数控技术的发展及行业新技术课件.ppt

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1、,数控技术的发展及行业新技术,数控技术的发展及行业新技术,一、数控技术的现状及发展趋势,1,、数控技术及行业现状,2,、数控技术及装备的发展趋势,二、数控加工的行业新技术,1,、高速加工,2,、快速成形技术,1,、数控技术及行业现状,近,20,多年来，电子信息、计算机等技术的高速发展，以及市,场需求的多样化，使得数控技术的发展和应用突飞猛进。,?,推动着制造业向高速、高精度、高智能化、高柔性化飞速迈进。,?,在非制造业，数控技术也大有用武之地（如：五坐标机器人等）,1,、数控技术及行业现状,数控技术发展至今：,?,可实现,3D,动态模拟显示加工过程,?,图形交互式自动编程（建立在,CAD/CA

2、M,软件基础上）,?,发达国家，五坐标联动技术成熟,?,FMS,已有成功应用,?,CIMS,技术上尚有难度,?,开放式、网络化、智能化数控一直处于研究之中,1,、数控技术及现状,高速性,国外高档、高速数控机床：,快进速度,可达,120m/min,加速度,可达,2g15g,主轴转速,可达,100000r/min,换刀时间,可少于,0.14s,1,、数控技术及行业现状,高精度,精度，平均每,8,年提高,1,倍。,近,10,年来：,普通级数控机床的加工精度从,10,微米提高到,5,微米,精密级加工中心则从,35,微米提高到,11.5,微米,超精密加工精度已开始进入纳米级（,0.01,微米）,国内可以

3、达到,0.1,微米,1,、数控技术及行业现状,可靠性,（与工作环境有关）：,MTBF,（,Mean Time Between Failures,），即平均故障间隔时间,国外（据称）：,数控装置的,MTBF,值,高达,6000,小时以上，,伺服系统的,MTBF,值,高达,30000,小时以上,对进口数控机床的多年跟踪考核结果表明：,德美日等国的著名品牌数控机床整机,MTBF,一般可达,1000,小时以上，有,的已高达,2500,小时以上。加工中心一般在,10002000,小时之间。,国产数控机床的,MTBF,从“八五”末期的,200,多小时提高到,600,小时以上。,1,、数控技术及行业现状,国

4、外数控系统,8090%,由一批著名的专业企业生产，如日本的,FANUC,、德国的,SIEMENS,、美国的,AB,公司、意大利的,FIDIA,、西班牙的,FAGOR,、法国,的,NUM,等。,中、高档数控系统已经逐渐集中到日本的,FANUC,和德国的,SIMENS,两,家企业，在全球的市场占有率高达,85%,。国际上一些知名的数控系统生产,厂家，如,AB,公司,、,GE,公司、飞利浦公司等，在产业化方面败下阵来。,1,、数控技术及行业现状,西门子可以满足从产品设计到投入运行以及安装、维修改造等贯通,整个个产品生命周期的各项服务,西门子,SINUMERIK,数控系统可为高端应用提供各类解决方案，

5、根,据最终用户的不同需求，其不同系统、软件产品及配套服务上都可以提,供相应环节的支持,西门子数控系统在中国市场的成功运营,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业的现状,我国数控机床行业的展望,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业现状：,从“六五”至“十五”，对数控技术的引进、吸收、自主开发、产业,化攻关，数控系统产业从无到有。,近,10,年,国产数控的突长期,?,已具备自主品牌的数控系统,?,数控系统水平相对较低,?,机床行业数控化率较低，发展空间大,?,价格相对便宜，但可靠性较低,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业现状,1,：,已具备自主品牌的数控系统,国产中档数控系统基本

6、可以满足国内生产的数控机床的技术要求,国产高档数控系统也已经实现零的突破,如五轴联动数控系统等,1,、数控技术及行业现状,主要数控系统生产企业有,20,余家：,东（上海开通、南京华兴、南京四开等）、,南（广州数控）、,西（成都广泰、,西南自动化所）,、,北（北京凯恩帝、沈阳高精、大连光洋等）、,中（华中数控）,还有：航天数控、蓝天数控、大森、浙大中控、数控、凯奇数控。,我国数控机床行业现状,1,：,已具备自主品牌的数控系统,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业现状,2,：,数控系统水平相对较低,国产数控机床始终处于低档（经济型）迅速膨胀、中档（普及型）进展,缓慢、高档依靠进口的局面。,国

