浅析数控机床的发展进程及趋势论文

1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 网络教育学院本 科 生 毕 业 大 作 业 题 目：浅析数控机床的发展进程及趋势 学习中心： 陕西 层 次： 专科起点本科专 业： 机械设计制造及其自动化年 级： 2011 年 春 季 学 号： 学 生： 指导教师： 王沙沙 完成日期：2013 年 01 月 22 日III浅析数控机床的发展进程及趋势内容摘要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。关键词：数控机床

2、；进给伺服系统；机床加工程序目 录内容摘要I前 言11 数控机床的发展进程21.1 进给伺服系统31.1.1.按用途和功能分31.1.2.按使用的执行元件分31.1.3.按控制原理分41.2 机械传动系统51.3 数控机床的加工程序61.3.1 数控程序编制的基本流程71.3.2. 数控程序编制的方法72 数控机床现行技术分析82.1数控系统体系结构82.1.1基于PC的体系结构生命力旺盛82.1.2采用多CPU结构是高档数控系统的必然82.1.3 总线结构是数控系统实现高速的保证92.2高性能运动控制技术92.3 五轴加工技术92.3.1RTCP功能92.3.2 倾斜面加工102.4CADC

3、AM集成技术102.4.1对话式编程102.4.23D防碰102.4.3多通道协同控制102.5 图形化界面功能和水平进一步提高112.6 在线测量功能集成113 数控机床发展中所存在的问题123.1 对我国数控技术及其产业发展的基本估量123.2 对我国数控技术和产业化发展的思考133.3 数控机床发展主要制约因素134 数控机床的发展策略154.1以高速化为先导，提高数控机床的综合性能154.2推进m 工程，研制高效精密数控机床154.3发展复合加工数控机床、缩短制造过程链154.4高效柔性化的新一代制造系统164.5发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化164.6开展可靠性设计

4、，加强全面质量管理，保证数控机床的可靠性增长164.7提高技术人员的综合素质17参考文献18前 言自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，

5、将有助于推进我国数控机床技术实现跨越式发展的目标。11 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

6、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

7、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 进给伺服系统数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。 1.1.1.按用途和功能分(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。 进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。 (2)主轴驱

8、动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。 1.1.2.按使用的执行元件分 （1）电液伺服系统 其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。 （2）电气伺服系统 其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高。其中， 1）直流伺服系统 其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主

9、运动系统采用他激直流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。1.1.3.按控制原理分 （1）开环伺服系统 系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。 开环伺服系统的特点： 1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。步进电机步距误差，齿轮副

10、、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。 3. 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。（2）闭环伺服系统 系统中有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测；能得到更高的速度、精度和驱动功率。 闭环伺服系统的特点： 1. 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。从理论上讲，机床运动精度只取决于检测装置的精度，与传动链误差无关。但实际对传动链和机床结构仍有严格要求。 2. 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特

11、性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。 （3）半闭环伺服系统 系统的位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。 半闭环伺服系统的特点： 1. 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 2. 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除, 因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 3. 由于

12、半闭环伺服系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。1.2 机械传动系统通常来说，用于步进、伺服电机驱动的机械传动机构，一般有以下几类：机构特点滚珠丝杠(直接连接)用于距离较短的高精度定位。电机和滚珠丝杠只用联轴节连接，没有间隙。滚珠丝杠(减速)选择减速比，可加大向机械系统传递的转矩。由于产生齿轮侧隙，需要采取补偿措施。齿条和小齿轮用于距离较长的(台车驱动等)定位。小齿轮转动一圈包含了值，因此需要修正。同步皮带(传送带)与链条比较，形态上的自由度变大。主要用于轻载。皮带轮转动一圈的移动量中包含值，因此需要修正。链条驱动多用于输送线上。必须考虑链条本身的伸长并采取

13、相应的措施。在减速比比较大的状态下使用，机械系统的移动速度小。进料辊将板带上的材料夹入辊间送出。由于未严密确定辊子直径，在尺寸长的物件上将产生误差，需进行补偿。如果急剧加速，将产生打滑，送出量不足。转盘分度转盘的惯性矩大，需要设定足够的减速比。转盘的转速低，多使用蜗轮蜗杆。主轴驱动在卷绕线材时，由于惯性矩大，需要设定够的减速比。在等圆周速度控制中，必须把周边机械考虑进来研究。1.3 数控机床的加工程序通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面 、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔以及铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效

