1、清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 数控技术发展现状与趋势数控技术发展现状与趋势 叶叶 佩佩 青青 河南理工大学机械系河南理工大学机械系 童景琳童景琳 Tel：18236879783 Email： 作业：阅读报告 n在下列专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告在下列专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告 n数控系统发展趋势； n进给伺服系统和驱动电机发展趋势； n主轴驱动系统和主轴电机发展趋势； n数控机床的发展趋势； n国外最新数控系统或机床介绍、比较（至少6种） n 要求：要求： n至少阅读5篇2000年以后的文献资料，其中外文资料
2、不得少于2篇，并在上交时附上相应的参考文献。 n阅读报告的字数不得少于3500汉字。 n上交时间4月30日以前。 第第8章章 数控技术发展现状与趋势数控技术发展现状与趋势 8.2 8.3 8.4 随着计算机技术的发展，数控 技术不断采用计算机、控制理 论等领域的最新技术成就，使 其朝着下述方向发展。 1.1 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化， 并具有高加（减）速度。 n 进给率高速化：进给率高速化： n在分辨率为1m时，Fmax=240m/min，可获得复杂型 面的精确加工； n在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有 1.5g
3、的加减速率； 1、趋势、趋势运行高速化运行高速化 Linear Motor n在高效加工中心上达到90 m/min的快移速度和 1g的加速度。 n直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤 其在激光切割和高速加工中。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 平面电机平面电机 n换刀速度换刀速度 n0.9秒（刀到刀） n2.8秒（切削到切削） n工作台（托盘）交换速度工作台（托盘）交换速度 6.3秒。 n主轴高速化：主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机）， 主轴电机的转子轴就是主轴部件。 n主轴最高转速达200000r/min。 n主轴转速的最高加（减
4、）速为1.0g ，即仅需1.8 秒即可从0提速到15000r/min。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： Spindle Motor 提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度； 采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。 n 提高提高CNC系统控制精度：系统控制精度： n采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给， 使CNC控制单位精细化； n采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度 （日本交流伺服电机已有装上106 脉冲/转的内藏位 置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲） n位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。 2
5、、趋势、趋势加工高精化加工高精化 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： n采用误差补偿技术：采用误差补偿技术： n采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差 补偿等技术; n设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。 研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差 减少6080。三井精机的JidicH5D型超精密 卧式加工中心的定位精度为0.1m。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业 生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能 化程度不断提高，体现在：
6、3、趋势、趋势控制智能化控制智能化 n 加工过程自适应控制技术：加工过程自适应控制技术：通过监测监测主轴和进给 电机的功率、电流、电压等信息，辩识辩识出刀具的受力、 磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修修 调调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设 备处于最佳运行状态，以提高提高加工精度、降低工件表面 粗糙度以及设备运行的安全性。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： n加工参数的智能优化加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊 工艺经验，用现代智能方法，构造构造基于专家系统或基 于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，获