7、,产,数控机床产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平,相比落后了,5-1 O,年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了,1 O-1 5,年。,国家重点工程需要的关键设备（如五坐标联动机床、高精机床等）主要,依靠进口，技术受制于人。,此外，国产数控系统的开放式、智能化、网络化技术方面与国外相比有,较大差距,1,、数控技术的行业现状,但由于国产系统的可靠性较低，,在国内的用户认可度较低。,我国数控机床行业现状,3,：,国外的高档数控系统价格昂贵，国产的价格相对便宜,1,、数控技术的行业现状,例：,意大利,Fidia,仿形数控系统价格约为,6070,万元人民币，而华中数控,与,Fidia,

8、相同档次的仿形数控系统价格仅为其,1/3.,非军事工业进口五轴联动机床，光,CNC,单元价格,20,多万元，而华中数,控五轴,CNC,价格仅为其,1/4.,英国的雷尼绍仿形测头价格高达,28,万元人民币。,德国,Walter,的数控工具磨床，仅一种刀具的编程软件就需,1,万美元。,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业现状,4,：,普及型数控机床所占比例从十多年前的,1 0,增长到目前的近,40,。,截止,2009,年,6,月我国机床行业产量数控化率达到,23,我国机床拥有量的数控化率仅,2%,，和发达国家,90,年代水平相比，差了,一个数量级。,我国的数控机床市场潜力巨大,1,、数控技术

9、及行业现状,我国数控机床行业现状：,20012007,年中国生产和进口的数控金属切削机床数量,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业现状：,20012007,年国产数控加工机床的产量和进口量,1,、数控技术及行业现状,我国数控机床行业的展望,?,产,业,前,景,?,发,展,策,略,我国数控机床行业的展望,产,业,前,景,中央出台的十大行业振兴规划需要大批先进的技术装备，,汽车、船舶、装备制造业的振兴以及航空航天、国防军工等,行业的发展将不断增加中、高档数控机床的需求。,国产中、高档数控系统的市场潜力非常巨大。,我国数控机床行业的展望,2015,年中国数控系统市场态势预测,我国数控机床行业的

10、展望,发,展,策,略,?,加大自主研发、创新力度，在高档数控系统关键技术上突破,（如五轴联动、大型、高精度、高速度、智能化、网络化等）,?,积极开拓专用数控系统和机床改造市场，拓展数控系统的应用领域,?,加强数控系统行业企业之间的合作，强强联合，做大做强,?,提高数控系统和相关功能部件的可靠性,2,、数控技术及装备的发展趋势,开放式、,高精度、高速度、高效率和高可靠性,数字制造,网络化数控系统,智能化、,开放式的数控体系结构,产生的原因,当今的,CNC,控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不,能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，,因此需要开放结构的数控系统。,l,现在的

11、,CNC,技术（其核心为,CNC,控制器和驱动技术）及结构,为专用的软硬件，远落后于,PC,的主流技术。升级困难，各厂,家,产品不兼容，成本高。,l,用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。,2,、数控技术及装备的发展趋势,开,放式的数控体系结构,开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化,(,用户界面、图形显示、,动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯,),，且对实时性和可靠性要求很,高。,特点：,可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到,不同的平台上。,可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。,互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据

12、定义,相互交换数据。,可维护性：用户修方便。,统一的人机界面。,2,、数控技术及装备的发展趋势,开放式的数控体系结构,上世纪,80,年代后期，发达国家，如美国、日本、欧洲开始提出开,放式的数控体系结构，并制定了相应的计划。如：,美国：,NGC(Next Generation Controller),OMAC,（,Open Modular Architecture Controls,）,欧洲：,OSACA,（,Open System Architecture for Controls,within Automation Systems,）,日本：,OSEC,（,Open System Envir

13、onment for Controllers,）,2,、数控技术及装备的发展趋势,2,、数控技术及装备的发展趋势,智能化,将是,21,世纪制造业发展的一个重要方向。,智能加工是在加工过程中模拟人类智能的活动，以解决加,工过程中许多不确定性因素。,2,、数控技术及装备的发展趋势,智能化,智能化的内容包括多个方面：,?,为追求加工效率、加工质量，如自适应控制、工艺参数自动生成；,?,为提高驱动性能的智能化，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、简化操作的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机,界面；,?,还有智能诊断、智能监控等等。,2,、数控

14、技术及装备的发展趋势,网络化,网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本,设备，它的通讯范围是：,（,1,）,数,控,系,统,内,部,的,CNC,装,置,与,数,字,伺,服,间,的,通,信,，,主,要,通,过,SERCOS,链式网络传送数字伺服控制信息；,（,2,）数控系统与上级主计算机间的通信；,（,3,）,与,车,间,现,场,设,备,及,I/O,装,置,的,通,信,，,主,要,通,过,现,场,总,线,，,如,PROFIBUS,等进行通讯；,（,4,）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；,（,5,）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。,2,、数控技术及装备的发展趋势,数

