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2023-11-06CATALOGUE目录•数控系统概述•数控系统的组成•数控系统的基本原理•数控系统的分类•数控系统的发展趋势和挑战•数控系统的应用实例01数控系统概述数控系统是一种采用数字控制方法的计算机控制系统。
它通过接收输入的程序信息，对信息进行计算、比较、处理等操作，控制各种机械运动，实现自动化加工。
数控系统主要由输入、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、伺服驱动装置、检测装置等组成。
数控系统的定义数控系统的特点数控系统具有高精度的控制能力，能够实现精确的加工和测量。
高精度高效性灵活性可靠性数控系统能够实现自动化加工，提高生产效率，降低人工成本。
数控系统具有多种控制模式和编程语言，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。
数控系统具有稳定的性能和可靠性，能够保证长时间连续工作的稳定性和安全性。
数控系统的应用范围数控系统广泛应用于机床、刀具、夹具等制造设备的控制，能够实现高效、高精度的加工和测量。
机械制造业数控系统用于半导体制造、电子组装等领域的控制和监测，能够实现精密的加工和检测。
电子制造业数控系统用于飞机、火箭等航空器的制造和维修，能够实现高精度、高效率的加工和检测。
航空航天业数控系统还广泛应用于汽车制造、医疗器械、食品加工等领域，能够实现自动化、智能化的生产和加工。
其他领域02数控系统的组成数控装置是数控系统的核心，也称为CNC装置或NC装置。
它由计算机、输入/输出设备、可编程控制器等组成，负责处理各种加工数据，如零件的几何尺寸、工艺参数、加工轨迹等，并将其转化为控制机床运动的指令。
数控装置一般采用高性能的微处理器和计算机硬件，具备强大的计算和控制能力，能够实现高精度、高效率的加工控制。
数控装置伺服系统是数控系统的重要组成部分，负责将数控装置的电信号转换为机床的运动。
它由伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。
伺服驱动器根据数控装置发出的指令，驱动伺服电机转动，实现机床的移动和转动。
反馈装置将机床的实际运动状态反馈给数控装置，形成闭环控制系统。
数控技术的概念及关键概念1. 概念定义数控技术（Numerical Control，简称NC）是一种基于数字化技术和计算机控制的自动化加工技术，通过预先编程的方式，将加工工艺参数转换为机床运动轨迹和操作指令，实现对工件进行精确、高效的加工。
2. 关键概念2.1 数控系统数控系统是数控技术的核心。
它由硬件和软件两部分组成。
硬件包括数控设备、伺服驱动系统、传感器等；软件包括编程系统、操作界面、运动控制算法等。
数控系统负责接收用户输入的加工要求和参数，并将其转化为机床运动轨迹和指令发送给执行部件。
2.2 数控编程数控编程是将加工要求和参数转化为机床能够识别和执行的指令序列的过程。
传统的数控编程使用G代码（国际通用标准）或M代码（机床厂商定义）进行描述。
随着计算机技术的发展，现代数控编程已经实现了CAD/CAM集成，可以通过图形界面进行可视化编程。
2.3 数控加工数控加工是指利用数控技术对工件进行切削、成形等加工操作的过程。
相比传统的手工操作或传统机械加工，数控加工具有高精度、高效率、重复性好等优点。
常见的数控加工包括铣削、钻孔、车削、镗削等。
2.4 数控机床数控机床是实现数控加工的关键设备。
它由运动系统和执行系统组成。
运动系统包括主轴、进给轴等，负责实现机床的运动；执行系统包括伺服驱动器、电机等，负责将指令转化为实际的运动。
2.5 自动化与智能化数控技术作为一种自动化加工技术，可以大大减少人力投入，提高生产效率和产品质量。
随着人工智能技术的发展，数控技术也逐渐向智能化方向发展，如自适应切削、自学习优化算法等。
3. 重要性及应用3.1 提高生产效率相比传统机械加工，数控技术具有高效率的优点。
数控机床可以实现多轴协同运动、高速切削等功能，大大提高了加工效率，缩短了加工周期。
3.2 提高产品质量数控技术能够实现高精度的加工，保证产品的尺寸精度和表面质量。
通过数控编程和仿真，可以在加工前模拟和优化加工过程，减少误差，并提前发现潜在问题。
116自动化控制Automatic Control电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering在当前阶段的数控机床中，将智能集成数控关键技术全面应用进来，不但可以使零部件生产的效率和质量全面提升上来，还可以使零部件生产工艺的水平进一步提高上来。
随着社会经济的不断发展，计算机技术的进一步发展，就以往的数控机床技术而言，其已经无法满足时代的发展要求，而在现阶段以及未来阶段，最为主流的发展趋势就是智能集成计算机数控关键技术，将其广泛的应用于数控机床的零件加工和生产中来，使我国的数控事业得到更大程度的发展。
1 智能集成计算机数控关键技术中的智能要素在现阶段的新型数控系统之中，智能集成计算机数控关键技术已经将以往的数控技术中存在的一些不足之处全部突破，将很多智能化的要素添加了进来，使数控机床的生产效率提高上来的同时，还使数控机床的生产工艺进一步提升了上来。
1.1 任务规划的智能化所谓任务智能化，其就是指，数控机床在实际工作的过程中，会将其自身接受到的任务，进一步进行转化，其转化的过程中，就是以实际环境的变化作为主要的依据，进而对相应的目标任务进行不断地调整。
基于此，数控机床在对零部件进行加工的过程中，可以以自身的相关性能作为主要的依据，进而进行随时随地的改变，进而使零部件的生产工艺得以全面有效提升的目的，使不合格率进一步降低，使其实际的生产性能进一步提高上来。
