数控技术的应用与发展
1 绪论
数控加工技术是20世纪40年代后期为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术。其研究起源于飞机制造业，1947年，美国帕森斯公司为了精确地制作直升机机翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想。他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0381mm，这在当时的水平来看是相当高的。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所合作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床—三坐标立式铣床。可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。
第一章 数控技术的应用
1.1 数控技术的应用领域
一 制造行业
机械制造行业是最早应用数控技术的行业，它担负着为国民经济各行业提供先进装备的重任。应该重点研制开发与生产现代化军事装备用的高性能三轴和五轴高速立式加工中心。五坐标加工中心、大型五坐标龙门铣、汽车发动机、变速箱、曲轴柔性加工生产线上用的数控机床和高速加工中心，以及焊接、装配、喷漆机器人、板件激光焊接机和激光切割机、航空、船舶、发电行业加工螺旋桨和水轮机叶片零件用的高速五坐标加工中心、重型车铣复合加工心等。 二 信息行业
在信息产业中，从计算机到网络、移动通信、遥控等设备，都需要采用基于超精技术、纳米技术的制造装备，如芯片制造的引线键合机、晶片键合机和光刻机等，这些装备的控制都需要采用数控技术。 三 医疗设备行业
在医疗行业中，许多现代化的医疗诊断、治疗设备都采用了数控技术，如CT诊断仪、全身刀治疗机以及基于视觉引导的微创手术机器人等。 四 军事装备
现代的许多军事装备，都大量采用伺服运动数控技术，如火炮的自动瞄准控制，雷达的跟踪控制和导弹的自动跟踪控制等。 五 其他行业
在轻工行业，采用多轴伺服控制（最多可达50个运动轴）的印刷机械、纺织机械、包装机械以及木工机械等。在建材行业，用于石材加工的数控水刀切割机，用于玻璃加工的数控玻璃雕花机，用于服装加工的数控绣花机等。
1.2 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（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
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
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大 1.3 数控技术的应用分类
按工艺用途分类
金属切削类数控机床,包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床发及加工中心.这些机床都有适用于单件、小批量和多品种和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。金属成型类数控机床；这类机床包括数控折弯机、数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。数控特种加工机床；这类机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。其他类型的数控设备；非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。
按运动方式分类
点位控制；点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。直线控制；点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。轮廓控制；轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。
按控制方式分类
开环控制；即不带位置反馈装置的控制方式。半闭环控制；指在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件。闭环控制；是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
按数控制机床的性能分类
经济型数控机床、中档数控机床、高档数控机床；
按所用数控装置的构成方式分数
硬线数控系统、软线数控系统
第二章 数控技术的发展
2.1 高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在：
1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。
2.智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。
3.机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。
4.精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05μm左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001μm）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。
5.功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。
2.2 数控技术的发展
从1952年第一台数控机床问世后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，其六代是指电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器和基于工控ＰＣ机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称ＮＣ系统；后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称ＣＮＣ系统。 2.3 机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。（1）工序集中20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。目前，加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。（2）高速、高效、高精度高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也就更为突出。（3）方便使用数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。
1）加工编程方便
手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发了多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。
近年来，发展起来的图形交互式编程系统（WOP，又称面向车间编程），很受用户欢迎。这种编程方式不使用G、M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。 2）使用方法
数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。有的数控机床将采用说明书、编程指南等存入系统供使用者调阅。
第三章
数控技术的分类及关键技术
3.1 数控系统的控制原理
计算机数控系统
一 CNC系统的组成与特点
二 CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-1所示。
根据上述组成框图，CNC系统有如下特点：
1 灵活性
对于NC系统，一旦提供了某些控制功能，就不能被改变，除非改变硬件。而CNC 系统，只要改变相应的软件即可，而不要改变硬件。
2 通用性
在CNC系统中，硬件采用通用的模块化结构，而且易于扩展，并结合软件变化来满足数控机床的各种不同要求。接口电路由标准电路组成，给机床厂和用户带来了很大方便。这样用一种CNC系统就能满足多种数控机床的要求，当用户要求某些特殊功能时，仅仅改变某些软件即可。
