………………………………………………………………………………11
四、要完成的程序编写任务…………………………………………………………………13
五、加工工件和坐标系………………………………………………………………………13
六、加工程序…………………………………………………………………………………14
作业三：
典型曲线数字积分法插补方法
一、目的…………………………………………………………………………………………16
二、要求…………………………………………………………………………………………16
三、DDA法椭圆插补…………………………………………………………………………16
（一）DDA法椭圆插补积分表达式……………………………………………………………16
（二）DDA法椭圆插补的步骤…………………………………………………………………17
（三）插补器的结构框图………………………………………………………………………18
（四）DDA法椭圆插补的终点判别……………………………………………………………18
四、DDA法椭圆插补实例……………………………………………………………………19
调研报告——数控系统的国内外发展及应用现状
机电工程学院：
郭本生学号：
1100800117
摘要：
数控系统是现代制造技术的基础，应用十分广泛，它使普通机械被数控机械所代替，全球制造业发生了根本性变化。
本文对数控系统的发展过程和趋势进行总结；分别对国外和国内的几种数控系统进行功能介绍与应用分析；对国内数控系统与国外知名的数控系统进行比较，并总结存在的差距。
关键词：
数控系统，发展过程，应用现状，国内外对比
一、引言
在过去的几十年，数控机床经历了从无到有，稳步提高，逐步发展壮大的发展过程。
如今，数控机床正处于一个快速发展和提高的时期，在基础技术、设计及制造工艺、高端技术和新功能开发等方面都取得了长足的进步，新技术、新产品、新功能层出不穷，并向高速化、高精度化、复合化、智能化、信息化、绿色化的趋势发展。
二、数控系统的发展过程和趋势
（一）数控系统的发展过程
数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：
1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。
1949年，帕森斯公司与美国麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。
1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（MCMachiningCenter），使数控装置进入了第二代。
1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。
60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。
20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。
20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现智能化，网络化制造。
现在，数控技术也叫计算机数控技术（ComputerizedNumericalControl简称：
CNC），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
（二）数控系统的发展趋势
1.高速化
数控机床向高速度发展的主要目的是提高生产率。
（1）主轴转速：
近些年来，数控机床的主轴转速普遍提高。
中、小型加工中心的主轴最高转速大部分提高到5000-6000r/min，有的数控机床已经达到4000r/min;
（2）提高进给速度：
一般的加工中心，进给速度可达1-2m/min,快速移动速度已达33m/min，逐步靠近50m/min;
