1、第二作业 调研报告-数控系统的国内外发展及应用现状数控系统的发展过程和趋势自1952年美国研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术的发展十分迅速，数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控(CNC)，它是综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感、测试、机械制造等技术而形成的一门边缘学科。随着现代化的生产对CNC的要求越来越高，数控系统之间不兼容，编程困难，智能化程度等诸多问题大大限制了现代化生产以及数控技术的发展，因此解除束缚数控发展的这些障碍，创建一个新的强有力的开放性体系结构已是数控发展的最重要趋势之一。当前，数控系统正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控
2、制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在技能化基础上，综合了计算机、通信、人工智能等多学科技术，实现了高速、高效、高精控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各种参数，实现在线故障诊断和智能化处理；在网络基础上，CADCAM与数控系统集成一体，实现工厂制造网络化、异地制造等。高精度高速度高效和高可靠性从1950年至2000年的50年间加工精度提升了100倍左右，即加工精度平均每8年提高l倍。近10年来，普通级数控机床的加工精度由lOgm提高到59m，精密级加工中心则从359m，提高到1159m，且超精密加工精度已开始进入纳米级。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达到
3、6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机等得到了快速发展，应用领域进一步扩大。目前，意大利某公司的数控铣床电主轴的最高转速可达75000 rmin，功率4 kW。高档数控机床的快进速度可达120 mmin，加速度达29以上，主轴转速已达100000 ffmin，换刀时间则少于014 S，五轴联动成为发展方向。发达国家正致力于研制更高精度的超高速数控机床。智能化、柔性化，网络化的发展趋势21世纪的数控装备将具有一定智能化的系统，智能化内容包含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
4、化，如加工过程的自适应控制，工艺参数的自动生成等；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程和操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，还有智能诊断、智能监控、方便系统的诊断及维修等内容。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：一方面从点(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)、体(CIMS)的方向发展；另一方面注重应用型和经济型的发展。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手段，是各国制造业发展的主流趋势，其重点是以提高系统的可靠性、
5、实用性为前提，以异域联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓、完善；数控机床及其构成的柔性制造单元能方便的与CAD、CAM、CAPP、MTS连接，向信息集成方面发展。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的新亮点。数控装备的网络化能够极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外的著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如日本山崎马扎克(M a z a k)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生产控制中心，简称cPc)；德国西门子(Siemens)公展出的Open
6、 Manufacturing Environment(开放制造环境，简称OME)等，均反映了数控机床加工向 开放式数控系统可以解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件产业化生产存在的问题。数控系统开放化巳成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化，并方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库及数控系统功能软件开发工具等是当前
7、研究的核心。目前世界上已成气候的开放式数控系统研究计划有：OSACA、OMAC和OSECO。OSACA全称Open System Architecture for Control within Automation Systems，即自动化系统中的控制开放系统体系结构。系统平台通过Applicator Program Interface对外提供服务。API是结构功能单元AO(Architecture Object)访问系统平台唯一途径，它屏蔽了平台的真实实现，保证了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性。常用的5个AO通常是HMC(人机界面)、LC(逻辑控制)、MC(运动控制)、AC(轴控制)和
8、PC(过程控制)。OSACA充分保证了“开放”的特征，即可移植性、可扩展性和可互换性。OMAC(Open Modular Architecture Controllers，开放式、模块化体系结构控制器)，最初由美国3大汽车公司克莱斯勒、福特和通用提出。它是采用搭积木的方式来构造控制系统。设计者在完成了分解之后，预制特定的模块集合在一起组成了一个库或积木盒。构造系统时只需从库中选取模块拼接在一起即可，就像搭积木一样简单，模块可以被重新利用和继承。OSEC(Open System Environment for Controllers，控制器开放系统环境)是由6家日本公司(东芝、丰田、MAZAK、
9、日本IBM、三菱电子公司和SML公司)组成的一个工作组提出的。OSEC所谓的开放式系统本身被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化人机界面的要求。OSEC的结构虽有独到之处，但与其他开放系统结构一样，也只是处于试验阶段，目前并未形成商业化的产品。目前在我国已有的开放式CNC系统有4种，即华中数控系统、中华I型(北京航空航天大学)、航天I型和蓝天I型。FANUC公司数控系统的产品（1） 结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构。（2） 采用专用LSI，以提高集成度、可靠性，减小体积和降低成本。（3） 产品应用
