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浅析数控机床的发展进程及趋势1








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浅析数控机床的发展进程及趋势
重庆万州奥鹏学习中心[16]VIP 专科起点本科

学习中心: 层 专 年 学 学 次:

业: 机械设计制造及其

自动化 级: 号: 生: 2011 年春 季 111511311768 夏小兵 徐磊 2013 年 03 月 04 日

指导教师: 完成日期:

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内容摘要
从 20 世纪中叶数控技术出现以来,数控机床给机械制造业带来了革命性的变 化。各工业发达国家投入巨资,对现代技术进行研究开发,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 ,他集微电子 , 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 业实现绕性自动化,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,有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 ;在智能基础上 , 综 合了计算机,多媒体,模糊控制,神经网络等学科技术,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 ,实现了在现诊断和智 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,数控机床联网, 实现了中央集中控制的群控加工。

关键词:数控机床;进给伺服系统,机床加工程序

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内容摘要 ...................................................................... I 前 言 ...................................................................... 1 1.1 进给伺服系统 ......................................................... 2 1.2 机械传动系统 ......................................................... 4 1.3 数控机床加工程序的结构 ............................................... 4 1.3.1 程序开始部分 .................................................... 4 1.3.2 程序内容部分 ................................... 错误!未定义书签。 1.3.3 程序结尾部分 .................................... 错误!未定义书签。 2 数控机床的发展趋势 ......................................................... 6 2.1 高速化 ................................................................. 6 2.2 高精度化 ............................................................... 6 2.3 功能复合化 ............................................ 错误!未定义书签。 2.4 控制智能化 ............................................ 错误!未定义书签。 2.5 体系开放化 ............................................ 错误!未定义书签。 2.6 驱动并联化 ............................................................. 6 2.7 极端化(大型化和微型化) ................................................. 6 2.8 信息交互网络化 ........................................ 错误!未定义书签。 2.9 新型功能部件 .......................................... 错误!未定义书签。 2.10 高可靠性 ............................................. 错误!未定义书签。 2.11 多媒体技术的应用 ..................................... 错误!未定义书签。 3 数控机床发展中所存在的问题 ................................................. 7 3.1 缺乏实事求是的科学精神 ................................................. 7 3.2 缺乏系统深入的科研工作 ................................................. 7 3.3 没有合理地运用资源 .................................... 错误!未定义书签。 3.4 我国制造业大环境的制约 ................................ 错误!未定义书签。 3.5 缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境 .............. 错误!未定义书签。 3.6 对国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出 ............ 错误!未定义书签。 4 数控机床的发展策略 ......................................................... 8 4.1 以高速化为先导,提高数控机床的综合性能 ................................. 8 4.2 推进μ m 工程,研制高效精密数控机床 ..................................... 8 4.3 发展复合加工数控机床、缩短制造过程链 .................. 错误!未定义书签。 4.4 高效柔性化的新一代制造系统 ............................ 错误!未定义书签。 4.5 发展网络化制造单元,推进企业制造能力的高效柔性化 ...... 错误!未定义书签。 4.6 开展可靠性设计,加强全面质量管理,保证数控机床的可靠性增长错误!未定义书签。 4.7 提高技术人员的综合素质。 .............................. 错误!未定义书签。 参考文献 ...................................................................... 9 1 数控机床的发展进程 ......................................................... 2

II

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自 20 世纪末开始,我国制造业就开始了逐渐由制造大国向制造强国迈进了脚 步,机床制造业也跟着取得数控机床快速增长的业绩。机床是先进制造技术和制 造信息集成的重要元素,既是生产力要素,又是重要商品。机床的发展和创新在 一定程度上能映射出加工技术的主要趋势。 近年来, 我国在数控机床和机床工具行 业对外合资合作进一步加强, 无论在精度、速度、性能, 还是智能化方面都取得了 相当的成绩[1]。在国际贸易中, 很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、 高利润的主要机电出口产品。因此,对数控机床技术的发展历程进行总结分析, 将有助于推进我国数控机床技术实现跨越式发展的目标。 本文以数控机床为研究对象,首先阐述了数控机床的发展历程,尤其对其进给 伺服系统和机械传动系统的发展过程进行了详细描述,接下来对我国数控机床的 发展现状与发展趋势进行了介绍,并分析了其存在的问题,最后提出了针对我国 数控机床的发展策略。