（3）缩短辅助时间：
缩短辅助时间包括缩短换刀时间、刀具移近或离开工件的时间及工件装卸时间等。
目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。
2.高精度化
高精度并不仅仅是指数控机床对工件的加工速度要高要快，生产的产品精度更高，而且也要求数控机床在工件加工的整个过程中都要高速运转、精确定位，以减少工件在准备、加工、转运、收储等各个环节占用的时间，综合提高工厂的生产效率，降低生产成本。
更高精度的机械产品在实际使用中会带来更多的益处，如减少运转过程中的摩擦和发热，降低能源损耗，使整机运转更加平稳可靠，减少故障出现的几率等等。
为了实现高速高精度的目标，自动化产品厂商们加大了技术投入和开发力度，研发了更多的自动化产品应用于数控机床，如直线电机、电主轴、更高线数的编码器、精度更高更稳定的光栅尺等等，这些自动化产品为数控机床实现高速高精度功能提供了强有力的支持。
3.复合化
当今的机械加工更趋向于高精度、多品种、小批量、低成本、短周期和复杂化的加工，复合加工是数控机床的一个重要技术发展方向。
复合功能使数控机床显著提高了工件成品的生产速度，能够大大消除散列工序加工过程中的运输、装夹及等待时间，使加工周期大大缩短并降低加工车间的在制品数量。
工件在机床上只有一次装夹定位，既减少了加工辅助时间，又提高了工件的加工精度。
显然，复合加工机床对自动化产品的要求更高。
复合功能的实现依赖于针对工件和刀具的实时检测与智能判断、数据运算、刀具管理及系统控制。
高灵敏度的探针、高速处理芯片、体积更小、响应速度更快的传感器和执行器等自动化产品和技术在机床上将会得到更为广泛的应用。
4.智能化
智能化的主要趋势如下：
（1）自动识别加工特征的、带有工艺规划的编程系统；
（2）自动防止刀具和工件干涉碰撞，智能刀具监控技术，自主发现刀具存在的问题，并实施相应的应对策略；
（3）对机床振动情况监测，进行机床振动等级评价，借助相应的抑振算法或智能主轴转速调整，自动抑制振动，以提高加工的平稳性和刀具寿命；
（4）自动位置检测和补偿功能，自动补偿主轴、立柱、床身等热变形的影响；
（5）自动补充润滑油和抑制噪音的功能；
（6）机床故障诊断及维护等。
因此，智能化数控系统的配置将根据不同的目标和应用场合，进行选择和组合，有针对、有选择的集成智能化技术，构筑由简单到高级的智能化产品体系。
5.信息化
目前，具有网络化功能的自动化产品在数控机床中得到大量应用，这也是自动化产品和技术飞速发展的动力之一。
数控系统生产商已经在系统中集成网络接口，来满足和适应生产加工的快速化、信息化、网络化的要求，而国内使用信息化、网络化机床的用户也正在从中获得巨大的收益。
因此，数控机床应具备并实现语音、图形、视频和文本的通信功能。
通过网络信息的共享，生产计划调度部门可以实时监控机床工作状态和加工进度，向网络信息的其他使用部门传递共享信息，在网络上观察加工过程、统计报表、跟踪生产进度、查看故障报警、在线诊断及帮助排除故障等功能。
6.绿色化
节能减排是当今社会的热点，低碳环保是当今时代的主题。
全球范围内都在提倡绿色经济、低碳经济，这样的发展趋势和环保要求同样在数控机床行业得到响应和实践。
这就要求机床的制造材料要环保，可以回收利用，能够降低空运转功率，减少功率损耗，尽可能减少机床使用和工件加工过程中产生的各种废弃物，并保证这些废弃物不污染工作环境和自然环境。
因此，自动化产品、数控系统和数控机床制造商们根据各自的研究成果，采用新的环保材料和生产工艺，改变产品结构和方式，研发新的技术手段，改进废弃物的回收方式等，把环保节能的绿色要求和指标嵌入到了数控机床中，以使数控机床对环境的影响降低到最小程度。
三、国内外数控系统功能介绍与应用分析
（一）国内数控系统
1.广州数控GSK928TD车床数控系统
GSK928TD采用32位高性能CPU和超大规模可编程器件CPLD构成控制核心，实现μ级精度运动控制。
在操作上沿袭了GSK928TE方便、简明、直观的界面风格，具有较强的功能及稳定的性能。
