机械工程及自动化学院
——加工方法和加工精度发展
北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心
刘 强 教授 Prof. Qiang LIU
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制造业特点二：材料与结构融合工艺与装备融合
航空： 大客、军机 航天： 卫星、运载火箭 两机： 航发和燃机 能源： 核电和风机
面向产品应用的制造装备与工艺技术
关于智能制造中数控技术 发展的思考与认识
刘 强
LIU Qiang
北京航空航天大学机械工程及自动化学院 国防科技工业高效数控加工技术研究应用中心 北京市高效绿色数控加工工艺技术与装备工程技术研究中心
Tel: 010-82316699，13901163932 E-mail: qliusmea@
要求：
功率/转矩/刚性更大更好 切削性能更强的刀具 更高的切削加工效率 高效优化的切削工艺数据支持 新原理加工方法和装备
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新的挑战之二——复杂结构零件
典型实例：叶片、叶盘、机匣、大型整体结构件等
轴的控制。
C-axis 力矩电机 带液压制动 增量编码器 轴承 A-axis 绝对式 力矩电机 带液压制动 增量式 绝对编码器 刀具接口 电机 力矩电机驱动双摆头 刀具接口
液压或气动 夹紧系统
高精度高动态性能 力矩电机驱动转台
预紧的 双面轴承
旋转 编码器
转机 直接驱动 多极定子
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虚拟加工技术
MachPro©
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4. 对智能数控的思考及探索研究
高性能数控的主要特征
多轴联动——一般为四轴或五轴联动，可以实现更多
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敏 捷 制 造 智 能 制 造
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2. 数控技术的 发展与面临的 挑战
‘1980 开放结 构CNC ‘1990 高速机 床 虚轴机 床 ‘2000 复合加 工机床 DDT应 用 ‘2010 绿色化 机床 智能化 机床
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提

要
数控机床的发展与面临的挑战 数控机床相关关键技术的发展 对智能数控的思考及探索研究 小结与展望
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1. 制造业发展面临的挑战
现代制造业的特点
一代产品一代材料一代工艺 材料与结构融合工艺与装备融合 优质/高效/低耗/绿色是永恒的主题 制造技术和生产方式创新引发新技术革命
要求：
提高机床位置控制精度 误差实时在线检测与补偿 减少刀具磨损、变形 主动和被动的振动抑制 加工过程在线监控
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新的挑战之四——绿色制造、加工能效的要求
典型实例：碳排放、切削液排放、能效标准等新要求
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智能主轴单元
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进给驱动单元技术
直线电机和旋转丝 杠驱动的适用范围 运动轨迹生成
结构
低成本复合材料 构件材料结构一 体化成套制造装 备与工艺
材料
工艺
装备
材料一体化成 形构件制造
耐高温复合材 料高效复合加 工装备与工艺
难加工金属 材料与结构 复合制造技 术与装备
综合效能最优 的先进装备材 料结构一体化 设计制造
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。。。
‘2020 更高 更快 更强 更精 。。。
。。。
数控机床 发展历程
1952 第一台 三坐标 数控铣 床(MIT) ‘1960 ~1970 计算机 数控 直接数 控 刘 强 教授 Prof. Qiang LIU
1967 1959 ‘1950s 18世纪 19世纪 早期的 第一台 手动操 炮筒镗 机械加 FMS卧式镗 作的普 床,机动 工车间 System 铣加工 通车床 进给车 的机床 24,Omni 中心 床 床 line I (K&T) 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心
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高端数控机床的智能化技术
DMG(德国)——CELOS智能化数控操作系统，防碰撞功能、自适应控制功能 、五轴自动标定/补偿、主轴监控/诊断等 MAZAK(日本)——Intelligent Machine智能机床，振动抑制、主轴监控、热 位移控制以及防碰撞等功能 SYMG(中国沈阳机床 )——i5 系统智能机床， Smart Engineering， i5—— Industry/Information/Internet/Integrate/Intelligent，编程智能化、操作智 能化、维护智能化、管理智能化 HAIDENHAN( 德国 )——智能防碰撞、虚拟机床、动态高效、动态高精、自 动校准和优化机床精度
一 代 产 品 一 代 结 构 和 材 料 一 代 制 造 技 术
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——制造技术和加工效率发展
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3. 数控机床相关关键技术的发展

数控机床关键技术

主轴单元技术 进给单元技术 机床结构设计技术 自动编程软件与技术 数控加工工艺分析 加工过程及参数优化 硬件平台技术 软件技术 伺服协议
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数控加工关键技术


数控系统关键技术

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主轴单元技术
Ref.: E. Abele , Y. Altintas, C. Brecher. Machine tool spindle units..CIRP Annals - Manufacturing Technology 59 (2010) 781– 802
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新的挑战之一——新型难加工材料
典型实例：超高强度钢、高温合金、CFRP、C/C、C/SiC等
结构件大量应用， 提高客机有效载 重量和军机性能 车身、船体、 叶片等轻量化， 提升民品经济 性和竞争力 Quelle: Daimler.de 直升机机身，减 重、抗坠毁 航天器防/隔热 部件，提升耐高 温能力
知晓自身的加工能力/条件，并且能与操作人员交流、共 享这些信息 能够自动监测和优化自身运行状况 可以评定产品/输出的质量 具备自学习与提高的能力 符合通用标准，机器之间能无障碍地进行交流(例如： MTConnect)
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~1985 第五代 微型计算 机数控装 置、虚拟 轴机床、 PWM 直 流伺服
~1990 第六代 基 于 PC 的开放式 数控装置、 交流伺服、 复合加工、 DDT伺服
~201x 第七代？ 智能数控 装 置 —— 多功能、 集成化、 聪明化、 绿色化 。。。
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航天器关键结构件 Aerospace Parts 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心
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制造业特点四：制造技术和生产方式 创新引发新技术革命
第四次工业革命 智能化工厂 智能装备及信息通信 第三次工业革命 高自动化柔性生产 计算机信息技术驱动 第二次工业革命 批量流水线生产 电力驱动 第一次工业革命 机械化生产 蒸汽驱动 １８世纪末 ２０世纪初 ７０年代初 至今
要求：
绿色化机床设计 加工程序、参数和工艺优化 机床和车间能效分析与优化 少/无切削液加工
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新的挑战之五——CPS信息物理融合的要求
要求：
网络化控制的物理节点 传感器信息融合 加工过程远程监控 赋予机床更多的智能 虚拟加工
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机电一体化支持技术 ——“控制-驱动-结构-切削”耦合
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加工过程仿真优化与虚拟加工
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发达国家制造业在做什么？
American Makes——美国人具体在做什么？ Industry 4.0——德国人具体在做什么？ 其他有关国家和地区

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