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数控技术

课题数控机床及其数控自动编程新进展

学号

姓名

专业机械工程及自动化

指导教师

评阅教师

开题时间2014年4月10日

东北大学机械工程与自动化学院

目录

1、引言-2-

2、现代数控机床-2-

2.1精度和可靠性高-2-

2.2工序集中化-2-

2.3机床的信息化和智能化-3-

2.4高速化-3-

3、机床新技术发展-3-

3.1零传动技术的发展-3-

3.2激光技术的发展-4-

3.3五轴联动数控机床的发展-5-

4、自动编程技术-6-

4.1数控加工自动编程的发展过程-6-

4.2数控自动编程技术的发展方向-6-

4.2.1数控自动编程系统的集成化-7-

4.2.2数控自动编程系统的智能化-7-

4.2.3研究和发展小型专用的自动编程系统-9-

4.2.4后置处理程序的通用化、模块化-9-

4.3开放式数控系统的发展-10-

5、参考文献-12-

1、引言

数控机床是一个国家制造业水平的象征。

一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业的水平和竞争力，某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控机床加工不仅仅提高了产品的加工精度，提高了加工效率，也降低了劳动者的作业强度并改善了作业环境，更利于生产管理的现代化以及经济效益的提高；进入21世纪，国际社会进入了一个相对和平社会，经济全球化，各国在数控机床技术上交流也更为频繁。

这也为我国机床制造业提供很好的发展机会，面临着制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机。

2003年我国机床消费额达到67.3亿美元，居世界第一位，其中数控机床占57%，国内生产数控机床36813台。

但是我国数控机床在技术上水平，质量和性能距离发达国家还有很大的差距，我国生产数控机床技术含量低、经济类的机床仍占主导地位，高档数控机床生产的技术依然不能达要求的精度；在数控机床控制系统上我国发展形势也不容乐观，例如中国目前高档数控机床（大型、精密、多轴、复合）所采用的数控系统大多是德国西门子FG1H型，然而其中许多重要功能被有意关闭和限制，如果打开需要另行逐项谈判，机床技术交流过程中我们国家遇到西方国家技术的限制；随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展更新以适应新生产加工的需要，我们需要一些龙头企业通过自主创新加大研发投入以改变中国中高档数控机床及关键技术长期依赖进口的局面，只有提高自主研发能力，积极推进产品升级，那么我们才能真正的制造大国，而不是现在的加工大国。

2、现代数控机床

随着新型材料和新的工艺的出现，对现代数控机床的要求也越来越高，在精度、可靠性、加工效率、智能化等方面的要求也越来越高。

2.1精度和可靠性高，机床的性能是稳定的，能够在不同运行条件完成多种加工任务，并能够保证零件加工后的质量，而不是依靠加工后的检验工序。

数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

（1）提高CNC系统控制精度:

采用高速插补技术以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化并采用高分辨率位置检测装置提高位置检测精度位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；

（2）采用误差补偿技术:

采用反向间隙补偿丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。

研究结果表明综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60～80；（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度并通过仿真预测机床的加工精度以保证机床的定位精度和重复定位精度使其性能长期稳定能够在不同运行条件。

2.2工序集中化，在一台机床上尽可能的加工完毕一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能过迅速适应加工对象的改变。

所以出现复合机床的概念，含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。

根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。

工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。

采用复合机床进行加工减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差提高了零件加工精度缩短了产品制造周期提高了生产效率和制造商的市场反应能力相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。

加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。

德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序可完成复杂零件的全部加工。

2.3机床的信息化和智能化，加工设备不经能够提供“体力”也必须有“头脑”，能够自己管理自己的“行为”，并与企业管理人员、操作者通信，随时让他们了解自己的状态和工作能力。

（1）加工过程自适应控制技术：

通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；

（2）加工参数的智能优化与选择：

将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的0加工参数的智能优化与选择器0，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；（3）智能故障自诊断与自修复技术：

根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位：

（4）智能故障回放和故障仿真技术：

能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；（5）智能化交流伺服驱动装置：

能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。

这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；（6）智能4M数控系统：

在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量、建模、加工、机器操作四者融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。