在系统操作、安全、加工精度及加工效率方面具有突出特点。
（1）功能十分丰富
X、Z两轴联动，0.001mm插补精度、最高快速速度15m/min。
圆弧加工的最大半径可达11米。
加工性能高，系统输出脉冲平稳、均匀，工件表面纹路均匀细腻、衔接处无顿痕。
高效加工及灵活的实时检测并行执行处理机制；程序段间过渡不占时间；辅助指令与定位指令可以同步执行。
最大限度的安全措施：
提供了多种有关安全方面的参数选项，确保安全使用；具有双重软限位保护功能（机床坐标软限位+刀尖坐标软限位）。
具有反向间隙补偿、刀具长度补偿功能、C型刀具半径补偿。
具有电子齿轮功能，电子齿轮比（1～99999）/（1～99999）。
具有灵活多样的帮助功能。
（2）多个指令同步执行
传统数控系统的指令是按顺序执行的，就算将多个指令写在同一程序段内，其实还是按一定的规则顺序执行的，称之为“顺序流程”。
我们注意到，在实际加工工件时，有的辅助功能执行起来比较耗时，而多个没有顺序关系的辅助功能则可以同时执行，从而提高效率。
928TD系统能够自动分析各指令之间的逻辑关系，自动将互不关联的各种辅助指令同时执行，从而大大提高效率，我们称之为“同步流程”。
（3）输出脉冲平顺均匀
在加工工件时，伺服电机运行在低频状态，数控系统输出的低频脉冲是否均匀至关重要，因为它直接影响到加工锥面、圆弧的精度和表面粗糙度。
928TD系统着重于改善切削状态下输出脉冲的均匀性，均匀程度达到了微秒级；从而明显地改善了精切的精度和工件表面纹路问题。
经过对球形端面的加工比较对照，加工面更加细腻。
2.华中“世纪星”数控系统
华中“世纪星”数控系统是在华中I型、华中2000系列数控系统的基础上，满足用户对低价格、高性能、简单、可靠的要求而开发的数控系统，适用于各种车、铣、加工中心等机床的控制。
世纪星系列数控系统（HNC-21T、HNC-21M/22M）相对于国内外其他同等档次数控系统，具有以下几个鲜明特点：
（1）高可靠性：
选用嵌入式工业PC；全密封防静电面板结构，超强的抗干扰能力。
（2）高性能：
最多控制轴数为4个进给轴和1个主轴，支持4轴联动；全汉字操作界面、故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。
（3）配置灵活：
可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服驱动单元或步进电机驱动单元；除标准机床控制面板外，配置40路光电隔离开关量输入和32路功率放大开关量输出接口、手持单元接口、主轴控制接口与编码器接口,还可扩展远程128路输入/128路输出端子板。
（4）真正的闭环控制：
世纪星系列数控系统配置交流伺服驱动器和伺服电机时，伺服驱动器和伺服电机的位置信号是实时反馈到数控单元，由数控单元对它们的实际运行全过程进行精确的闭环控制。
华中“世纪星”数控系统目前已广泛用于车、铣、磨、锻、齿轮、仿形、激光加工、纺织、医疗等设备，适用的领域有数控机床配套、传统产业改造、数控技术教学等。
（二）国外数控系统
1.西班牙发格CNC8065T数控系统
发格自动化隶属于蒙德拉贡集团，蒙德拉贡集团是巴斯克地区最大、西班牙第七大的集团公司，由260多家公司和企业组成。
发格CNC8065T数控系统操作简单、功能强大。
该系统用于控制高生产率的车削中心、立式车床、倾斜床身车床，平床身车床，双转塔（TT），多转塔多主轴车床，车铣复合机床。
有如下特点：
（1）采用人机工程学设计。
带触摸屏的新式键盘设计，集成鼠标及USB接口。
安装设计和组件技术，符合IP65（NEMA12）密封标准.
（2）高速加工。
多项式内插算法（splines）保证了优异的工件表面质量及高速加工。
通过提前分析刀具路径的变化，使加工条件和机床特性相匹配，以保证加工质量。
HSSA（HighSpeedSurfaceAccuracy）加工系统减小了机床承受的负载，使机床运动更平稳.