15、字制造,1995,年,12,月，美国,SME,主席,G.Olling,提出“数字制造”（“,digital,manufacturing”）。,“数字制造”，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有,信息。,在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；,DNC,可以对,CAD/CAPP/CAM,以及,CNC,的程序进行传送和分级管理。,DNC,技术使,CNC,与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直,接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。,如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息,控制机器，生产出合格产品；这

16、个全过程就是“数字制造”,。,2,、数控技术及装备的发展趋势,并联机床,直线电机,STEP-NC,E,维护,2,、数控技术及装备的发展趋势,传统的机床串联结构：,即按笛卡尔坐标沿三个坐标方向直线运动和绕这三个坐标转动依次串联,叠加起来，,形成刀具与工件的相对运动轨迹。,机床所有结构的几何精度误,差、力的传递和刚度的损失，,都会形成串联累积而成为致命的薄弱环节。,并联机床：,通过多杆结构在空间同时运动来移动主轴头以实現加工动作，,与串联结构,相比，,并联结构具有更为简化、刚度重量比大、速度快、,动态性能好（包,括精度保证及运动效率）、灵活方便等优点，具有广泛的应用和发展前景,，已成为数控技术研究

17、的一个热点。,并联机床,新的机床结构,2,、数控技术及装备的发展趋势,并联机床,并联加工中心,2,、数控技术及装备的发展趋势,2,、数控技术及装备的发展趋势,并联机床,并联机床的出现彻底改变了一百多年来机床的结构配置和运,动学原理。,1994,年，,Giddings&Lewis,公司在美国芝加哥,IMTS94,机床,博览会上推出的,VARIAX,并联机床，引起广泛关注，被称为,“,2l,世纪的机床”。,2,、数控技术及装备的发展趋势,近二十年来，有十几个国家从事并联机床的研发，,其中瑞典,TRICEPT,公司已供应商品四百余台，,应用于空客、波音、通用和卡勒比勒大型工程机械企业。,并联机床,2

18、,、数控技术及装备的发展趋势,我国也有产学研合作研发，并取得研究成果。如：,哈尔滨量具刃具集团与哈工大合作研发的并联机构，已生产,5,台，,成功应用于哈尔滨汽轮机厂叶片加工生产线中。,齐齐哈尔第二机床集团与清华大学合作开发的龙门式“混联”（串联,与并联混合）机床，已成功应用于哈尔滨电机厂的大型水电站设备制造中。,在,2008,年的中国数控机床展览会上，哈尔滨量具刃具集团又展出了,新的并联机床品种,LINKS-EXE700,（引进瑞典,TRICEPT,技术而开发的）,并联机床,2,、数控技术及装备的发展趋势,直线电机,新型的驱动技术（高速、高精度）,直线电机驱动技术在国外的高速加工、超精加工中成

19、功应用，,正成为国内外的研究热点和发展趋势,直线电机直接带动负载，无需中间传动环节（零传动）,配合气浮导轨或液体静压导轨，可达到无摩擦运动,2,、数控技术及装备的发展趋势,直线电机的优点：,?,高刚度,?,宽调速范围（通常可实现,1,微米,/s5m/s),?,极好的恒速特性（速度变化好于,0.01%),?,动态性能好,加速度高，大型电机,35g,以上，为传统的,10,20,倍，,小型电机通常可超过,10g,?,精度高,配合合适的反馈装置及导轨，控制精度可达亚微米级。,?,运行极平稳,定位精度和跟踪精度高。,?,理论上行程不受限制。,?,无磨损或免维护,直线电机,新型的驱动技术（高速、高精度）,

20、2,、数控技术及装备的发展趋势,直线电机的不足：,?,端部效应,推力波动,?,控制难度大,?,不能自锁,直线电机,新型的驱动技术（高速、高精度）,2,、数控技术及装备的发展趋势,直线电机的发展及应用概况,1845,年，英国人发明第一台直线电动机，未成功,上世纪中叶，直线电动机进入新的研究阶段,上世纪,80,年代末，出现直线伺服电动机。,上世纪,90,年代，随着高速加工概念的提出，直线电动机开,始在加工中心和大行程数控机床的进给系统中使用,2,、数控技术及装备的发展趋势,1988,年，美国的,Anorad,公司推出了无刷直流直线电动机，并获得专利。,1993,年，德国,Ex,cell,O,公司在