2.4高速化，随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用对数控机床加工的高速化要求越来越高。

1.主轴转速：

机床采用电主轴内装式主轴电机主轴最高转速达200000r/min；2.进给率：

在分辨率为0.101μm时最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；3.运算速度：

微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统频率提高到几百兆赫，上千兆赫。

由于运算速度的极大提高使得当分辨率为0.11μm、0.101μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；4.换刀速度:

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0.15s。

德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式以主轴为轴心刀具在圆周布置其刀到刀的换刀时间仅0.19s。

3、机床新技术发展

3.1零传动技术的发展

近年来，一个对机床制造来说高度创新的技术值得关注，这就是所谓的“零传动”技术，即将机床床身与运动工作台之间的传动链缩短至零——只有一个直接驱动的直线电动机（直线运动）或扭矩电动机（旋转运动），电动机的定子和动子分别直接连接在机床床身或运动工作台上。

直接驱动技术给数控机床提供了更高进给速度、加速度和控制精度的全新的解决方案。

采用零传动技术的机床，其进给速度可轻松地达到120m/min，以及400m/s*s的加速度，系统定位精度轻松可达μm级甚至nm级，这些重要指标都是以前采用伺服电动机；滚珠丝杠传动副传统机构的数控机床所望尘莫及的。

直接驱动的零传动技术具有以下重要特性：

高的动态特性；优秀的运动平稳性；高的加速性能；优秀的静态和动态负载特性；无配合间隙的定位性能；无摩擦直接驱动。

特别是无配合间隙和无摩擦直接驱动的特性，用数控机床旋转运动轴的驱动上，可以彻底克服多年来的因机械传动（蜗轮蜗杆或其它齿轮传动）而无法克服的换向间隙问题，使得多轴数控机床的机械结构大为简化，综合精度大大提高。

3.2激光技术的发展

近年来，光纤激光技术也有了非常重大的进步，其光电转换效率已经高达30%，光斑聚焦可达数nm以内，其工作寿命可达10万h以上。

光纤激光器还具有很多独特的优点，是其他激光器无法比拟的，具有增益介质长、耦合效率高、散热好、结构简单紧凑、使用灵活方便、输出激光光束质量好且输出波长范围宽（400~3400）等特点。

2007年6月19日，美国IPG光子公司发布了全球首个商用化的3KW连续单模掺镱光纤激光器，这是目前单模单光纤激光器最高输出的报道。

这种高功率单模光纤激光器将用于深入焊接、远程焊接和切割，冲击打孔以及燃料电池的焊接。

IPG光子公司首席执行官博士介绍，该公司将在近几年将其商用单模产品提升到5KW的级别。

伴随着激光器功率的提高和直接驱动技术的应用，激光加工的发展突飞猛进。

激光器功率的增大，意味着不仅可加工较厚的钢板，还能够以前所未有的进给速度和精度进行切割和焊接加工。

国外有机床制造商将高动态精密制造技术与最先进的激光技术结合起来，推出了激光复合加工中心，除了正常的切削加工，复合了3D激光加工、激光精密切割、激光精密钻孔等，采用激光代替旋转的切削刀具，以非机械接触的方式精密切割薄板、管子及三维工件，取得了前所未有的加工效率和加工效果。

图2图3

3.3五轴联动数控机床的发展

五轴联动数控机床除了可以实现X/Y/Z轴的运动，还增加了两个轴的回转。

以立式加工中心为例，增加了工作台可以绕X轴转动定义为A轴，另工作台中间增加了回转台，可以绕Z轴转动定义为C轴，这样就可以通过A轴和C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面，其余五面都可以由加工中心的主轴进行加工。

当前国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。

目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术的发展重点可归结为：

高速、高精度、环保、智能、复合化。

力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛应用，使得国外机床进给机构实现了高速、低损耗、高精度、高效率的目标。

DMG公司的DMC165在配上了旋转工作台后，可以精确五轴联动的数控加工。

该机床的最高转速可达到30000r/min，由于，采用高性能的直线电机驱动，其最快移动可达到90m/min，加速度2g。

二作为复合机床的代表德国DMG的GMX2501五轴车铣复合中心和DMU80P/H五轴车铣复合中心、瑞士威力铭-马科黛尔W-508MT八轴控制五轴联动车铣复合中心等在国际上有很高的声誉。

