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数控系统的发展趋势

(机械设计)

摘要：初步了解数控系统发展趋势。

关键词：数控系统；发展趋势；ComputerNumericalControl；CNC。

1、前言——国内外数控系统发展概况

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，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；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

2、数控技术发展趋势

2.1性能发展方向

(1)高速、高精、高效和高可靠性

速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。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1倍。由于逐渐采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。近10年来，普通级数控机床的加工精度由10um提高到5um，精密级加工中心则从3~5um提高到1~1.5um，且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01um）。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达到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。

为了实现高速、高精度加工，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75000r/min，功率4kW。高档数控机床的快进速度可到120m/min，加速度达2g以上，主轴转速已达100000r/min，换刀时间则少于0.14s，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。

(2)柔性化

包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

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、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。

(3)工艺复合性和多轴化

数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。

采用5轴联动对三维曲面零件加工，可使用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度值低，而且效率也大幅度提高。一般，1台5轴联动机床的效率等于2台3轴联动机床，特备是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬港零件时，5轴联动加工比3轴联动加工能发挥更高的效益。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，加之编程技术难度大，制约了5轴联动机床的发展。当前，优越电主轴的应用，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，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。

(4)实时智能化

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中