7、得获得优 化的加工参数，提高提高编程效率和加工工艺水平，缩短缩短 生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济 的工作状态。 n 智能化交流伺服驱动装置：智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整 控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动 系统获得最佳运行。 n 智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 n智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现 代智能方法，实现故障。 n智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位， 以技术。集故障自 诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全 生命周期。 n智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智 能化自修复技术还在研究之中
8、。 日本京都大学、大阪机工、三菱电机、MAZAK等 研究机构研究机构 具体目标具体目标 实现安全、高效、高速加工的智能化数控机床 系统特征系统特征 数控系统各种控制参数自适应 数控机床加工条件自适应 加工过程据采集及自律学习 INC (Intelligent NC) 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： INC结构图结构图 INC (Intelligent NC) 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，在一台设备上实现多种工艺步骤的加工， 缩短加工链缩短加工链 n车铣
9、复合车削中心（ATC，动力刀头）； n镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心 （ATC，主轴立卧转换）； n铣镗钻车复合复合加工中心； n可更换主轴箱的数控机床组合加工中心； n集车削和激光加工于一体的机床； n测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量 PCNC异型螺杆加工数控系统异型螺杆加工数控系统 加 工 条 件 精 度 要 求 工 艺 要 求 产品需求 产品几何模型 NC程序 机床控制 结构单元 机床数据 运动控制及驱动 逻辑控制及驱动 主轴控制及驱动 C A D C A M C N C 工 具 系统数据 CADCAD、CAMCAM、CNCCNC三者关系图三者关系图 用 户 界 面
10、 CAD DB CAM 1.曲面片选择 2.刀轨形成 3.刀轨仿真 4.干涉分析 刀具DB 切削条件DB 刀轨形成算法 图形仿真 刀轨数据NC部分指令DB CNC 1.手动控制 2.自动控制 插补算法 逻辑控制 NC控制器 执行硬件 电机驱动器 机 床 逻辑电路 CAD 几何模型 曲面模型 CAD/CAM/CNCCAD/CAM/CNC 智能智能4M数控系统：数控系统：将 测量(Measurement)、 建模(Modelling)、 加工(Manufacturing)、 机器操作(Manipulator)四 者（即4M）融合在一个 系统中，实现信息共享、 快速制造、快速检测和 快速响应。 支持
11、网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能 满足FMC、FMS、CIMS、灵捷制造TEAM （technology enabling agile manufacture）对基层 设备集成要求的数控系统。 n网络资源共享。 n数控机床的远程（网络）控制。 n数控机床故障的远程（网络）诊断。 n数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控） 5、趋势、趋势交互网络化交互网络化 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： n数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和 I/OI/O的控制是数控技术的发展方向。的控制是数控技术
12、的发展方向。 n数控中：德国数控中：德国IntrtamatIntrtamat的的SERCOSSERCOS、美国、美国DELTATAUDELTATAU 的的Mcro-LinkMcro-Link、日本、日本FANUCFANUC的的SERVO-LinkSERVO-Link、日本三菱、日本三菱 的的Tro-LinkTro-Link等。等。 n由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协 议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/OI/O 模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，
