CNC加工数控技术的发展方向

随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密数控加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提出了更高的性能指标，（导读：大朗数控车床CNC车削加工工艺概述http://www.hswj66.com/Article/dalangshukongchechua_1.html）。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。具体表现在以下几个方面。

(1)高速度与高精度化

速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到数控加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密数控加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求;另外，这两项技术指标又是相互制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，其位移分辨率和进给速度已可达到1μm(100~240m/min)、0.1μm(24m/min)、0.01μm(400~800mm/min)。为实现更高速度、更高精度的指标，月前主要在下面几方面采取措施进行研究。

①数控系统采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前已由原来的8位CPLT过渡到16位和32位CPU及64位CPU，主频已由原来的5MHz提高到16MHz,20MHz,32MHz，有些系统已开始采用双CPU结构。以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。

②伺服驱动系统全数字交流伺服系统，大大提高了系统的定位精度、进给速度。所谓数字伺服系统，指的是伺服系统中的控制信息用数字量来处理。随着数字信号微处理器速度的大幅度提高，伺服系统的信息处理可完全用软件来完成，这就是当前所说的“数字伺服”。数字伺服系统利用计算机技术，在电机上有专用CPU用来实现数字控制，它一般具有下列特性。

a.采用现代控制理论，通过计算机软件实现最佳最优控制。

b.数字伺服系统是一种离散系统，它是由采样器和保持器两个基本环节组成的。其校正环节PID控制由软件实现。计算机处理位置、速度和电流构成的三反馈全部数字化。

C.数字伺服系统具有较高的动、静态精度。在检测灵敏度、时间和温度漂移以及噪声和外部干扰方面有极大的优越性。

d.系统一般配有SERCOS(Seria)Real-titheCommunicationSystem—串行实时通信系统)板。这种新的标准接口提供了数字驱动设备、I/O端口与运动/机床控制器之间的开放的数字化接门。与现场总线相比，它可以实现高速位置闭环控制，处理多个运动轴的控制，同时可以采用精确、高效的光纤接口，以确保通信过程的无噪声，简化模块之间的电缆连接，提高系统的可靠性。

在采用全数字伺服系统的基础上，开始采用直线电机直接驱动机床工作台的“零传动”直线伺服进给方式。直线伺服电机是为了满足数控机床向高速、超高速方向发展而开发的新型伺服系统。

③机床静、动摩擦的非线性补偿控制技术机械动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统静、动摩擦非线性的控制功能。

④高速大功率电主轴的应用在超高速数控加工中，对机床主轴转速提出了极高的要求(10000~75000r/min)，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，比较多地采用了所谓“内装式电机主轴”(Build-inMotorSpindle)简称“电主轴”。它是采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，机床主轴单元的壳体就是电机座，实现了变频电机与机床主轴一体化。主轴电机的轴承需要采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式，以适应主轴高速运转的要求。

⑤配置高速、功能强的内装式可编程控制器(PLC)提高可编程控制器的运行速度，来满足数控机床高速数控加工的速度要求.新型的PLC具有专用的CPU，基本指令执行时间可达0.2μs/步.编程步数达到1600。步以上。利用PLC的高速处理功能，使CNC与PLC之间有机地结合起来，满足数控机床运行中的各种实时控制要求。

(2)多功能化

①数控机床采用一机多能.以最大限度地提高设备利用率。

②前台加工、后台编辑的前后台功能，以充分提高其工作效率和机床利用率。

③具有更高的通信功能，现代数控机床除具有通信口，DNC功能外，还具有网络功能。

(3)智能化

①引进自适应控制技术自适应控制AC(AdaptiveControl)技术的目的是要求在随机变化的数控加工过程中，通过自动调节数控加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳工作状态。由于在实际数控加工过程中.大约有30余种变量直接或间接地影响数控加工效果，如工件毛坯余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等等.这些变量事先难以预知，编制加工程序时只能依据经验数据，以至在实际数控加工中，很难用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的数控加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。

②采用故障自诊断、自修复功能这主要是指利用CNC系统的内装程序实现在线故障诊断，一旦出现故障时，立即采取停机等措施，并通过CRT进行故障报警.提示发生故障的部位、原因等。井利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块。

③刀具寿命自动检测和自动换刀功能利用红外、声发射(AE),激光等检测手段，对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损、破损等，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。

④引进模式识别技术应用图像识别和声控技术，使机器自己辨识图样，按照自然语言命令进行数控加工。

(4)高的可靠性

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性，目前主要采取以下几方面的措施。

①提高系统硬件质量。

②采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式。

③增强故障自诊断、自恢复和保护功能。

除上述几方面外，数控机床的数控系统正向小型化、数控编程自动化等方向发展。

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