图4图5

最近为了避免叉式主轴头在主轴发生微小偏摆时，C轴必须转动很大角度的情况，德Zminnermann公司设计出了一种M3ABC性主轴头，这种主轴头增加了弧形导轨因而多了一个B坐标。

所以，它是具有A、B、C三个回转坐标头，除了有约正负40度的偏摆限制外，还有其他位置限制。

这种铣头将迄今为止各种结构方案的所有优点都结合在一起了。

具体优点如下：

刚性非常好、结构紧凑；这中设计使得五轴联动数控机床在加工时精度更高。

4、自动编程技术

数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。

数控加工机床的性能提升推动了编程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展，二者相互依赖。

现代数控技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展，编程方式也越来越丰富。

数控编程可分为机内编程和机外编程。

机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进行编程，机外编程则是脱离数控机床本身在其他设备上进行编程。

机内编程的方式随机床的不同而异，可以以“手工”的形式分行输入控制代码（手工编程）、交互方式输入控制代码（会话编程）、图形方式输入控制代码（图形编程），甚至可以语音方式输入控制代码（语音编程）或通过高级语言方式输入控制代码（高级语言编程）。

但机内编程一般来说只适用于简单形体，而且效率较低。

机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助APT编程和CAD/CAM编程等方式。

机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程，相对机内编程来说效率较高，是普遍采用的方式。

4.1数控加工自动编程的发展过程

计算机数控编程的方法有：

手工编程、数控语言编程、CAD/CAM系统编程和自动编程。

由计算机进行工艺处理、数值计算、编写零件加工程序、自动地输出零件加工程序单，并将程序自动地记录到穿孔纸带或其它的控制介质上，亦可由通讯接口将程序直接送到数控系统，控制机床进行加工，这种方法称为自动编程。

随着计算机科学技术的发展，数控自动编程的方法也在不断的改进和完善。

50年代，美国麻省理工学院MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT。

APT语言系统是世界上发展最早的编程语言，它采用语句形式描述加工零件的几何形状以及进刀和走刀方法等，用批处理方式运行，输出刀位点数据，再经过后置处理，生成穿孔纸带。

APT能处理二维轮廓、三维轮廓的铣削加工，包括刀轴摆动的多坐标加工。

但是APT是一个庞大的系统，较难掌握。

因此，在APT的基础上，世界各国又各自开发了带有一定特色和专用性更强的APT衍生语言，如：

美国MDSI公司开发的Compact、IBM公司开发的适应小型计算机的ADAPT、德国阿亨工业大学开发的EXAPT、日本日立公司开发的HAPT等。

1978年法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工于一体的系统，称为CATIA。

随后出现了像EUCLID、UGII、INTERGRAPH、Pro/Engineering、MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统采用图形编程方法，称为交互式图形编程系统。

与APT语言系统相比，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示及交互设计，刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，从而推动了CAD和CAM向一体化方向发展。

4.2数控自动编程技术的发展方向

随着计算机技术及信息处理的发展，在CAD/CAM一体化基础上，逐步形成了柔性制造系统（FMS）及计算机集成制造系统（CIMS）的概念。

为了适应FMS及CIMS发展的需要，数控编程系统正向通用化、集成化和智能化方向发展。

4.2.1数控自动编程系统的集成化

NC编程与CAD系统的连接和集成是NC自动编程的一个非常重要的发展方向，即在CAD系统提供的零件信息基础上，直接进行编程。

目前NC编程与CAD的连接有多种途径。

第一种途径是根据零件图样进行NC编程，即中间的转换和连接是靠人实现的。

第二种途径是通过CAD系统直接产生一个针对特定NC语言的专用零件源程序，由于这种方法通用性差，实际中应用很少。

第三种途径是将NC编程系统作为CAD系统中的一个组成部分，即作为CAD软件中的一个模块，系统可对零件设计和加工中的信息自动进行集成处理，如商品化的CAD软件I-DEAS、UG-II等都有一个NC编程模块，能对系统设计出的零件进行NC自动编程。