13、这样的系 统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。 n另外的网络通讯协议：另外的网络通讯协议：ARCNETARCNET、CAN BusCAN Bus、 ProfibusProfibus、USBUSB、IEEE1394 IEEE1394 。 nIEEE1394IEEE1394的前身即的前身即FireWireFireWire，是，是19861986年由苹果年由苹果 电脑公司针对高速数据传输所开发的一种串行电脑公司针对高速数据传输所开发的一种串行 数据传输协议，并于数据传输协议，并于19951995年获得美国电机电子年获得美国电机电子 工程师协会认可成为正
14、式新标准。工程师协会认可成为正式新标准。 n现在大家看到的现在大家看到的IEEE1394IEEE1394、FireWireFireWire和和i.LINKi.LINK 其实指的都是这个标准，通常，在其实指的都是这个标准，通常，在PCPC个人计算个人计算 机领域将它称为机领域将它称为IEEE1394IEEE1394，在电子消费品领域，在电子消费品领域 则更多的将它称为则更多的将它称为i.LINKi.LINK。 nIEEE1394IEEE1394（FireWireFireWire）：高速串行数据传输）：高速串行数据传输 的开放式技术标准，通讯速度最高达的开放式技术标准，通讯速度最高达400MHz4
15、00MHz； n目前目前IEEE1394IEEE1394技术使用最广的是数字成像领技术使用最广的是数字成像领 域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。 nIEEE1394IEEE1394可以采用光纤进行信息的传输，大可以采用光纤进行信息的传输，大 大地提高了系统的通讯速度和数据传输距离大地提高了系统的通讯速度和数据传输距离 以及数据传输的可靠性。以及数据传输的可靠性。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 基于IEEE1394总线的数字控制系统的硬件原理 IEEE1394光纤通讯接口卡IEEE1394光纤通讯接口
16、卡 IEEE1394光纤信号转接模块IEEE1394光纤信号转接模块 PC光纤通讯卡光纤通讯卡Fire Wire ） 系统既具有了PMAC 与SERCOS控制卡两 者的优势，又在工艺 性和配套性方面取得 了新进展。 I IP PC C I I/ /O O接接口口模模块块 伺伺服服接接口口模模块块 伺伺服服网网络络 I I/ /O O网网络络 伺伺服服驱驱动动器器 I I/ /O O设设备备 . .系系统统人人机机界界面面 . .数数控控代代码码处处理理 . .数数控控插插补补 . .位位置置伺伺服服控控制制 . .指指令令平平滑滑处处理理 . .运运动动控控制制补补偿偿 . .软软件件P PL
17、 LC C控控制制 （光光纤纤） （光光纤纤） 光光 纤纤 通通 讯讯 适适 配配 卡卡 基于基于Fire Wire的数控系统硬件结构图的数控系统硬件结构图 1. 传统数控系统的特点传统数控系统的特点 n由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。 n功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对 开放式的生产环境和功能。 n对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应 的培训。 n对于使用者控制器成为黑盒子无法自行修改更新。 1.2 开放式数控的体系结构开放式数控的体系结构 2. 用户对控制器的要求用户对控制器的要求 n开放性：开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发 n模块化：模块化
18、：具有平台无关性 n接口协议：接口协议：可传递性、可移植性 n可进化性：可进化性：智能化 nNC语言统一化：语言统一化：中性语言NML： FADL、OSEL n竞争性：竞争性：经济性、可靠性 n适应计算机技术发展的生产系统的开放化适应计算机技术发展的生产系统的开放化 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 3.3.开放式数控系统开放式数控系统特征特征 n模块间接口协议描述精确，允许各模块独立开发； n允许体系结构本身能被扩展； n系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization) 与多样化( Diversification)和互换性(
19、Interchangeability) 的特征 n允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式” 的集成。构造应该是可移植的和透明的； 4. 开放式数控装置的概念结构开放式数控装置的概念结构 硬件配 置 单元 软件配 置 单元 标准计算机硬件 数控系统 基本硬件 数控功能 应用程序 DOS(WINDOWS) 实时多任务操作系统RTM 应用程序接口 NC构件库 5. 开放式体系结构数控的优点开放式体系结构数控的优点 n数控系统厂数控系统厂 n品种减少、批量增加，易于满足用户要求； n开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参与； n软件开发效率提高，产品更新加快。 n机床厂机床厂 n可使整机具