3 可靠性
CNC系统中，零件数控加工程序在加工前一次性全部输入存储器，并经过模拟后才被调用加工，这就避免了在加工过程中由于纸带输入机的故障产生的停机现象。许多功能都由软件
完成，硬件结构大大简化，特别是大规模和超大规模集成电路的采用，可靠性得到很大的提高。
4 数控功能多样化
CNC系统利用计算机的快速处理能力，可以实现许多复杂的数控功能，如多种插补功能、动静态图形显示、数字伺服控制等。
5 使用维护方便
有的CNC系统含有对话编程、图形编程、自动在线编程等功能，使编程工作简单方便。编好的程序通过模拟运行，很容易检查程序是否正确。CNC系统中还含有诊断程序，使得维修十分方便。
3.2 CNC系统的硬件结构
数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。输入/输出装置主要有键盘、纸带阅读机、软盘驱动器、通信装置、显示器等，用以控制数据的输入/输出，监控数控系统的运行，进行机床操作面板及机床机电控制 /监测机构的逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关应答信号。机床电器逻辑控制装置接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，实现数控机床的顺序控制。在现代数控系统中机床电器逻辑控制装置已经被可编程序控制器（PLC）取代。驱动装置一般是以轴为单位的独立体，用以控制各轴的运动。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
一、大板结构和功能模板结构 1 大板结构
大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。 2．功能模块结构
在这种结构中，整个CNC装置按功能模块化分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计，每一个功能模块做成尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软件也模块化。用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就组成了自己需要的CNC系统的控制装置。常用的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PC板、存储器板、图形板和通信板等。FANUC系统15系列就采用了功能模块式结构。
二 单微处理器结构和多微处理器结构
1 单微处理器结构在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。
2 多微处理器结构随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。 3.3 数控技术的关键技术
数控装备的高速度、高精度、高柔性和高自动化程度，向数控系统和伺服驱动系统提出了新的要求，下面主要从数控系统与伺服驱动系统方面介绍其关键技术。要实现数控设备高速化， 首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速度地作出反应。采用32位微处理器是提高数控系统高速处理能力的有效手段。在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。主轴高速化的手段是直接把电机与主轴连接成一体，从而可将主轴转速大大提高。采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杠技术，在提高轮廓加工速率的同时，提高了加速度。
一、除不断采用新型功能部件外，还需在以下几个方面进行深入研究：
1 高速加工动力学建模及控制高速运动下的对象已经不能用纯静态的方法处理，数控问题也不再能归结为几何问题或静力学问题。作为一个动态对象，它并不是“亦步亦趋”地跟随所施加的控制，而力图表现出它的“个性”；另一方面，所施加的控制必须充分顾及被控制对象的动态特性，才能得到预期的控制效果。控制系统与被控制对象分开来研究和制造， 而必须作为一个整体来处理，研究其在高速状态下的动力学问题，以及超高速运动控制条件下光、电信号的时滞影响及其消除的问题。在高速情况下，必须研究集数控系统与控制对象为一体的整体动力学建模、基于整体动力学模型的非线性控制策略、智能化控制方法等。 2 机电特性参数的辨识、分析与控制优化高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。 3 高速、高精插补运算和控制算法高速、高精插补是将复杂轨迹按控制规律分解成伺服控制指令。轮廓加工时，加工程序由巨量微小线段构成，高速加工除需保证微段程序连续执行外，还需根据轨迹变化及时预测各轴状态，实现高加速度运行要求。这就要求对微段程序的高速、高精插补、高速预处理，微段程序的加减速控制，超前G代码预测(Look ahead)，复杂轨
迹的直接插补以及高速数据传输等进行深入的研究。 4 面向高速高精加工的数控编程原理及方法传统的数控编程解决了中低速加工中的刀位轨迹生成问题，但是高速加工却对数控编程从原理与方法上提出了更高的要求。为此, 必须在研究高速加工工艺机理的基础上，研究适用于高速高精加工的数控编程原理及方法。在这方面，高速加工工艺机理、高速加工工艺参数知识库、基于高速加工非线性运动误差补偿的刀位轨迹规划、加工程序平滑过渡、高速加工中进给速度优化、基于STEP标准、面向加工特征的高级NC代码语言等都是需要研究的内容。 二 高精度化技术
提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿 技术来实现。
在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率，提高位置检测精度的方法。 然而在高速、高精加工的情况下，在线动态测量和补偿存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测原理研究，以及控制误差的在线和实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。为解决在高速、高精加工中的小步长与大行程之间的矛盾，需要研究新的高速驱动原理及机构。在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，近年来对设备热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究课题。
3 故障自诊断技术
故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。
4 智能化交流伺服驱动技术
目前已开始研究能自动识别负载，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，使驱动系统获得最佳运行参数。
四 网络化技术
数控设备的网络化技术是指能支持远程监视、诊断和控制，支持网络制造资源共享、支持装备参与网络化环境下制造系统集成的技术。其主要技术内容有：
1 网络环境下的数控装备的集成技术研究网络环境下的数控装备网络互连技术(包括装备间的互连技术和装备内部的互连技术)，网络环境下的数字化制造装备分布式协同处理技术和异构设备网络集成技术等。
2 远程操作、监控与远程诊断技术研究实时监测数据的特征提取、识别和融合，诊断知识的组织以及推理算法，实时可靠的通信协议及数据的共享标准等；网络环境下数控装备运行状态的智能检测、监控和诊断技术、数控装备的网络全局调度技术、远程设计编程技术及远程操作技术等。
3 网络管理技术的研究在网络制造环境下，网络除了用于传输加工程序、实现网络操作和控制和远程诊断外，更为重要的是进一步提高机床的生产率。为此需要研究网络管理技术， 即网络生产管理系统，网络CAD／CAM系统，面向网络化制造环境的数控装备的网络安全机制与防范技术等
结论
衡量一个国家的国力水平并不单单指军事上的水平，如今，制造业的水平已是一个大国的重要指标。数控技术自20世纪40年代发展至今，已成为制造业的支柱性技术。21世纪是信息时代，数控技术与信息的完美结合，极大的提高了制造能力，向产品更精、速度更快、质量越好的方向发展。中国应大力加大研发数控技术，提高国内制造业对数控技术的应用。
