高速高效高精度数控机床.docx

1、高速高效高精度数控机床 2012 年4 月16 20 日， 2012 年第七届中国数控机床展览会( CCMT2012) 在南京举行，国产数控系统企业积极参加本次展会，取得了很好的参展效果。参加本次展会数控系统展团的国产数控系统企业非常踊跃，国内知名数控系统企业，如华中数控、广州数控、航天数控、沈阳高精、南京华兴、开通数控、大连光洋、大连大森、南京锐普德、南京新方达、北京凯奇等企业都积极参展4. 北京超同步科技有限公司(1) CTB 系列主轴驱动器，Gs 系列驱动器可以与多种数控系统良好接口，实现刚性攻丝，使数控钻、数控铣、数控车床、数控镗、加工中心等设备的功能得以充分发挥。适用机床: 数控铣床

2、、数控车床加工中心、数控镗床龙门铣床、数控立车等数控设备主轴( 电主轴) 的驱动。技术特点:6000 转以上的精密加工，低速强力重切削加工，40 转以下的铰孔，低速螺纹加工，c 轴功能。(2) CTB 系列主轴电机。功率范围: 1. 1 315kW; 额定电压: 380 /330 /310V; 防护等级:IP55; 环境温度: 15 45; 结构型式: b3 /b5 /b35; 最高转速: 15000r /min; 额定频率: 16. 7 /25 /33. 3 /50 /66. 7 /100Hz; 工作制: 连续( S1 );绝缘耐压: AC1800V; 噪声: 70dB ( A); 环境湿度

3、: 95%H 以下( 不结露); 散热方式: 强制风冷。外形美观; 结构精巧; 封闭式散热风道; 噪声低、效率高; 优化节能设计。(3) 组合型伺服驱动器，采用先进的硬件及软件集成技术，将多台伺服电机的驱动装置集成在一个驱动器内。该驱动器结构紧凑、安装方便，可广泛应用于数控车床、数控铣床、加工中心、立车等设备。(4) 车床电主轴，全新一体化的风冷式车床电主轴稳定性好、震动小、噪声低，控制精度高，主轴安装简单，故障率低。目前国产坐标镗床其精度一般为：直线坐标定位精度0.005mm，重复定位精度0.003mm。机床的快速移动速度一般 10m/min。 2014 年2 月24 28 日，第八届中国数

4、控机床展览会(CCMT2014) 在上海举行，国产数控系统企业积极参加本次展会，取得了很好的参展效果。国内知名数控系统企业，如华中数控、广州数控、航天数控、大连光洋、大连大森、沈阳高精、南京华兴、北京凯奇等企业都积极参展，参展数控系统企业达20 余家。(1) GSK27 全数字总线式高档数控系统技术特点: 多通道配置，标准为2 通道，最多8 通道，可同时控制32 轴，单通道最大控制轴数为8 轴，支持通道独立、同步工作功能; 2 000 段的前瞻及轨迹平滑处理能力，0 5 ms 插补周期; 小线段压缩成样条曲线的高速高精插补，支持NURBS 格式的样条曲线插补; 加速度控制的柔性加减速，小线段平

5、滑过渡的倒圆功能; 采用位置闭环控制，PID、速度前馈控制使定位精度高，配置高速高精伺服驱动单元; 开放式PLC，支持PLC 在线编辑、诊断、信号跟踪，配置灵活的I /O 可满足用户的二次开发要求; 丰富的通信接口: 具有RS232、USB 接口、基于TCP/IP的以太网接口; 功能强大的上位PC 机软件提供远程监控、远程诊断、远程维护、网络DNC 功能。1)高速、高效2)高精度从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工), 是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级, 乃至纳米级(10 nm), 应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车, 铣)、超精密磨削、超精密研磨抛

6、光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工, 微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展, 对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现, 更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺, 大力发展新型超精密加工机床, 完善现代超精密加工技术, 以适应现代科技的发展。当前, 机械加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了1倍, 达到5 m;精密加工精度提高了2个数量级;超精密加工精度进入纳米级(0.001 m);主轴回转精度要求达到0.01 0.05 m;加工圆度为0.1 m;加工表面粗糙度Ra=0.003 m等。近10多年来, 普通级数控机床的加工精度已由10 m提高到