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1 数控机床的发展进程
自上世纪 50 年代以来, 世界数控机床主要经历了数控 NC (Numerical Control) 和计算机数控 CNC(Computer Numerical Control)2 个阶段[2]。 数控 NC 阶段主要经历了以下 3 代: 第 1 代数控系统,始于 50 年代初年,系统全部采用电子管元件,逻辑运算与 控制采用硬件电路完成。 第 2 代数控系统,始于 50 年代末,以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数 控系统为标志。 第 3 代数控系统,始于 60 年代中期,由于小规模集成电路的出现,使其体积 变小、功耗降低,可靠性提高,推动了数控系统的进一步发展。 计算机数控 CNC 阶段也经历了 3 代: 第 4 代数控系统,始于 70 年代,当首个采用小型计算机的 CNC 装置芝加哥展 览会上露面时,标志着 CNC 技术的问世。 第 5 代数控系统,70 年代后期,中、大规模集成电路技术所取得成就,促使 价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生,并逐步应 用于数控系统。 第 6 代数控系统,始于 90 年代初,受通用微机技术飞速发展的影响,数控系 统正朝着以个人计算机(PC)为基础,向着开放化、智能化、网络化等方面进一步 发展。 数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他 辅助系统组成。其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件,其性能是决定 数控机床加工性能的极其重要的技术指标。因此提高进给伺服系统的动态特性与 静态特性的品质是人们始终追求的目标。接下来主要介绍一下进给伺服系统和机 械传动系统的发展历程。

1.1 进给伺服系统
进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统,它是 一个很典型的机电一体化系统, 主要由位置控制单元、 速度控制单元、 驱动元件(电 机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。是以运动部件的位置和速度 作为控制量的自动控制系统,它是一个很典型的机电一体化系统,主要由位置控 制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个 部分组成。
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完整论文请加 QQ:1479352057 1.1.1 步进伺服系统 在 20 世纪 60 年代以前,步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动机 或是以功率步进电机直接驱动为特征,伺服系统采用开环控制。 步进伺服系统接受脉冲信号,它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率 或个数。由于没有检测和反馈环节,步进电机的精度取决于步距角的精度,齿轮 传动间隙等,所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象,它的 输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制,步进电机在启动 频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象,停止时转速过高容易出 现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较长,速度响 应较慢。但是由于其结构简单,易于调整,工作可靠,价格较低的特点,在许多 要求不高的场合还是可以应用的。 1.1.2 直流伺服系统 60~70 年代后,数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的 宽调速性能。输出转矩大,过载能力强,伺服系统也由开环控制发展为闭环控制, 因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是,随着现代工业的快速发展, 其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求, 尤其是精度、可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器,在应用 过程中面临很多问题,如电刷和换向器易磨损,维护工作量大,成本高;换向器换 向时会产生火花,使电机的最高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成 本高、对其他设备易产生干扰。 1.1.3 交流伺服系统 针对直流电动机的缺点,人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具有机 械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法,以满足各种应用领域,尤其是高精度、 高性能伺服驱动领域的需要。但是由于交流电机具有强耦合,非线性的特性,控 制非常复杂,所以高性能运用一直受到局限。自 80 年代以来,随着电子电力等各 项技术的发展,特别是现代控制理论的发展,在矢量控制算法方面的突破,原来 一直困扰着交流电动机的问题得以解决,交流伺服发展地越来越快。 1.1.4 直线伺服系统 永磁同步直线电机在推力、动态性能、定位精度方面比其他直线电机更具优 越性,因而 PMLSM 越来越多的用于直线伺服系统中。但由于直线伺服系统存在很 大的参数摄动和负载扰动,此外还存在“边端效应”等问题,因此,采用传统的 比例(P) 或比例积分 (PI) 位置调节器的矢量控制系统很难满足高性能伺服系统的 要求。
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1.2 机械传动系统
机械传动系统由数控机床的主传动系统,进给运动系统,回转工作台与导轨 组成。数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加 工条件要求。主传动系统由动力源:电机,传动系统:定比传动机构、变速装置, 运动控制装置:离合器、制动器等,执行件:主轴。进给运动是以保证刀具与工件 相对位置关系为目的,被加工工件的轮廓精度和位置精度都受到进给运动的传动 精度、灵敏度和稳定性的直接影响。进给运动是数字控制系统的直接控制对象。 对于闭环控制系统,还要在进给运动的末端加上位置检测系统,并将测量的实际 位移反馈到控制系统中,以使运动更准确。回转工作台的作用是:按照数控装置 的指令做回转分度或连续回转进给。导轨的作用:起导向及支承作用,它的精度、 刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床 具有较高的加工精度和较大的承载能力,要求其导轨具有较高的导向精度、足够 的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性,同时应尽量使导轨结构简单, 便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分 为滑动导轨和滚动导轨。