21、汉诺威国际机床博览会上展出了世,界上第一台应用直线电机驱动技术的,HSC,240,型,超高速,加工中心，,最快移动速度达,60m/min.,美国的,Precitech,公司是第一个将直线电机作为工业标准的超精密加,工设备厂商。,据有关资料介绍，该公司生产的超精密机床,Nanform 250 Ultra,加,工的表面粗糙度能达到,1nm,，面形精度能达到,0.1,微米,直线电机的发展及应用概况,2,、数控技术及装备的发展趋势,国外比较著名的直线电动机生产和供应商主要有美国的,Anorad,、,Parker-Hannifin,、,Aerotech,、,Kollmorgen,公司；德国的,Sieme

22、ns,、,Indramat,公司和日本的,FANUC,、,三菱公司等,目前，在日本、欧美西方工业大国，越来越多的高性能数,控机床和加工中心采用直线电机驱动技术。,直线电机的发展及应用概况,2,、数控技术及装备的发展趋势,国内，直线电机的研究始于上世纪,70,年代。,一些国产数控机床、加工中心运用了直线电机驱动技术，,直线电机特别是机床进给系统中的直线伺服电机的研究还处于起步阶段，,在超精密机床上的应用技术研究基本上还是空白，和欧美国家的差距还是,较大。,为了打破国外技术垄断的局面，必须加强基础和关键技术的研究。,直线电机的发展及应用概况,2,、数控技术及装备的发展趋势,E,维护快捷的售后服务及

23、技术支持,随着计算机网络技术的飞速发展，网络化全球制造已成为未来制造业发,展的趋势。在全球化的市场环境下，产品售后服务与技术支持已成为用户满,意度的重要影响因素。,E,维护因此而产生。,数控设备制造商可在所生产的产品中添加远程诊断模块等，通过网络给,用户提供故障诊断和维修技术指导。,目前，有,Siemens,、,Wisconsin,、,DMG,等公司开始,E,维护的工作。,2,、数控技术及装备的发展趋势,STEP (STandard for the Exchange of Product model data),传统的基于,G,、,M,代码（,ISO6983),的数控程序，存在的主要问题,：,

24、?,程序考虑的主要是机床各个轴的运动，而不是加工零件，导致加工程序,依赖于机床。从,CAD,CAPP,CAM,CNC,集成时，加工程序,自动生成后，必须针对机床进行人工后置处理，成为集成制造的障碍。,?,机床只能根据事先编好的,G,指令进行加工，无法实现加工过程的智能化控制,?,程序信息量不够、预处理计算影响速度，导致,G,代码程序不支持五轴铣削和,曲线加工的高速切削,STEP-NC,2,、数控技术及装备的发展趋势,STEP (STandard for the Exchange of Product model data),STEP-NC,（,ISO14649,）是国际标准化组织（,ISO,）

25、开,发。采用,EXPRESS,语言和面向特征的编程原理，将产品模型,数据交换标准,STEP,扩充至,CNC,领域，重新规定,CAD/CAM,与,CNC,之间的接口。,STEP-NC,2,、数控技术及装备的发展趋势,STEP-NC,Smart CNC data flow through using STEP-NC,2,、数控技术及装备的发展趋势,STEP-NC,，使传到,CNC,机床的“程序”不包含机床信息，只,有零件的特征信息,?,消除了传统数控加工时所需要的后置处理,?,为数控技术向高速化、智能化，开放式、集成化等方向发,展提供基础的数据模型标准。,STEP-NC,2,、数控技术及装备的发展

26、趋势,STEP-NC,的出现，将对数控技术的发展产生深远的影响。,STEP-NC,受到工业发达国家的重视。欧洲发起过,STEP-,NC,的智能制造系统（,IMS,）计划（,19992001,），参,加这项计划的又来自欧洲、日本、韩国等,20,多个用户、,厂商和学术机构。,目前，,STEP-NC,仍然面临诸多的技术问题,STEP-NC,二、数控加工的行业新技术,1,、高速加工,2,、非切削加工,1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,高速加工的基本特征：,?,切削速度高（为常规切削速度的,510,倍）,?,进给速度快（,40180m/min,）,?,加速度大

27、（,12g,）,1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,在加工策略合适的前提下，高速加工与常规切削加工相比，,具有明显的优点：,?,加工时间可减少约,60%,，,?,材料去除率提高,35,倍，,?,刀具耐用度提高约,70%,；,?,切削力减少约,30%,；,?,加工表面粗糙度可达,810,微米；,?,切削热,90%,被切屑带走，工件温升少，热变形小,。,高速加工技术将成为提高生产率、加工质量、加工精度和减低加工成本的重,要手段,1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,实现数控高速加工的关键技术：,?,高速切削机理,?,