是目前应用最多的途径。

它的原理是将CAD的数据通过标准接口的方式传递给NC编程系统，如通过IGES、STEP或STL标准。

也有的是通过CAPP，实现CAD/CAPP／CAM的集成。

这种方法要求采用特征建摸系统作为CAD/CAPP/CAM集成环境下统一的零件信息模型，并在此基础上建立特征NC程序库，开发基于特征的NC自动编程系统。

它通过接口文件读取CAPP系统输出的工艺信息文件，经过特征识别和处理，从特征NC程序库中调用相应的NC指令，自动生成NC机床所需格式的NC代码程序。

4.2.2数控自动编程系统的智能化

数控自动编程系统的智能化是指将“智能”加入数控自动编程系统中，并将人的判断及决策交给机器来完成。

因此采用人工智能方法建立各类知识库专家系统，把人的决策作用变为各种问题的求解过程。

基于这种思想，在数控自动编程系统中加入知识体系的内容，可以加强计算机对自动编程系统的控制，对一些一般算法无能为力的地方，可用专家系统的方法解决，更进一步减少人工的干预，真正做到全部自动化。

1）图像自动编程技术

采用人机交互功能的计算机图形显示器,在图形显示系统软件和图像编程应附软件的支持下，程编员只要给出一些必要的工艺参数,发出相应的命令或“指点”菜单,然后根据应用软件提示的操作步骤,实时“指点”被加工零件的图形元素，就能得到零件的各轮廓点的位置坐标值,业立即在图像仪显示屏上显示出刀具加工轨迹，再连接适当的后置处理程序，就能输出数控加工程序单和穿孔纸带。

这种编程方法称为计算机图像数控编程，简称图像编程。

图像编程方法的实现必须具备必要的软、硬件资源。

图二所示是一种典型的配置方案。

图6典型的图像编程软硬件配置方案

图形显示基本软件，是一个供用户在图形显示器上进行产品图形设计和显示的具有实时人机交互功能的通用性核心软件。

它必须具有能将设计好的图形基本元素的几何信息通过有关的接口提供给用户。

图形显示基本软件目前普遍采用模块化的组成方式。

一般划分为三个层次，最外层是提供用户使用的,称为用户接口；中间一层是由外层调用，进行各种计算与处理的；最里面一层是将处理的结果显示的模块，可以叫驱动模块。

这些模块往往是用该硬件系统的汇编语言来编写的。

图形设计软件是建立在图形显示基本软件基础上的一个应用软件，它用来设计零件图形。

图像编程软件是用来对设计好的零件图形进行编程的。

图像编程的基本原理：

当被加工零件图形已调出显示在屏幕上以后,由图像编程软件计算出零件图形的轮廓点坐标及数控加工刀具中心轨迹。

对零件图形必须取得下列信息。

对于直线,要知道其起点或终点坐标，对圆弧,需要知道起点、终点、圆心坐标和圆弧走向；对于曲线，需要知道曲线方程中的参数等。

图像编程软件是使用基本软件提供的查询子程序来查询这些信息的。

瑞士Cimalog公司的MulitCAD/CAM软件系统就是采用图像编程方法。

它可以进行3D产品设计，在屏幕上显示出立体图形,业可从不同角度观看,进行编辑、修改。

在MulitCAD设计的图形上，川厂,可以图形交互控制刀具路径、转速等,当对屏慕上显示的结果满意时，则可以自动生成数控指令，然后直按或通过穿孔纸带将数拄加上程序输入数控机床。

操作过程简单方便、实用。

图像编程的特点是操作简单，无需编写零件源程序，避免了庞杂的数拉语言，缩短编程时间，降低编程费用，直观明隙，可及时进行检查和修改，降低出错率，特别达用于CAD/CAM系统。