1.2 自适应的人机界面数控机床在实际应用并生产的过程中，将智能集成化的数控关键技术应用进来，不但可以使其自身的自主性和自动性进一步提升上来，还能使其实际的生产和管理模式得到进一步优化，进而达到机床运作效率全面提高的目的，使机床运作水平全面提高上来的同时，还能进一步使其自身的运作能力全面提升上来。
特别使在当前阶段，基于智能化的主导因素，将数控关键技术应用进来，不但可以使机床作业的人机互动性进一步提升上来，还能对不同的工作人员进行自动智能化的识别，以不同工作人员的不同使用习惯和方法作为主要的依据，进而使自身的自我适应得以达成，最终使数控机床的整体运作水平和实力全面提升上来。
数控机床可用性关键技术研究数控机床作为现代制造业的核心设备，其可用性对于生产效率和产品质量具有重要影响。
随着科技的不断进步，数控机床的技术性能和复杂程度不断提高，其可用性关键技术的研究也变得越来越重要。
本文将介绍数控机床可用性的研究现状、关键技术、案例分析以及结论与展望。
数控机床的可用性是指其在额定条件下，能够可靠地运行并保持生产能力和性能的能力。
目前，国内外学者针对数控机床的可用性关键技术开展了广泛研究。
其中，故障诊断和可靠性评估是研究的重要方向之一。
通过建立数控机床的故障模型，进行故障预测与诊断，并采取相应的维护措施，可以提高数控机床的可用性和运行效率。
针对数控机床的可靠性评估，学者们提出了多种评估指标和方法，以全面衡量数控机床的性能和稳定性。
故障诊断技术是提高数控机床可用性的关键技术之一。
通过对数控机床运行过程中的各种数据进行分析和处理，可以实时监测其运行状态，预测并及时报告可能出现的故障。
在故障发生时，能够迅速定位故障原因，缩短故障排除时间，提高维修效率。
常见的故障诊断方法包括数据挖掘、深度学习等。
可靠性评估技术是衡量数控机床性能和稳定性的重要手段。
通过对数控机床进行可靠性评估，可以发现其潜在的问题和薄弱环节，为预防性维护和优化设计提供依据。
常见的可靠性评估方法包括概率统计、模糊综合评价、灰色理论等。
某汽车制造企业引进了一批数控机床，为了提高这些设备的可用性和运行效率，企业决定采用故障诊断和可靠性评估技术。
通过对数控机床运行数据的分析和监测，实现了故障的早期发现和快速定位。
结合可靠性评估技术，对数控机床的性能和稳定性进行了全面评估。
根据评估结果，采取了相应的维护措施和优化设计方案，使数控机床的运行效率和可靠性得到了显著提升。
本文对数控机床可用性关键技术进行了深入探讨，包括故障诊断技术和可靠性评估技术等。
通过案例分析，说明这些技术的应用可以显著提高数控机床的可用性和运行效率。
然而，仍然存在许多问题需要进一步研究和解决，例如建立更加精确的故障模型、探究新的维护策略、优化设计方法等。
1. 高速化技术
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。
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。
因此，已经不能
像传统的数控系统那样，可以将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。
2. 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. 智能化技术
模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功运用，为数控设备智
能化水平的提高建立了可靠的技术基础。
智能化正成为数控设备研究及发展的
热点，目前采取的主要技术措施包括：
1) 自适应控制技术
提高加工效率是制造加工技术发展永恒追求的目标。
现在的数控机床对加工过程的控制还是开环控制，即它们只能忠实地执行人们预先为它编好的加
工程序，而对加工过程中工况的变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制
能力。
因此，零件的加工质量和加工效率强烈地依赖于工艺人员的经验和知识。
此外，加工状况复杂多变，工艺人员为了确保安全往往选择较保守的加工参数，使加工效率和质量的提高受到限制。
同时，加工状况(如刀具状况、加工中的振
动等)将直接影响设备加工的效率、质量和安全，这种情况在铣削加工大型零件(如加工大型水轮机叶片)时更是如此。
因此，加工过程的自适应控制技术，对
提高大型零件加工的效率，保障加工设备安全可靠运行是十分重要的。
加工过程的自适应控制技术是指数控装备能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
如通过监控
切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向数
控系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自
适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保证加工设备安全。
有
资料表明，应用该技术在铣削加工时其效率可以提高30％左右。
2) 专家系统技术
将专家的经验和切削加工的一般规律与特殊规律存人计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削
参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率
和降低对操作人员的技术要求，大大缩短生产准备时间的目的。
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。
4. 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。