（3）优化加工效率。
快捷配置各种机床类型，并提供调整工具。
加工优化自动调节软件。
（4）操作贴近用户需求。
基于弹出式菜单的操作方式，便于操作者在在工作现场完成各项工作。
系统内置各种手册，便于现场查询。
（5）应用机床行业最新技术。
多种实现小公差且高表面质量的先进技术，ARFS自适应技术的应用极大地缩短了加工时间。
2.西门子828D数控系统
基于面板的SINUMERIK828D是一款紧凑型数控系统，支持车、铣工艺应用，可选水平、垂直面板布局和两级性能，满足不同安装形式和不同性能要求的需要。
有如下特点：
（1）完全独立的车削和铣削应用系统软件，可以尽可能多地预先设定机床功能，从而最大限度减少机床调试所需时间。
SINUMERIK828D集CNC,PLC,操作界面以及轴控制功能于一体，通过Drive-CLiQ总线与全数字驱动SINAMICSS120实现高速可靠通讯，PLCI/O模块通过PROFINET连接，可自动识别，无需额外配置。
（2）结构紧凑。
10.4"TFT彩色显示器和全尺寸CNC键盘，让用户拥有最佳的操作体验。
丰富且便捷的通讯端口：
前置USB2.0、CF卡和以太网接口。
前面板采用压铸镁合金制造，精致耐用。
（3）功能强大。
80位浮点数纳米计算精度（NANOFP），达到了紧凑型系统新的巅峰。
组织有序的刀具管理功能和强大的坐标转换功能，满足对高级数控功能的需要。
“精优曲面”控制技术，可以让模具制造获得最佳表面质量和最少加工时间。
（4）操作简单。
全新集成的人机界面集方便的操作、编程功能于一身，确保高效快捷的机床操作。
备份管理功能，调试和维护准备充分、执行迅速。
机床选项管理，轻触一个按键即可完成机床选件的安装。
摒弃了电池、硬盘和风扇这些易损部件，真正做到免维护。
3.海德汉iTNC530数控系统
海德汉iTNC530是一个多功能的，面向车间的铣、钻、镗等机床和加工中心的轮廓加工控制器。
它具有集成的变频器实现数字驱动控制，使在很高的加工速度下仍保证很高的工件轮廓精度成为可能。
具有如下显著特点：
（1）该系统的数据处理时间比以前的TNC系列产品快8倍，所配备的“快速以太网”通讯接口能以100Mbit/s的速率传输程序数据，比以前快了10倍，新型程序编辑器具有大型程序编辑能力，可以快速插入和编辑信息程序段。
机械师不必记忆G代码，只需要用组合键按键就可以编制线段、弧段、循环程序。
（2）针对模具加工的复杂曲面，如果要实现高速、高精和高表面质量加工，必须具备好的硬件基础、良好的伺服性能及高速控制能力。
（3）iTNC530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理。
高速进给时，如果任何一个轴突然换向会导致过高加速度和加加速，将造成机床结构产生振动。
通过CNC实现速度、加速度和加加速平滑方案是降低或消除该影响的好方法。
（4）在强大硬件的支持下，iTNC530采用了全数字化驱动技术。
其位置控制器、速度控制器和电流控制器全部实现数字控制。
数字电机控制技术能获得非常高的进给速率。
iTNC530在同时插补多达5轴时，还能使转速高达40000r/min的数控主轴达到要求的切削速度。
（5）该系统通用性好并适合五坐标控制，在需要优化刀具轨迹控制的情况下，其强大的控制能力可计算实际坐标系，因而简化了加工循环的编程。
在脱线编制3D形状程序时，该系统可计算单台机床的几何结构，所以同一程序可用于不同的机床。
四、国内数控系统与国外数控系统的比较及存在的差距
（一）国外数控系统现状
在国际市场，德国、美国、日本等几个国家基本掌控了中高档数控系统。
国外的主要数控系统制造商有西门子（Siemens）、发那克（FANUC）、三菱电机（Mitsubishi Electric）、海德汉（HEIDENHAIN）、博世力士乐（Bosch Rexroth）、日本大隈（Okuma）等。
1.纳米插补与控制技术已走向实用阶段
纳米插补将产生的以纳米为单位的指令提供给数字伺服控制器，使数字伺服控制器的位置指令更加平滑，从而提高了加工表面的平滑性。
将“纳米插补”应用于所有插补之后，可实现纳米级别的高质量加工。
在两年一届的美国芝加哥国际制造技术（机床）展览会（IMTS 2010）上，发那克就展出了30i/31i/32i/35i-MODEL B数控系统。