7、5 m, 精密级加工中心的加工精度则从3 5 m提高到1 1.5m。3)高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性1个数量级以上, 但也不是可靠性越高越好, 仍然是适度可靠, 因为是商品, 受性能价格比的约束。对于每天工作2班的无人工厂而言, 如果要求在16 h内连续正常工作, 无故障率P(t)99%的话, 则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3 000h。MTBF大于3 000 h, 对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别巨大, 我们只对1台数控机床而言, 如主机与数控系统的失效率之比为101(数控系统的可靠比主机高1个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33 33

8、3.3 h, 而其中的数控装置, 主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万h。当前国外数控装置的MTBF值已达6 000 h以上, 驱动装置达30 000 h以上。4)模块化、专门化与个性化机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种, 小批量的特点, 机床结构模块化、数控功能专门化、机床性能价格比显著提高并加快优化、个性化是近几年来特别明显的发展趋势。5)智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化, 如自适应控制, 工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化, 如前馈控制, 电动机参数的自适应运

9、算, 自动识别负载自动选定模型, 自整定等;简化编程, 简化操作方面的智能化, 如智能化的自动编程, 智能化的人机界面等智能诊断, 智能监控方面的内容, 方便系统的诊断及维修等。6)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机, 加工中心和数控复合加工机床), 线(FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段车间独立制造岛,FA), 体(CIMS, 分布式网络集成制造系统)的方向发展, 另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段, 是各国制造业发展的主流趋势, 是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠

10、性、实用化为前提, 以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓和完善;CNC单机向高精度, 高速度和高柔性方向发展;数控机床及其柔性制造系统能方便地与CAD/CAM/CAPP/MTS联结, 向信息集成方向发展;网络系统向开放、集成和智能化方向发展。为了实现数控系统的高速、高精，高档数控系统纷纷采用纳米插补、HRV 控制技术。例如FANUC 公司的30i/31i/32i 数控系统和0iMD 数控系统、三菱公司的M700V 数控系统、西门子公司的828D 数控系统都具备纳米插补功能，采用以纳米为单位精确计算位置指令，使机床平滑移动并且提高加工精度。同时，使用HRV 功能提高相应速度和控制精度。

11、例如0iMD 数控系统的主轴HRV3控制功能和30i/31i/32i 数控系统的HRV4 控制功能，三菱公司的SSS 控制功能（超高平滑表面控制），适合于实行高品质的模具加工。为了方便用户调试和使用，广泛使用现代的交流伺服驱动器，能在短时间内实现进给伺服和主轴相关参数的最优化，实现高速、高精的伺服性能，纷纷推出了各种伺服调整工具。例如FANUC 的SERVEGULDE，三菱公司的Servotuningtool：MsConfigurator。目前，随着现代制造业的升级和数控技术的不断发展，普通两轴、三轴数控联动加工已经广泛普及，大量的四轴、五轴联动数控机床投入制造企业进行高速、高精度加工。所以，

12、当前数控系统的发展趋势主要体现在高速、高精，伺服智能化，CAD、CAM、CNC 集成，产品系列化、个性化等方面。市场上对我国的数控系统的要求和国外同档次产品相比，不但要便宜（市场上能接受我国数控系统的价格只能是国外同等产品的一半），而且可靠性须相同。但是国内外品牌的数控系统成本是相同的，在这种情况下，我国数控系统企业就采用了国产电子元器件。2010 年2 月，国家质量监督检验检疫总局发布第10 号总局公告，公布了2009 年第4 批产品质量国家监督抽查结果。这次对29 类产品质量进行国家监督抽查中，涉及机床工具行业的是数控系统和数显装置，共抽查了北京、辽宁、上海、江苏、浙江、湖北、广东、四川、

13、贵州等9 个省、市的21 家企业生产的15 种数控系统和6 种数显装置产品。本次抽查依据机械安全机械电气设备第1 部分：通用技术条件GB5226.12002、机床数字控制系统通用技术条件JB/T88322001、光栅数字显示仪表JB/T10080.12000 和光栅线位移传感器JB/T10080.22000 等国家标准及行业标准的要求，对数控系统和数显装置产品的电源安全性、保护接地、绝缘电阻、耐电压强度、电源适应能力/ 电源适应性、噪声试验、静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验、电压暂降和短时中断抗扰度试验、外观、标志和标牌、颜色、接线、防护、操作与维修性、包

14、装检查、文件检查、结构型式及基本参数、功能检查、连续运行等21 个项目进行了检验。抽查结果显示，绝大多数产品都符合相关标准规定，合格率为85.7%，其中数控系统产品合格率达到93.3%。CNC 系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置、可编程逻辑控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图1 所示CNC 系统的核心是CNC 装置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC 代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。数控系统的工作过程：（1）输入：零件加工程序一