14、率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。1.3.1 数控程序编制的基本流程 分析零件图样和制定工艺方案 数学处理 编写零件加工程序 程序检验1.3.2. 数控程序编制的方法手工编程; 计算机自动编程2 数控机床现行技术分析进入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

15、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数控系统体系结构2.1.1基于PC的体系结构生命力旺盛基于PC是为了充分使用PC机丰富软硬件资源， 无论是老牌的系统厂商和该领域内的新秀，均直接采用PC机作为人机界面或直接采用PC作为控制。如西门子840di系统、HEIDENHAIN公司的iTNC530等，是基于PC技术的数控系统。而FANUC SIMENS等公司的其他系统，也引入了PC技术，使用Pc作为操作界面。国内的华中数控、大连光洋、广州数控数控系统也是基于PC技术的。2.1.2采用多CPU结构是高档数控系统的必然对于高性能系统， 由于分辨

16、率的增高、控制算法复杂性的增加以及处理能力要求苛刻，对CPU的处理能力提出了很高的要求 为了满足这一要求，对于高端系统，均采用了多个高性能的处理器。采用多处理器的结构后，各CPU分工合作提高了系统的计算速度、插补速度及对现场输入输出设备。 2.1.3 总线结构是数控系统实现高速的保证随着数控机床速度和精度的不断提升，传统脉冲和模拟接口相形见绌， 难以满足信息高速传输的要求。而总线技术是解决这一瓶颈的必由之路。通过总线技术实现数据以纯数字的方式在各模块间传递，避免了模拟量的零漂以及脉冲串的高频干扰，提高了传输的效率和可靠性。2.2高性能运动控制技术为了适应高效、高精的加工需求，高精、高速平滑运动

17、控制技术一直是系统厂商研究的热点。在数控装置中， 通过增加系统分辨率、平滑轨迹、进行速度和加减速的箝制等措施来减少加工过程中的冲击、抑制机床激振来获得平滑的加工表面是该技术的一个发展趋势。其中采用样条插补、增强前瞻性能等手段是目前国内系统厂商采用的技术手段。如国内高档系统把样条插补，前瞻段数等作为比较重要的指标。2.3 五轴加工技术采用5轴联动对三维曲面零件加工，可使用刀具最佳几何形状进行切削，不仅加工表面粗糙度值低，而且效率也大幅度提高。一般，1台5轴联动机床的效率等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工比3轴联动加工能发挥更高的效益。但

18、过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前，由于电主轴的应用，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床。2.3.1RTCP功能传统五轴加工时， 受旋转轴的影响控制中心不在刀尖，会产生较大的非线性误差。采用刀具中心位置控制功能(RTCP功能)后。不管刀具的方向怎么变换，刀尖的路径以及速度都按照程序指定的路径及速度进行自动控制， 可以提高五轴加工精度。2.3.2 倾斜面加工在对工件上的某个倾斜面进行钻孔或

19、铣槽等形状加工时， 通过指定加工面为XY平面，编程工作就会变得很简单。倾斜面加工命令可以实现这种指定方式， 同时，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于倾斜的加工面的方式自动地定位刀具。这个功能使在倾斜的加工面上的编程变得很简单。2.4CADCAM集成技术2.4.1对话式编程操作的简单和傻瓜化一直是主流数控系统厂商努力的方向， 为了能更加简化车间级的编程过程，以及为了未来和更高级的加工编程理念相靠近， 目前国际高档、主流数控系统制造商已经明确地将图形化、集成式的编程系统，作为数控系统功能的扩展。国内的华中数控等中高档系统均支持对话式编程。2.4.23D防碰动态碰撞监测功能(DCM)能为机床

20、操作人员提供全面支持，一旦有碰撞危险， 系统立即中断加工 提高操作人员和机床的安全性，防止机床的损坏，避免代价高昂的停机损失，使无人职守生产模式更安全可靠。机床制造商需定义机床部件，所应用的几何形状，如平面、立方体、圆柱，描述工作区和碰撞对象还可组合多个几何体构成复杂的机床部件，系统自动考虑刀具半径圆柱体，对倾斜设备，机床制造商可用机床运动特性定义碰撞对象。2.4.3多通道协同控制近年来， 多通道技术的不断发展，在柔性生产线、复合机床及多轴控制等方面得到了广泛应用。如在多刀架车削中心中，两个通道的程序可同时对一个零件加工，大大提高了效率。在自动柔性生产线上， 装卸机械手采用一个通道控制， 零件