20、有个性化，降低开发成本。 n减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。 n最终用户最终用户方面方面 n购买机床时的初期成本透明化； n机械设备变更时，而降低寿命周期成本； n能实现用户自身独特的的FA系统设计； n用户界面的一致性，易于使用和培训； n 美国的美国的NGC (Next Generation Controller) OMAC (Open Modular Architecture Controller) n 欧州欧州 的的OSACA (open system architecture for controls within automation systems) n 日本日本OSEC：
21、(Open System Environment for Controller Architecture) n TRUE-CNC 6. 开放式数控技术研究状况开放式数控技术研究状况 一、OMAC n美国的美国的NGC和和OMAC计划计划 19891994年 NGC ，开发“开放式体系结构和NML (Neutral Manufacturing Language)中性语言”； 1994年 GM Ford Chysler based on PC OMAC 计划。具 有经济性、开放性、模块化、可维护性、可塑性等。 nOMAC定义了标准化的OMAC API； n用户可以加入自己需要的特殊功能； n充分利
22、用Windows OS、CAD、CAM等PC现有资源， 以RTOS（Real Time Operation System）为核心； n采用实时的数据库。 n产品：PMACNC。 OSACA的参考体系结构参考体系结构RA (Reference Architecture)由一 系列逻辑上相互独立的控制模块构成， 具有平台无关性。 n控制器软件功能模块控制器软件功能模块AS (Application Software) n模块之间具有友好的接口协议模块之间具有友好的接口协议API (Application Programming Interface)通过平台API交换系统信息。 n应用层应用层 AO
23、 (Architecture Objects) n人机界面定义 GUI n运动控制 MC（Motion Control） n逻辑控制 LC（Logic Control） n数控宏指令 NCDL（Numerical Control Description Language） 二、欧共体的二、欧共体的OSACA计划计划 OSACA系统平台结构系统平台结构 n信息交换层信息交换层MBCP(Message Based Communication Platform） 支持各模块间的数据交换，将软件同硬件平台隔离，使数据 交换与系统无关。 n系统配置系统配置CS(Configuration System)
24、 记录控制系统组成，描述系统启动自举所需要的信息和操作 n数据库数据库 DS (Database System) 所有信息由数据库统一管理，支持刀具信息类库、加工技术 技巧等类库，在开放式体系结构中通过系统配置层CS对相 应功能和信息进行配置，体现了数据库管理的优越性。 n人机界面人机界面GUI支持系统支持系统 1994年开始OSEC计划，基于PC平台、开放式体系 结构，定义了FADL（Factory Automation Equipment Description Language）中性语言。 n包含各种产业标准的体系结构。以保证与现有技 术和标准化的控制组件相兼容。 n用对象的形式实现各功
25、能块软件部件化，精确定 义对象的接口协议（OSEC API ）。不规定各功能 块接受信息后应该进行怎样的处理。 三、日本的三、日本的OSEC计划计划 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： OSEC结构模型结构模型 资源管理资源管理动作生成动作生成 EIA码译码器OESC执行系统手动执行 机械控制机械控制 机床控制 设备控制设备控制 伺服控制PLC控制 资源控制 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： OSEL （OSE Language）的目标：的目标： n具有高度的扩充性、再利用性、维护性，容易实现 企
26、业和个人的独自的附加值。 n将终端用户和机械厂家积累的固有的生产技术 用软件 的形式封装，使之能够再利用。 n加工技巧的软件部件化：加工技巧的软件部件化：基于特征CAD系统的CAM， 将加工技巧以类库的形式部件化。OSEL是抽象化进一 步提高的能实现软件部件化的面向对象的C+语言。 OSEL的特征：的特征： n独立于作业机械的描述：独立于作业机械的描述：为了保证可移植性，建立各种 特殊机械的机械类库。 n广泛的编程层次：广泛的编程层次：将轴的直线和圆弧运动作为最终输出， 它们经过更高层的加工过程描述，进行广泛的编程。 n划分实时划分实时/非实时处理：非实时处理：实时处理限定在发出位置指令等 比
27、较单纯的处理。 n曲线曲面的直接描述：曲线曲面的直接描述：曲线加工用函数调用形式直接发出 指令，大大压缩模具等曲面加工程序的大小。 n与与EIA代码和代码和CL数据的后方互换性：数据的后方互换性：有效利用现有技术资 源，提出与已存在的EIA代码和CL数据相适应的方法。 OSEL的信息处理流程的信息处理流程 试验模型试验模型A 刀具轨迹生成 刀具半径补偿 刀具属性 假想切削条件 试验模型试验模型B 坐标系变换 动作范围检验 刀具长度补偿 实际切削条件 I/O指令 试验模型试验模型C OSEL执行程序 （OSEL-EX） 加工加工 特征特征 类库类库 刀具刀具 类库类库 机械机械 类库类库 n加工