15、般通过DNC从上一级计算机输入而来；（2）译码：译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言；（3）数据处理：包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理；（4）插补：在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和终点之间进行数据点的密化；（5）伺服输出：伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并将结果发送到伺服驱动接口中去。我国数控机床技术与世界先进水平相比，还有不小的差距。首先，精度普遍不够；其次，基础材料开发方面存在差距，未普及高强度密烘铸铁；再次，高动、静刚度主机结构和整机性能开发的差距，高速机床主机结构设计方向是增强刚性和减轻移动部件重量。所以，我国数控系

16、统要想和国外数控系统处于同等地位，还必须不断地改进，直至符合国际化标准为止。一、SINUMERIK 数控系统功能SINUMERIK 数控系统是一个集成所有数控系统元件（数字控制器、可编程控制器、人机操作界面）于一体的操作面板安装形式的控制系统。西门子公司全新设计的驱动技术所提供的DRIVE-CLiQ 接口可以连接多达6 轴数字驱动。外部设备通过现场控制总线PROFIBUS DP 连接。这种新的驱动接口连接技术只需要最少数量的几根连线就可以进行非常简单而容易的安装。1.SINUMERIK 802DSINUMERIK 802D 将NCK、PLC、HMI 集成一体，通过PROFIBUS 连接各部件S

17、IMODRIVE 611U 数字驱动系统。可控制4 个进给轴、3 个数字或模拟主轴；集成大量CNC 功能；提供编程模拟及图形循环支持功能，PC 卡备份数据，可实现一次编程批量安装。2.SINUMERIK 840DSINUMERIK 840D 是西门子数控产品的突出代表。于20 世纪90 年代推出。它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880 和840C 的三CPU 结构：人机通信、数字控制和可编程逻辑控制器。840D 与SINUMERIK 611 数字驱动系统和SIMATIC S7 可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。标

18、准控制系统的特征是具有大量的控制功能，如车削、铣削、磨削以及特殊控制，这些功能在使用中不会有任何相互影响。840D 的突出之处在于其不断扩展的特性：（1）NC 包括神经网络，其自学习、自优化系统使系统的调整时间大为缩短。精调也可按机床用户的要求简单自动地进行。（2）交互式编程是操作简单但功能强大的编辑工具，它给操作人员极大的自由度使零件设计到工件成形的时间大幅度缩短。（3）为便于PLC 编程，开发了S7-HiGraph 点阵图形辅助编程工具，用于快速、简单的机械运动及时序的逻辑设计。（4）全新的AUTOTURN 软件使车削工件的编程大幅度简化，加工计划也可简单的通过按键生成。（5）在SINUM

19、ERIK 840D 和SIMODRIVE 611 的基础上，只需最少的硬件和软件投资，即可生成易于使用的仿形数字化系统。二、FANUC 数控系统1.特点FANUC 公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。(1)系统在设计中大量采用模块化结构，易于拆装。各个控制板高度集成，可靠性高，而且便于维修、更换。(2)有较完善的保护措施。FANUC 对自身的系统采用比较好的保护电路。(3)FANUC 系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。(4)提供

20、大量丰富的PMC 信号和功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC 控制程序，而且增加了编程的灵活性。(5)具有很强的DNC 功能。系统提供串行RS232 传输接口，使通用计算机PC 和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，实现高速DNC 操作。(6)提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC 维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。2.主要系列(1)普及型CNC 0D 系列：0TD 车床，0MD 铣床及小型加工中心，0GCD 圆柱磨床，0PD 冲床。(2)高性能、价格比的0i 系列：整体软件功能包，高速、高精度加工。0iMB/MA 加工中心和铣床，4 轴4

21、 联动；0iTB/TA 车床，4 轴2 联动，0imate MA 铣床，3 轴3 联动。(3)具有网络功能的超小、薄型CNC 16i/18i/21i 系列：控制单元与LCD集成于一体，超高速串行数据通讯。16i 最大可控8 轴6 联动；18i 最大可控6 轴4 联动；21i 最大可控4 轴4 联动。三、华中数控系统1.软件结构说明底层软件：它是华中数控系统的软件平台，其中RTM 模块为自行开发的实时多任务管理模块，负责CNC 系统的任务管理调度。NCBIOS 模块为基本输入输出系统，管理CNC 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序（I/O）的管理、位置控制、PLC 控制、插补计算以及内部监