1.3 数控机床加工程序的结构
数控机床程序分成的程序开始、程序内容和程序结束三部分。 1.3.1 程序开始部分 程序开始部分主要定义程序号,调出零件加工坐标系、加工刀具,启动主轴、 打开冷却液等方面的内容。 数控程序主轴最高转速限制定义 G50 S2000,设置主 轴的最高转速为 2000RPM,对于数控车床来说,这是一个非常重要的指令。坐标 系定义如不作特殊指明,数控系统默认 G54 坐标系。返回参考点指令 G28 U0,为 避免换刀过程中,发生刀架与工件或夹具之间的碰撞和/或干涉,一个有效的方法 是机床先回到 X 轴方向的机床参考点,并离开主轴一段安全距离。刀具定义 G0 T0808 M8, 自动调 8 号左偏刀 8 号刀补, 开启冷却液。 主轴转速定义 G96 S150 M4, 恒定线速度 S 功能定义, S 功能使数控车床的主轴转速指令功能, 有两种表达方式, 一种是以 r/min 或 rpm 作为计量单位。 另一种是以 m/min 为计量单位。 数控车床的 S 代码必须与 G96 或 G97 配合使用才能设置主轴转速或切削速度。G97:转速指 令,定义和设置每分钟的转速。G96:恒线速度指令,使工件上任何位置上的切削 速度都是一样的。

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完整论文请加 QQ:1479352057 序运行和数控加工重新开始做准备。

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2 数控机床的发展趋势
进入 21 世纪,我国经济与国际全面接轨,进入了一个蓬勃发展的新时期。机 床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机,也遭 遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力,加速推进数控机床的发展 是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及 计算机技术和现代设计技术的飞速进步,数控机床的应用范围还在不断扩大,并 且不断发展以更适应生产加工的需要。数控机床正向高速化、高精度化、复合化、 智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等方面发展。

2.1 高速化 2.2 高精度化 2.6 驱动并联化
并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具 只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺 陷,在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机 构驱动,通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动,可 实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工, 具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床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,受到了国际机床行业的高度重视,被认为是“自发明数控技术以来在机床行 业中最有意义的进步”和“21 世纪新一代数控加工设备” 。

2.7 极端化(大型化和微型化)
国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性 能良好的数控机床的支撑。 而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略技术, 需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备,所以微型机 床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压 力机等的需求量正在逐渐增大。

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3 数控机床发展中所存在的问题
由于我国的技术水平和基础工业相对其他发达国家相比比较落后, 数控机床 的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比差距还很大。因此, 加速进行中国数 控系统的工程化、商品化攻关, 尽快建成与完善我国数控机床和数控产业成了我 国的主要任务[5]。 目前, 我国在发展数控机床业中存在的主要问题主要有以下几点:

3.1 缺乏实事求是的科学精神
缺乏实事求是的科学精神,忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律,没 有实事求是地制定数控机床发展的规划,盲目性大。

3.2 缺乏系统深入的科研工作
缺乏系统深入的科研工作难以对各种技术资料进行积累,设计方法陈旧,仅 靠类比模仿进行产品设计,既缺乏机床创新的基本理论,又缺乏丰富的生产实际 经验,对高效自动化机床、数控机床的刚度、振动、热变形、噪声、精度补偿等 基础技术缺乏深入研究,对各类机床加工工艺、布局、结构、导轨、卡轴、卡具 等应用技术又缺乏认真试验,难以创新设计出优质适销的先进产品。

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4 数控机床的发展策略
从上世纪 80 年代起, 我国机床制造业对数控技术和数控机床一直给予较大的 关注。但是由于我们的数控技术与其他工业发达国家差距较大,与国外一些先进 产品相比,仍存在着很大劣势, 使得我们总是处于技术跟踪阶段。面对这种情况, 为了加速振兴我国的机床制造业,提高我国的数控机床技术,应当加强以下几个 方面的研究工作:

4.1 以高速化为先导,提高数控机床的综合性能
数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一个重要措施。分析中型加 工中心的高速化与高精化的发展历程,可以得出,作为表征其切削运动高速化的

4.2 推进μm 工程,研制高效精密数控机床
目前国内生产的数控机床尚缺少高效、高可靠性且加工精度达微米级的产品。 为此,需研发一些能兼顾高效化和高精化的数控制造装备以适应汽车制造业加工 关键零件的需求。由于这些数控制造装备的加工精度主要在微米级(μ m)范围内, 因此可称为μ m 级制造装备及技术研究,简称“μ m 工程” 。

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参考文献
[1] 曹伟.我国数控机床的发展现状与对策.现代经济信息,150-151. [2] 董淳. 数控系统技术发展的新趋势[J]. 可编程控制器与工厂自动化. 2006. [3] 张亚力. 简述数控发展的新趋势[J]. 国土资源高等职业教育研究. 2005. [4] 陈芳. 数控技术的发展和途径[J]. 科技资讯. 2008. [5] 唐怀斌.工业控制的进展与趋势[J].自动化与仪器仪表,1996. [7] 马国华 监控组态软件及其应用[M]. 北京:清华大学出版社,2001.3

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