28、特征类库：加工特征类库：不依赖于机械的加工方法，用加工特 征类的方法定义。机床厂和终端用户等可以自由地增加 这个基类的派生类，从而可以增加独自的加工技巧。 n机械类库：机械类库：假想编程坐标系向物理坐标系转换以及实 际的I/O指令等依赖于机械的处理，使用分类方法描述。 n刀具类库：刀具类库：包含用于加工特征类库所需的刀具的尺寸 和加工条件，以及机械类库所需的实际的刀具名称。 相关网站：相关网站： www.omac.org www.osaca.org www.osec.org 研究机关：研究机关：美国斯坦福大学、加州大学等CNC研究机构 具体目标：具体目标：高性能数控机床的CNC系统嵌入智能化单
29、 元，获取、处理和有效利用各种信息，简化操控。 结构体系结构体系:以开放性模块结构为基础，采用“功能部件” 的结构形式，基础结构功能用功能模块组实现。 系统特征系统特征 T: Transparent,透明性透明性,Transportable,可传递性，可传递性， Transplantable,可移植性可移植性 R:R: Revivable Revivable（可再生性）（可再生性） U:U: User UserReconfigurableReconfigurable（可重构性）（可重构性） E:E: Evolving Evolving（可进化性）（可进化性） 四、四、TRUE-CNC TRUE
30、-CNC 结构图结构图 TRUE-CNC 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 1.3 STEPNC 1. 1. 目前目前CNCCNC系统现状系统现状: : n绘制描述加工零件几何形状、尺寸公差和材料等属性的 CAD图纸，并以符合STEP标准的IGES格式存放到文件； n将该IGES文件读入CAM系统，后置处理成RS274D （ISO6983）标准定义的G代码； n由CNC读入G代码文件进行数控加工。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： IGESIGES建立CAD数据输出的统一接口，使不同数据格式的C
31、AD 之间可以交换数据。其本质特征只是交换数据，不能传递工 程图纸的真正意义。 CAM与CNC间采用ISO6983，用G、M、S代码指定机床 轴运动。其特征是面向加工过程，描述如何（描述如何（HOWHOW）加工）加工。 STEP（ISO10303）是关于产品数据表示和交换的国际标准， 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生 命周期内的数据，实现各个工业领域产品信息的标准化。 缺点：缺点： n按ISO6983由CAM生成的代码，数据量极大。 n不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能。 n设计信息生成G代码的同时丢失了尺寸公差、精度 要求、表面光洁度等大量信息。 n生成G代码的过程
32、单向不可逆，在加工车间做出的 修改无法反馈到设计部门。 n针对各种机械的数据层不具有互换性，需要与各种 机械相适应的后置处理。 n各厂商开发的宏和扩展EIA代码，使系统间语言不 具通用，对用户造成封闭使用状态。 STEPNC （ISO16469）：是STEP在NC领域的 扩展，定义了AP238应用协议，作为CAM与CNC系统 间的接口，可以与其他协议共享数据。 解决了ISO6983的缺点，本质是基于加工对象特 征描述加工什么（描述加工什么（What）。 基于STEP-NC标准的产品数据，描述基于STEP- NC标准的产品数字模型，更加准确、简洁，非常 适合于网络驱动的数字制造。 2. 基于基于
33、STEP-NC数控系统的出现数控系统的出现 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： 3. STEPNC数控系统模型数控系统模型 命令 刀轨 数字产品模型数字产品模型 加工操作加工操作 AP238AP238定义定义 检查误差检查误差 AP219AP219定义定义 几何形状几何形状 AP203AP203、214214定义定义 特征特征 AP224AP224定义定义 XMLXML AP238AP238 文件文件 STEP-NC STEP-NC 解析器解析器 CAMCAM 底层底层NCNC控制器控制器 执行指令执行指令 机床机床 NCNC 用用 户户 图图
34、形形 界界 面面 AP238AP238 文件文件 STEP-NCSTEP-NC控制器控制器 STEP-NC控制器由控制器由NC用户图用户图 形界面、形界面、STEP-NC解析器、解析器、 CAM和底层控制器组成。和底层控制器组成。 4.STEP-NC4.STEP-NC控制器加工零件的方法：控制器加工零件的方法： n制作AP214文件，描述加工零件的3D模型和公差； n加工计划编制系统（process planning system）读入该 文件生成AP238文件，包含原材料、加工特征、过 程序列和刀具要求等加工零件所需的全部信息。 nSTEP-NC控制器读取该AP238文件完成零件加工。 传统
35、数控与传统数控与STEP-NC的数控加工过程对照的数控加工过程对照 STEP-NC 产品数据模型 ISO 6983 G代码文件 STEP-NC解析器ISO 6983解析器 CNC 内核 输入 CNC 机床 机床 STEP-NC数控系统与传统数控系统比较数控系统与传统数控系统比较 5.STEP-NC5.STEP-NC的优点：的优点： n采用采用STEP取代IGES，STEP-NC取代RS274D （ISO6983）。STEP的本质特点本质特点是共享数据 （share data），通过相互间交流信息实现协 同工作。不仅可以传递工程图纸的几何信息， 而且可以传递工程图纸全部信息、真正含义。 nSTE