22、控等。RTM 和NCBIOS 两模块合起来统称NCBASE。过程控制软件：它包括编辑程序、参数设置、译码程序、PLC 管理、MDI、故障显示等与用户操作有关的功能子模块。各功能模块通过NCBASE 的NCBIOS 与底层进行信息交换。2.NCBASE 的功能(1)实时多任务的调度。该功能由RTM 模块实现。调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。根据任务要求的调度机制和任务的状态对任务实行管理，即决定当前哪个任务获得CPU 的控制权。系统中各个任务只能通过调度核心才能运行和终止。(2)设备驱动程序。对于不同的控制对象，如加工中心、数控铣床、数控车床等，硬件的配置可能不同，而不同的硬件模块

23、其驱动程序也不同。华中数控系统在配置系统时，所有的硬件模块的驱动程序都要在NCBIOS 的NCBIOS.CFG 中说明。(3)位置控制。位置控制是NCBIOS 的一个固定程序，主要是接受插补运算程序送来的位置控制指令，经进行螺距误差补偿、传动间隙补偿、极限位置判别等处理后，输出速度指令值给位置控制。(4)插补器。华中数控系统为多通道数控系统，每个通道都有一个插补器，相应就创建一个插补任务。其任务主要是完成直线、圆弧、螺纹、攻丝及微小直线段等插补运算。(5)内部监控。实现对CNC 系统各部分故障的监控2012年的网上信息数控系统是数控机床的大脑，重要性不言而喻。国内数控系统的中高端市场被德国西门

24、子、日本FANUC瓜分。低端市场是国内数控系统的天下，数十家系统厂挤在这个狭小的市场区域内激烈搏杀，一时间，硝烟弥漫，血肉横飞，惨烈。国内比较著名的数控系统厂家有广州的广州数控，北京的凯恩帝、帝特马，武汉的华中数控，南京的华兴、仁和、开通、大地，成都的广泰，杭州的正嘉、深圳众为兴等等。根据数控系统厂家的技术实力、产品质量、服务品质和销售量，老金认为，广数、凯恩帝、华中、正嘉这四家企业已经隐隐杀出了重围，是数控系统行业的第一集团军。广州数控广州数控的销售量在国内是遥遥领先，估计今年的销售量可以突破12万套。如果单论数控系统的年销售，广州数控是世界第一，不过年销售金额和FANUC相比就很可怜了。广

25、州数控的品质在国内数控数控系统中只能算中上，服务品质是一骑绝尘、遥遥领先。老金有几个非常挑剔的客户，我问他们广州数控的服务怎么样，回答是向上翘起的大拇指。广州数控的技术能力非常一般。当年成名的980TA系统的主芯片是从凯恩帝购买的，上千人的开发团队十年间自主开发成功的系统只有980TD和983。很多技术人员在广数是条虫，可脱离广数后却是条龙，自立门户、叱咤江湖的不在少数。广州数控在珠三角有十余家机床销售展厅，销售的机床都是用数控系统置换回来的，一则是帮助下游机床厂销售机床，二则直接促进了数控系统的销售。“易货”这种原始却非常有效的销售方法是广数在技术不占优势的情况下能够打开市场的独门绝招之一。

26、凯恩帝数控凯恩帝产品的品质在国内有口皆碑。凯恩帝的技术脱胎于日本FANUC早期的3系列和6系列产品，凭着日本淘汰产品的技术，凯恩帝居然能横行国内数控系统行业十余年，老金不禁为国内数控系统行业的技术能力汗颜。除当年的广州数控外，现在凯达机床的国立精机系统也通过购买凯恩帝的主芯片才开发成功的。产量方面，凯恩帝稳居国内第二把交椅，按照上半年的势头，今年销量超6万套不成问题。服务方面，和广州数控的差距比较大。华中数控华中数控是御林军，天之骄子。华中数控有今天，全靠现在的中国工程院院长、曾经的教育部部长XX。华中数控是XX担任武汉华中科技大学校长期间创建的，XX曾经是华中数控的董事长，现在华中数控的董事

27、长陈XX是XX的得意门生。华中数控的推广不靠市场，靠政策。教育部机床招标基本内定必须使用华中系统，但是在企业中使用华中系统的寥寥无几，一句话，温室里长大的花朵怎能经得起市场上的惊涛骇浪。相对来说，华中的铣床系统比车床系统相对成熟，和其他的铣床数控系统相比性能属于拔尖的。技术实力方面，华中数控也乏善可陈，虽然号称拥有多位院士，可技术上领先在哪里？华中的稳定性可靠性比较让人诟病。闹笑话的是，华中一直引以为豪的七轴五联动数控系统，内核居然是购买美国的PMAC运动控制卡，然后写个操作界面得以实现的，这和当年的龙芯丑闻有什么区别呢？老金也希望得到国家大量资金支持的华中数控能开发出真正国际水平的数控系统，