28、高速主轴单元（如电主轴）,?,高速进给驱动系统（如直线伺服电机）,?,高性能的刀具系统,?,高速,CNC,系统（如,STEP-NC,）,?,高速机床支撑系统（如阻尼特性）,?,辅助单元技术（如干式切削,),1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,20,世纪,80,年代，高速加工进入实用化阶段，,在美、德、日等发达国家得到应用，,迅速开创了高速加工时代。,1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,近几年，高速加工在国内制造业中已越来越受到青睐。,但我国在高速切削基本方法和理论方面的研究起步晚、水平较,低，都没有真正运用到实

29、际生产中。,国内的高速切削数控机床几乎都是进口的。,1,、高速加工,（,High speed machining,，,HSM,）,高速机床在国内应用时的一些现象：,?,虽然引进了高速机床，但大部分却因为缺乏经验，,不敢提高速度，最终是机床效率无法体现；,?,因为没有吃透控制器里的高级指令，,有些指令根本就没有用过,?,编程上，,CAM,软件的应用水平有待提高,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),?,快速成型技术是加工方法逆向思维的重大突破，,与传统的“去除材料成型”、,“材料变形成型”,的方法反其道而行之，以“材料堆积成型”来制,造工件原型的一种工艺方法。,

30、2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),快速成型技术使用近乎全自动的工艺从,CAD,文件直接生产所需要的模型，可以显著减少产品,原型的开发时间和成本，迅速响应市场需求，最,快速度的抢占新兴市场，在当今世界的制造也越,来越受到重视。,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),?,目前典型的快速成型方法有：,?,光固化立体造型,SLA,（,Stereo Lithography Apparatus,）,?,分层物件制作,LOM,（,Laminated Object Manufacturing,）,?,选择性激光烧结,SLS,（,Selec

31、tive Laser Sintering,）,?,熔融沉积造型,FDM,（,Fused Deposition Modeling,）,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),选择性激光烧结,SLS,（,Selective Laser Sintering,）,具有粉末选材广泛、适应性广、制造工艺较简单、成形精度高、无需,支撑结构、可直接烧结零件、可以直接制造金属零件等诸多优点，,成为当前发展最快且已经商业化的,RP,方法，已成功应用于汽车、造,船、航天、航空、通讯、微机电系统、建筑、医疗考古等诸多行业。,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，

32、,RP),以激光器为能源，利用计算机控制激光束对粉末薄层以一定,的速度和能量密度按分层面的二维数据进行扫描烧结，层层堆,积，最后成形。,选择性激光烧结,SLS,（,Selective Laser Sintering,）,SLS,技术集,CAD,技术、数控技术、激光加工技术、材料科,学技术于一体。,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),选择性激光烧结,SLS,（,Selective Laser Sintering,）,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),选择性激光烧结,SLS,（,Selective Laser Sinteri

33、ng,）,存在的问题：,?,速度、精度、表面粗糙度不能满足工业要求,?,激光工艺参数对零件质量敏感,?,设备成本高,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),研究热点：,?,新材料的研究,?,SLS,烧结机理的研究,?,SLS,工艺参数优化研究,?,SLS,建模与仿真研究,选择性激光烧结,SLS,（,Selective Laser Sintering,）,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),快速成形技术最早产生于二十世纪,70,年代末到,8O,年代初，美国,3M,公,司的阿伦赫伯特于,1978,年、日本的小玉秀男于,1980,年

34、、美国,UVP,公司,的查尔斯胡尔,1982,年和日本的丸谷洋二,1983,年，在不同的地点各自独,立地提出了,RP,的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。,1986,年，美国学者首次提出,SLS,，,1988,年，研制出第一台,SLS,成形机，,1992,年，推出,SLS,的商业化设备,Sinter Station 2000,近年来，,SLS,工艺受到多国高校和研究机构的重视,2,、快速成形技术,（,Rapid Prototyping,，,RP),我国对,RP,研究起于,20,世纪,90,年代，主要以跟踪研究为主，技术,和设备已引进为主，价格昂贵。,目前，国内在,RP,成形系统、,SLS,成形机、金属粉末、烧结理论、,扫描路径等方面的研究、取得了重大成果,华中科技大学已成功开发具有自主知识产权的,HRPS-IIIA,选择性,激光成形机,?,开放型实验室管理,?,专业课程设计的创新,?,成立创新研究团队,高校学生创新能力培养的建议,谢,谢,