36、P-NC本质特征是面向加工对象，描述加工描述加工 什么（什么（whatwhat），即根据给定的形状、尺寸、公 差、加工次序和刀具等，从原材料加工出合格 的工件。 1）对企业，从CAD传到CAM的图纸减少75； 2）对车间，CAM计划编制时间减少35； 3）采用智能优化，对中小工件加工时间减少50； 4）更加安全、合适的刀具选择； 5）不需要后置处理。 STEP （AP214） STEP-NC （AP238） STEP-NC控制器控制器 快快35 快快50 快快75 几何形状相同几何形状相同 CADPlanning CAM+CNC 6. STEP-NC 的国内外研究状况的国内外研究状况 n199
37、7年3月，欧洲ESPRIT III计划的OPTIMAL和 MATRAS项目定义了第一个基于STEP面向对象的 数据模型和应用于铣削的CNC接口。 n随后欧洲针对铣削加工发起STEP-NC计划，为发 展车、磨、快速原型加工、木材和玻璃切削等新的 数据接口奠定了基础。 n目前STEP-NC已在Siemens、Fidia、欧洲OSACA NC数控的原型样机上得到实现。 n韩国1999年9月起开始研究STEP-NC，主要集中 在铣削加工和车削加工。 n美国1999年11月起开始实施“模型驱动的制造智 能控制”（MDICM）和“超级模型”（Super Model）两项工程。前者目标发展STEP-NC，使
38、其 成为一种高效、数字化的CNC设备输入文件标准， 使CNC设备成为模型驱动的、具有智能控制的加工 设备。后者最终目标是用公开的规范来描述所有加 工过程的数据。 n美国的STEP Tools公司是制造业数据交换软件的 开发者，率先开发了基于STEP-NC的数字产品模 型，用作机床的输入。 nhttp:/http:/ nhttp:/www.step-nc.orghttp:/www.step-nc.org nhttp:/www.nist.govhttp:/www.nist.gov nhttp:/ n 在ARC咨询公司评选出的2001年度自动化领域十 大技术中，STEP-NC数控系统涉及其中三项:
39、STEP-NC、基于STEP的XML标准、JAVA编写的 STEP-NC解析器。 1.4 并联机构机床及其控制并联机构机床及其控制 并联机构机床（虚拟轴机床、6条腿数控机床） 是数控机床在结构上取得的重大突破。 n特点特点 n并联结构机床是现代机器人与传统加工技 术相结合的产物； n没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨 等制约机床性能提高的结构； n具有现代机器人的模块化程度高、重量轻 和速度快等优点。 鉴于并联机床具有许多传统机床所无法比拟的卓 越性能，它作为一种新型的加工设备，已成为当前 机床技术的一个重要研究方向。近年来，受到了国 际机床行业的高度重视。在近几年的国际知名机床 博览会上，
40、一些世界著名的机床厂商都展出了他们 研制的并联机床，得到了行家们的高度评价，被认 为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义自发明数控技术以来在机床行业中最有意义 的进步的进步”，“2121世纪新一代数控加工设备世纪新一代数控加工设备”。 清华大学精仪系清华大学精仪系 叶佩青叶佩青 Tel：62773269 Email： VAMT1Y the first parallel kinematic prototype machine tool in China. It was showed at 4th China Machine Tool Exhibition in 1998 一、一、PKMs
41、Control Technology 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 v20世纪世纪90年代：出现新型的并联机床（年代：出现新型的并联机床（Parallel Machine Tools） ，又称并联结构机床（，又称并联结构机床（Parallel Structured Machine Tools）、虚拟）、虚拟 轴机床（轴机床（Virtual Axis Machine Tools），也曾被称为六条腿机床、），也曾被称为六条腿机床、 六足虫（六足虫（Hexapods），国际上一般称为（），国际上一般称为（Parallel Kinemat
42、ic Machine，PKM）。）。 2）数控机床结构功能的发展）数控机床结构功能的发展 1.4 并联机构机床及其控制并联机构机床及其控制 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 并联并联机床机床 1 1）机床）机床结构结构技技术术上的突破性上的突破性进进展展当属当属2020世世纪纪9090 年代中期年代中期问问世的世的并联并联机床。机床。并联并联机床是机器人机床是机器人 技技术术、机床、机床结构结构技技术术、现现代伺服代伺服驱动驱动技技术术和和数数 控技控技术术相相结结合的合的产产物，被物，被称为称为“ “2121世世纪纪的机床的机床”