28、为中国人争口气。杭州正嘉并不是因为正嘉的老板是老金的朋友，老金才这么郑重的推荐正嘉。正嘉目前每个月的销售量是800套，花了三年时间。广州数控达到每个月销售800套，整整花了15年的时间。正嘉的开发人员只有五人，但是插补前加减速功能、汉字备注功能、螺纹加工90度收尾功能、手轮试切防撞刀功能等等都是正嘉首创的，很多功能目前依然是横亘在其他厂家前的大山。正嘉系统速度快、圆弧好、螺纹好，目前已经得到了业内的公认。正嘉的弱点在于服务网络，因为是新公司，经济实力有限，服务网点相对较少，服务的及时性方面和广州数控的差距比较大。国内外数控系统的差距明显。目前国产数控系统的配套率可达70%,但是国产数控系统有8

29、0%以上是用于中低端数控机床上,国外品牌占拒我国高端数控系统95%以上的市场份额,国内外高端数控系统产品的差距仍然较大。数控系统的可靠性是系统生产商与用户关注度最高的性能指标之一。可靠性水平羽绒成为限制国产数控系统发展的瓶颈。国家在政策上没有对数控系统产品形成系统的可靠性监督检测制度。虽然JB/T8832机床数控系统通用技条件等标新规定数控系统的可靠性工作与要求，但并没有政策文件等规定数控企业一定要按要求来开展工作。实际上，数控系统的可靠性工作仍处于企业自愿阶段，可靠性工作极其有限。在军工行业，GJB450A装备可靠性工作通用要求明确地规定了产品在各个阶段应该开展的可靠性工作，并由相关部门监控

30、所有工作的开展情况。技术人员的可靠性水平直接决定了数控系统产品的可靠性水平。调研显示，国产数控系统技术人员可靠性水平严重不足，严重阻碍了国产数控系统可靠性水平的提升。1)包括项目经理在内的绝大多数数控系统技术人员没有接受过专业的可靠性知识培训,不能熟练运行相关的可靠性知识来服务于国产数控系统的研发;2)技术人员没有进行可靠性工作的相关经验,进一步阻碍了可靠性工作的开展;3)多数技术人员没有明确的可靠性工作要求,进而没有学习可靠性知识的动力,导致数控系统技术人员的可靠性水平长期没有提升。目前，数控行业的专业可靠性技术人员极度缺乏，应加强培养系统可靠性人才:1）积极拓展数控系统生产企业与可靠性专业

31、研究机械的沟通，邀请可靠性专业人员对数控企业技术人员进行培训；2)加强产、学、研数控系统项目的联合申请，在可靠性专业机械的指声导下，切实地开展可靠性要工作，通过实践提高数控技术人员的可靠性水平；3)加强高校、可靠性专业研究机构等专业可靠性人才的引进工作，快速地提升数控企业可靠性技术力量。GSK 990MA 为广州数控自主研发的普及型铣床数控系统，采用 32 位高性能的 CPU 和超大规模可编程器件 FPGA ，实时控制和硬件插补技术保证了系统 m 级精度下的高效率，可编辑的 PLC 使逻辑控制功能更加灵活强大。 系统标准配置为四轴三联动，旋转轴可由参数设定; 本系统最高定位速度可达30米/分，

32、最高插补速度达15米/分; 直线型、指数型和 S 型多种加减速方式可选择; 具有螺距误差补偿、反向间隙误差补偿、刀具长度补偿、刀具半径补偿功能 ; 提供多级密码保护功能，方便设备管理; 中、英文界面可参数选择; 程序区空间为56M ，最大可存储400个程序，支持后台编辑功能; 具有标准 RS232 接口功能，实现 CNC 与 PC 机双向传输用户程序、参数及 PLC 程序;可选配 USB 接口，具有 USB 在线加工功能及通讯功能，可通过通道选择实现;具有 DNC 控制功能(分布式数控)，波特率可参数设定; 内置 PLC ，实现机床的各种逻辑功能控制;梯形图可上传、下载; I/O 口可扩展(选配功能) ; 手动干预返回功能使自动和手动方式灵活切换;