10、范围广。每一CNC 装置上可配多种上控制软件，适用于多种机床。（4） 不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆等。（5） CNC 装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC（可编程机床控制器）。（6） 在插补、加减速成、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能：插补功能：除直线、圆弧、螺旋线插补外，还有假想轴插补、极其坐标插补、圆锥面插补、指数函数插补、样条插补等。切削进给的自动加减速功能：除插补后直线加减速，还插补前加减速。补偿功能：除螺距误差补偿、丝杠反向间隙补偿之外，还有坡度补偿线性度补偿以及各新的刀具补偿功能。故障诊断功能：采用人
11、工智能，系统具有推理软件，以知识库为根据查找故障原因。（7） CNC 装置面向用户开放的功能。以用户特订宏程序、MMC 等功能来实现。（8） 支持多种语言显示。如日、英、德、汉、意、法、荷、西班牙、瑞典、挪威、丹麦语等。（9） 备有多种外设。如FANUC PPR， FANUC FA Card，FANUC FLOPYCASSETE，FANUC PROGRAM FILE Mate 等。（10）已推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC 通过该接口实现与上一级计算机通信。（11）现已形成多种版本。FANUC 系统早期有3 系列系统及6 系列系统，现有0 系列、10/11/12 系列、15、16、1
12、8、21 系列等，而应用最广的是 FANUC 0 系列系统。西门子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。所配套的驱动系统接口采用西门子公司全 新设计的可分布式安装以简化系统结构的驱动技术，这种新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。SINUMERIK802D sl为标准的数控车床和数控铣床提供了完备的功能，其配套的模块化结构的驱动系统为各种应用提供
13、了极大的灵活性。性能方面经过大大改进的工程设计软件 （Sizer，Starter）可以帮助用户完成从项目开始阶段的设计选型，订货直到安装调试全部过程中的各项任务。相对于 802D 在性能上有许多的改进，为广大的客户在希望扩大应用领域和范围方面提供了更多的可能和受益，例如：可以方便的使用 DIN 编程技术和 ISO 代码进行编程，卓越的产品可靠性，数字控制器，可编程控制器，人机操作界面，输入/输出单元一体化设计的系统结构，由各种循环和轮廓编程提供的扩展编程帮 助技术，通过 DRIVE-CLiQ 接口实现的最新数字式驱动技术提供了统一的数字式接口标准，各种驱动功能按照模块化设计，可以根据性能要求和
14、智能化要求灵活安排，各种模块不需要电池及风 扇，因而无需任何维护。 各种功能体现了西门子公司最新的产品创新技术，例如 5 个数字驱动轴，其中任意 4 个都可以作为联 动轴进行插补运算，另一个作为定位轴使用，同时，还提供一个相应的数字式主轴（模拟主轴即将推出）作为一个变型使用, 在带 C 轴功能时，可以采用 3 个数字轴，一个数字主轴，一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。新一代的西门子驱动技术平台 SINAMICS S120 伺服系统通过已经集成在元件级的 DRIVE-CLiQ 来对错误进行识别和诊断，从操作面板就可以进行操作，使用的标准闪存卡（CF）可以非常方便 的备份全部调试数据文件和子
15、程序，通过闪存卡（CF）可以对加工程序进行快速处理，通过连接端子使用两个电子手轮，216 个数字输入和 144 个数字输出（0.25A） ，RCS802 - 远程诊断和远程控制（NC 和 PLC） ，RCSEvent（通过电子邮件进行远程诊断） ，USB 口（即将推出）.国产数控系统 普及型中档数控系统是我国机床市场需求的主体，也是数控机床产业结构优化的基础。当前，国产数控系统产业面临着十分严峻的形势，国内 80%以上中高档数控系统和数控机床依赖进口，数控系统产业发展的严重滞后，已经成为制约我国制造业发展的瓶颈。由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承担的科技部 863 课题
16、国产数控系统的开发及其在中档加工中心上的应用，通过对三轴及三轴以上加工中心关键技术的研究、中试和与国产中档加工中心的批量配套，使国产数控系统的功能、性能和可靠性达到了国际同类产品先进水平，为国产中档数控加工中心的规模化生产奠定了基础。 创新的技术路线与研究成果 国产数控系统的开发及其在中档加工中心上的应用课题，瞄准国外数控系统和加工中心的先进水平，采用创新的技术路线：第一， 以软代硬、简化硬件，保障产品的品质；第二， 建立开放式平台、适应用户个性化要求；第三， 技术成套，降低成本，提高竞争力；第四， 第四，坚持将阶段研究成果迅速工程化，开发出适应于市场发展的数控系统新产品。在数控系统关键部件与
17、加工中心主机一体化设计、开发和生产工艺体系方面，取得了六个方面的重大突破。 华中世纪星 HNC-21/22 系列数控系统采用先进的开放式体系结构，内置高性能 32 位嵌入式工业 PC，数控单元集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、PLC 接口、网络通讯接口于一体，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、可靠性高的特点。可控制 6 个进给轴，最大联动轴数为 6 轴，可与数控车、车削中心、数控铣、加工中心、数控专机、车铣复合机床等机床配套。 HSV-16D 全数字交流伺服驱动单元将电源模块和驱动模块集成为一体，采用最新运动控制专用数字信号处理器（DSP）、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率
18、模块（IPM）等当今最新技术设计，具有结构小巧、造型美观、使用方便、可靠性高等特点。 国内外数控系统的比较随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上
19、，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加
20、工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术
21、发展的趋势来看，主要有如下几个方面： 尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金
22、，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空“的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂
23、等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，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，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作
24、方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