2）语音自动编程技术

语音编程是利用人的声音作为输入介质,用微型话筒与计算机和显示器直接对话，令计算机自动编制出零件的数控加工程序单或穿孔纸带。

语音输入的自动编程处理通常有两种方法。

一种是将自动编程语一言分解为孤立的每一个词汇。

因此,可以用语音对每一个孤立的词汇进行语音输入。

这种方法简单可靠，但效率低。

另一种是对自动编程语言的语句用一串语音（即一句话）来取代,输入计算机，整个操作过程用语音命令来执行。

这种方法效率高,但语音识别难度大。

就目前计算机技术及信息处理技术来说,有限词汇集的连续语音的识别技术还是比较成熟的。

因此,未来语音编程将朝这个方向发展。

从目前的语音识别技术来说,操作者初次接触语音系统时，要训练系统熟悉操作者的声音。

为此，操作者必须事先将词汇的语音通过话筒输入计算机以建立样本。

语音识别主要是与样本的特征进行比较。

根据需要可以很快更换在计算机内的不同操作者的语音特征及不同的词汇。

同一操作者使用时就不需要再对系统进行训练了。

语音是快速传递和接收信息的主要手段，它比手写约快10倍。

因此，语音编程方法能大大提高编程的效率。

例如，语音NC自动编程时，操作者只需对着话筒讲出指令即可。

这些指令是按不同操作员的音调、方言预先存储在计算机内，系统就能够正确识别操作员的语音，并将识别的每个指令按顺序显示出来，以便核对。

3）视觉系统自动编程技术

采用计算机视觉系统来自动阅读、理解图纸，由程编员在编程过程中实时给定起刀点下刀点和退刀点，然后自动计算出刀位点的有关坐标值，业经后置处理,最后输出数控加工的程序单或穿孔纸带。

图7所示为视觉系统编程的系统框图。

首先由图纸扫描器（常用的有CCD传感器型扫描器和扫描鼓两种）扫描图纸，取得一幅图像，对该图像进行预处理是为了校正图像

图7视觉系统编程系统框图

的几何畸变和灰度畸变，并将它转化为易处理的二值图像，同时作断口校正、几何交点部分检测、细线化处理以消除输入部分分辨率的影响。

然后分离并识别图纸上的文字、符号、线划等元素，并记忆它们之间的关系，对线划还需进行矢量化处理，业用直线或曲线拟合，得到端点和分支点，再将得到的这些信息进行综合，确定图纸中每条线的意义及其尺寸大小，最后作编辑处理及刀位点坐标计算。

再连接适当的后置处理，就能输出数控加工程序单或穿孔纸带。

视觉系统编程时不需要写零件源程序、编程员只要事先输入工艺参数即可、操作简单、能直接与CAD的数据相连接，实现高度自动化。

4.2.3研究和发展小型专用的自动编程系统

APT系统是一种发展最早、功能齐全并应用较为广泛的NC自动编程系统。

但APT系统庞大。

随着微机的出现和发展，国内外都相继开发了适用于各种微机的NC自动编程系统。

这种专用自动编程系统的着眼点不是放在功能齐全上，而是放在如何简化程序和提高效率上，因此这类系统容易掌握，便于使用，且成本较低

4.2.4后置处理程序的通用化、模块化

后置处理程序的功能是将计算阶段算出刀位数据及有关信息变成特定数控机床控制机的输入信息。

所以，后置处理程序应根据所使用数控机床的不同，分别地相应地做出反应。

为此，APT系统配有上千种后置处理程序。

现在发展一种“模块式后置处理程序”，其基本思想是将各种不同控制机的一些共同功能研制成“标准模块”，用户要一个新的后置处理程序时，只要研制一个“驱动程序”，选用一些“标准模块”加以组合即可。

尽管不同的数控机床其功能不同，指令系统不同，但大部分的指令，如走刀、坐标等都统一或内容相似，所不同的地方是辅助功能和机床的控制指令。

因此，大部分的后置处理程序代码是可以重用的。

完全可以通过模块化的设计来实现后置处理程序的通用化。

4.3开放式数控系统的发展

开放式系统是相对于以前的数控系统而言的。

过去，日本的FANUCMITSUBISHI、德国的SIEMENS等大型的CNC控制器制造商，为数控机床生产了全部的配套产品，包括CNC数控装置、主轴、进给驱动器和电机，使机床制造厂得到了满意的服务，也使这种专用的CNC系统成为市场上的主导产品，受到了机床生产厂和用户的欢迎。

这种以单台机床为服务对象的CNC，其控制硬件和软件主要集中在操作者和机床之间。

但当数控机床进入分布式控制器（DNC）和柔性制造系统（FMS）环境，甚至要求与CAD/CAPP/CAM等共享信息后，原有的CNC装置就显得不够用了。

新的环境要求CNC装置进一步向开放式控制系统转化。

开放式数控系统作为开放式系统的一种应当具有以下几个方面