43、传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被 设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受 很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统 机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工 精度和速度的提高。精度和速度的提高。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 2021年10月21日 数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术
44、数控技术 66 驱动并联驱动并联化化 l并联加工中心（又称并联加工中心（又称 6 6条腿数控机床、虚条腿数控机床、虚 轴机床）是数控机床轴机床）是数控机床 在结构上取得的重大在结构上取得的重大 突破。突破。 驱动杆 机架 动平台主轴电机伺服电机 主轴 刀具 柔性夹具 工件 静平台 图 并联机床结构示意图 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 2 2）我国自主研发的并联机床样机）我国自主研发的并联机床样机 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一
45、 章 数 控 技 术 概 述 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 2021年10月21日 数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 69 Swiss Federal Institute of Technology (5-axis) 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 2021年10月21日 数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术数控技术 70 “6-DOF Parallel Machine Tool
46、s” Invention Patent No. ZL 99 1 22349.7. 1-4 数控机床的产生和发展 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 19941994年，在美国国际制造技术展览会上年，在美国国际制造技术展览会上 （IMTS94IMT
47、S94），美国），美国Giddings-LewisGiddings-Lewis公司公司 推出了推出了VariaxVariax加工中心。在这台机床上加工中心。在这台机床上 ，看不到传统机床的床身、导轨、立柱，看不到传统机床的床身、导轨、立柱 和横粱等结构，它的基本结构是和横粱等结构，它的基本结构是一个活一个活 动平台动平台、一个固定平台一个固定平台和和六根长度可变六根长度可变 的连杆的连杆。活动平台上装有机床主轴和刀活动平台上装有机床主轴和刀 具具，固定平台上安装工件固定平台上安装工件，六根杆实际六根杆实际 是六个滚珠丝杠副，是六个滚珠丝杠副，它通过它通过万向铰链将万向铰链将 两个平台连在一起，
48、同时将伺服电动机两个平台连在一起，同时将伺服电动机 的旋转运动转换为直线运动的旋转运动转换为直线运动。当不断改。当不断改 变六根杆的长度时，可带动活动平台产变六根杆的长度时，可带动活动平台产 生六自由度的空间运动，使刀具在工件生六自由度的空间运动，使刀具在工件 上加工出复杂的三维曲面。上加工出复杂的三维曲面。 73 并联运动机床是并联运动机床是1994年出现的新概念机床，年出现的新概念机床， 是一种在结构上完全不同是一种在结构上完全不同于于传统机床的新型机床传统机床的新型机床 Variax加工中心实际上是一台以加工中心实际上是一台以Stewart平台为基础的立式加工中心，平台为基础的立式加工中
49、心， 它标志着机床设计开始使用并联机构，是机床机构重大改革的里程碑。它标志着机床设计开始使用并联机构，是机床机构重大改革的里程碑。 经过了近十几年时间的发展，经过了近十几年时间的发展，并联运动机床已进入了实用阶段并联运动机床已进入了实用阶段，并联并联 运动机床最适合用于高速切削加工运动机床最适合用于高速切削加工。目前主要应用在。目前主要应用在模具制造、气缸模具制造、气缸 体、传动箱体和大型飞机结构零件的制造体、传动箱体和大型飞机结构零件的制造等领域。等领域。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学 院院 第 一 章 数 控 技 术 概 述 74 并联运动机床与传统机床的比较并联运动机床与传统机床的比较 并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机并联运动机床是以机床框架为固定平台的若干个杆件组成空间并联机 构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，工作台与机床框架连接在 一起。改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成一起。改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成 刀具相对于被加工零件的运动轨迹。刀具相对于被加工零件的运动轨迹。 西安交通大学机械工程学学院 河南理工大学河南理工大学 机械与动力工程学机械与动力工程学