除了伺服控制外，“纳米插补”也可以用于Cs轴轮廓控制；刚性攻螺纹等主轴功能。
西门子展出的828D所独有的80bit浮点计算精度，可使插补达到很高的轮廓控制精度，从而获得很好的工件精度。
此外，三菱公司的M700V系列的数控系统也可实现纳米级插补。
2.机器人使用广泛
未来机床的功能不仅局限于简单的加工，而且还具有一定自主完成复杂任务的能力。
机器人作为数控系统的一个重要应用领域，其技术和产品近年来得到快速发展。
机器人的应用领域，不仅仅局限于传统的搬运、堆垛、喷漆、焊接等岗位，而且延伸到了机床上下料、换刀、切削加工、测量、抛光及装配领域，从传统的减轻劳动强度的繁重工种，发展到IC封装、视觉跟踪及颜色分检等领域，大大提高了数控机床的工作效率。
典型的产品有德国的KUKA，FANUC公司的M-1iA、M-2000iA、M-710ic。
3.智能化加工不断扩展
随着计算机领域中人工智能的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度也得到不断提高。
应用自适应控制技术数控系统能够检测到过程中的一些重要信息，并自动调整系统中的相关参数，改进系统的运行状态；车间内的加工监测与管理可实时获取数控机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床状态，使相关维护提前，避免事故发生，保证其不稳定工况下生产的安全，减少机床故障率，提高机床利用率。
应用先进的伺服控制技术，伺服系统能通过自动识别由切削力导致的振动，产生反向的作用力，消除振动。
应用主轴振动控制技术，在主轴嵌入位移传感器，机床可以自动识别当前的切削状态，一旦切削不稳定，机床会自动调整切削参数，保证加工的稳定性。
4.CAD/CAM技术的应用
当前，为了使数控机床操作者更加便利地编制数控加工程序，解决复杂曲面的编程问题，国际数控系统制造商将图形化、集成化的编程系统作为扩展数控系统功能、提高数控系统人机互动性的主要途径。
最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床加工提供了有力的支持，可以大幅地提高加工效率。
ESPRIT、CIMATRON等一些著名CAM软件公司的产品除了具备传统的CAM软件功能模块，还开发了多任务编程、对加工过程的动态仿真等新的功能模块。
（二）国内数控系统现状
随着国际学术及产业界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相关研究也越来越受到重视。
经过几十年的发展，我国机床行业也形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，国产数控系统产业发展迅速，在质与量上都取得了飞跃。
国内数控系统基本占领了低端数控系统市场，在中高档数控系统的研发和应用上也取得了一定的成绩。
其中，武汉华中数控股份有限公司、北京机电院高技术股份有限公司、北京航天数控系统有限公司和上海电气（集团）总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统，分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。
国内的数字化交流伺服驱动系统产品也有了很大的发展，已能满足一般的应用，并能与进口产品竞争，占领了国内的大部分市场。
伺服系统和伺服电机生产基地主要有兰州电机厂、华中数控、广州数控、航天数控和开通数控等。
（三）国内数控系统与国外数控系统存在的差距
国内数控系统与国外数控系统存在的差距主要体现在中高档机床数控系统上。
高性能数控系统、电主轴、纳米精度光栅等功能部件及整机设计制造的核心技术，是发展高端数控机床最关键的因素。
据了解，数控系统相当于数控机床的大脑，在整个机器的价值中占到五分之一数控加工中心。
它的作用，是将用户设定的加工目标，换算成具体的加工步骤，指挥机床。
目前我国制造数控机床的厂家，很多是购买国外的数控系统。
据介绍，近几年来，国产的低端数控系统基本把国外竞争对手挤出了中国市场；而高端市场则正好相反，国产只占不到
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