21、的加工采用另一个控制，实现全自动化加工； 在高精度自动磨削机床上，一个通道对零件在线测量， 另一通道对零件进行加工，极大地提高了效率。2.5 图形化界面功能和水平进一步提高高档数控系统发展对图形化界面的功能和水平要求进一步提高，用户希望看到更丰富、更形象、更直观的界面， 以此减少用户编程难度，提高编程和加工效率。图形化界面包括两个方面的内容，一是界面控件的图形化。二是界面内容， 主要指加工过程的三维实时仿真。界面控件的图形化方面，FiYang、光洋及其它凡采用WINDOWS平台的系统都采用了图形化控件。华中数控21OC、HNC32数控系统都具备图形化控件。2.6 在线测量功能集成数控系统在线测

22、量与编程、加工的进一步集成是高档数控系统发展的一个趋势。数控系统自动对刀， 或加工过程中的自动测量是数控系统中需要集成的一个重要功能，在现实中也有很迫切的应用需求，例如高档数控磨床、车铣复合加工机床等。173 数控机床发展中所存在的问题3.1 对我国数控技术及其产业发展的基本估量我国数控技术始于1958年，发展历程大致有3个阶段：第1阶段从19581979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第2阶段是在国家的“六五”、“七五”期间及“八五”的前期。引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，及研究

23、开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第3阶段在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。此阶段我国国产数控装备的产业化取得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50 ，配国产数控系统(普及型)也达到了10 。纵观我国数控技术近50年的发展历程，尤其是经过4个5年计划的攻关，取得了以下成绩：奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。即从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成数控产业基地。在

24、攻关成果和部分技术商品化的基础上。建立了诸如华中数控、航天数控等具有批最生产能力的数控系统生产厂和产业基地。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发及产业化方面取得了长足的进步，但我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求有较大的差距。从纵向看我国的发展速度很快，但横向比(与国外对比)技术水平有差距，即一些高精尖的数控装备技术水平差距有扩大趋势。从国际来看，我国数控技术水平和产业化水平情况大致是：技术水平上，与国外先进水平大约落

25、后1015年。在高精尖技术方面则更大 产业化水平上，市场占有率低。品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高。商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。3.2 对我国数控技术和产业化发展的思考我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅是世界新经济

26、格局中的国际。“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心地位，这将严重影响我国现代制造业发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先，从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展可提高人民的生活水平，还可缓解我国的就业压力，保障社会稳定；其次，从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品列为国家的战略物质，对我国实行禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。在数控技术和产业化发展的问题上，应从我国的基本国情出发，以国家战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导

27、21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的主要内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，用整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等)的可靠性和生产规模问题。没有规模的中国数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面强调产、学、研及最终用户的紧密结合以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，从而解决国家之急需。3.3 数控机床发展主要制

28、约因素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：1) 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。2) 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

29、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。3) 没有合理地运用资源这主要表现在两点，第一，对于所涉及到的研究所、厂房等没有综合应用、取长补短，往往见到的是他们孤军作战，而且各单位忙于生存，普遍缺乏深入系统的科研工作，更没有做到生产一代、研制一代、预研一代等可持续的发展；第二，机床行业人员素质低，缺乏各方而人才，而且各研究单位、企业、人才流失严重，科研、设计力量十分虚弱，往往呈现低效运行状态。4) 我国制造业大环境的制约。由于没有在全国范围内发展大量大批生产自动化，对高效自动化机床的卞机

30、设计的基本功较差，而机床的品种结构发展，全靠主机设计本领加以变化，因此，依靠引进和合作生产来发展各类卞机，至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品，基本处于仿制阶段。5) 缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，高速、柔性、精密机床配套技术的自主研发能力低。6) 对国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出。“消化”在整个资金投入中所占的比例相对其他工业发达国家来讲太低。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

31、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主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地以每10年增长1倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度(指以滚珠丝杠和旋转伺服电机驱动)和自动换刀/工作台转位速度，基本上以每1215年翻一番的速度增长，1993年后逐步推广用直线电动机直接驱动的新技术，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了1倍。高速化的发

32、展还要多注意2个问题：从先进适用出发确定高速范围；高速化要和机床的结构和控制性能相匹配。4.2推进m 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（m）范围内，因此可称为m级制造装备及技术研究，简称“m 工程”。4.3发展复合加工数控机床、缩短制造过程链加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的稳定性。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间占零件整个生产周期