数控机床的发展与前景zhang

数控机床的发展与前景张书贤目录摘要第一章绪论1.1前言1.2数控加工及其优势1.2.2加工精度高。1.2.3劳动强度低。1.2.4适应能力强。61.2.5工作环境好。1.2.6就业容易、待遇高。第二章数控机床自身系统的发展72.1数控机床产业的发展现状72.2数控技术发展现状72.3数控机床关键部件发展现状82.4中国加速数控机床产业发展之路9第三章我国数控机床的发展趋势103.1开放性103.2运动并联化113.3极端化、大型化和微型化113.4信息交互网络化113.5新型功能部件123.6高可靠性123.7加工过程绿色化12第四章数控机床的主要发展体系134.1高速、高效134.2高精度134.3高可靠性144.4复合化144.5多轴化144.6智能化154.7网络化16第五章结论17致谢18参考文献19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。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。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。本文从数控系统的市场化需求和本身系统两方面入手简要介绍了数控装备及加工技术的现状与未来。第一章绪论

1.1前言

目前，中国机床工业厂多人众。但是非常专业的人员过少，机床数量过少，总的来说：数控机床产量不断增长，消费量增加较快，产量满足不了社会发展的需求。

数控加工及其优势数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围复盖很多领域:(1)机械制造技术,(2)信息处理.加工.传输技术:(3)自动控制技术,(4)伺服驱动技术,(5)传感器技术:(6)软件技术等.计算机对传统机械制造产业的渗透.完全改变了制造业.制造业不但成为工业化的象征.而且由于信息技术的渗透.使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。数控机床的特点同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。劳动强度低。由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，不象传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。所以劳动强度很低。适应能力强。数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。工作环境好

数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体高科技产物，对机床的运行温度、湿度及环境都有较高的要求。就业容易、待遇高

由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段，大量的数控机床和先进的加工手段的快速引进，却没有大量熟练数控技术操作的人员参与，因此造成该行业严重缺乏人才。第二章数控控机床自身系系统的发展2.1数控控机床产业的的发展现状2.2数控技技术发展现状状2.3数控机机床关键部件件发展现状2.4中国加加速数控机床床产业发展之之路数控机床产业业的发展现状状据初步统计，，近年来数控控机床产量持持续地以年均均增长超过30%的速度度快速增长。。2004年年其产量达达52000台以上上，同比年增增长40%，，数控机床的的消费量约74000台台，同比年年增长32%。在数控机机床的技术水水平方面，由由于市场需求求的拉动，中中高档数控机机床的开发也也取得了较大大的进展，在在五轴联动、、复合加工、、高速加工、、超精加工和和数字化设计计等一批关键键技术上取得得了突破，并并形成了一批批中档数控机机床产业化基基地。数控机床关键键部件发展现现状我国滚动功能能部件产业与与国外的主要要差距是：专专业生产水平平不高；信息息化管理滞后后；产业化进进程缓慢；个个性化服务跟跟不上。从产产品总体水平平看，我们处处于发达国家家名牌产品之之下，发展中中国家之上的的中偏上水平平，中低档产产品与国外同同类产品差距距较小或基本本持平，但生生产效率却远远远低于国外外。我国数控机床床整体技术水水平的发展和和提高，最终终离不开先进进的功能部件件产业的支持持.国产数控机床床缺乏核心技技术，从高性性能数控系统统到关键功能能部件基本都都依赖进口，，即使近几年年有些国内制制造商艰难地地创出了自己己的品牌，但但其产品的功功能、性能的的可靠性仍然然与国外产品品有一定差距距。第三章我我国数控机床床的发展趋势势3.1开放性性3.2运动并并联化3.3极端化化、大型化和和微型化3.4信息交交互网络化3.5新型功功能部件3.6高可靠靠性3.7加工过过程绿色化开放性（1）向未来来技术开放。。（2）向用户户特殊要求开开放。（3）数控标标准的建立。。运动并联化并联运动机床床克服了传统统机床串联机机构移动部件件质量大、系系统刚度低、、刀具只能沿沿固定导轨进进给、作业自自由度偏低、、设备加工灵灵活性和机动动性不够等固固有缺陷，在在机床主轴（（一般为动平平台）与机座座（一般为静静平台）之间间采用多杆并并联联接机构构驱动，通过过控制杆系中中杆的长度使使杆系支撑的的平台获得相相应自由度的的运动，可实实现多坐标联联动数控加工工、装配和测测量多种功能能，更能满足足复杂特种零零件的加工，，具有现代机机器人的模块块化程度高、、重量轻和速速度快等优点点。并联机床作为为一种新型的的加工设备，，已成为当前前机床技术的的一个重要研研究方向，受受到了国际机机床行业的高高度重视，被被认为是“自自发明数控技技术以来在机机床行业中最最有意义的进进步”和“21世纪新一一代数控加工工设备”。极端化、大型型化和微型化化国防、航空、、航天事业的的发展和能源源等基础产业业装备的大型型化需要大型型且性能良好好的数控机床床的支撑。而而超精密加工工技术和微纳纳米技术是21世纪的战战略技术，需需发展能适应应微小型尺寸寸和微纳米加加工精度的新新型制造工艺艺和装备，所所以微型机床床包括微切削削加工（车、、铣、磨）机机床、微电加加工机床、微微激光加工机机床和微型压压力机等的需需求量正在逐逐渐增大。信息交互网络络化对于面临激烈烈竞争的企业业来说，使数数控机床具有有双向、高速速的联网通讯讯功能，以保保证信息流在在车间各个部部门间畅通无无阻是非常重重要的。既可可以实现网络络资源共享，，又能实现数数控机床的远远程监视、控控制、培训、、教学、管理理，还可实现现数控装备的的数字化服务务（数控机床床故障的远程程诊断、维护护等）。例如如，日本Mazak公司司推出新一代代的加工中心心配备了一个个称为信息塔塔（e-Tower）的的外部设备，，包括计算机机、手机、机机外和机内摄摄像头等，能能够实现语音音、图形、视视像和文本的的通信故障报报警显示、在在线帮助排除除故障等功能能，是独立的的、自主管理理的制造单。。新型功能部件件为了提高数控控机床各方面面的性能，具具有高精度和和高可靠性的的新型功能部部件的应用成成为必然。具具有代表性的的新型功能部部件包括：（1）高频电电主轴（2）直线电电动机（3）电滚珠珠丝杆高可靠性数控机床与传传统机床相比比，增加了数数控系统和相相应的监控装装置等，应用用了大量的电电气、液压和和机电装置，，易于导致出出现失效的概概率增大；工工业电网电压压的波动和干干扰对数控机机床的可靠性性极为不利，，而数控机床床加工的零件件型面较为复复杂，加工周周期长，要求求平均无故障障时间在2万万小时以上。。为了保证数数控机床有高高的可靠性，，就要精心设设计系统、严严格制造和明明确可靠性目目标以及通过过维修分析故故障模式并找找出薄弱环节节。国外数控控系统平均无无故障时间在在7～10万万小时以上，，国产数控系系统平均无故故障时间仅为为10000小时左右，，国外整机平平均无故障工工作时间达800小时以以上，而国内内最高只有300小时。。加工过程绿色色化随着日趋严格格的环境与资资源约束，制制造加工的绿绿色化越来越越重要，而中中国的资源、、环境问题尤尤为突出。因因此，近年来来不用或少用用冷却液、实实现干切削、、半干切削节节能环保的机机床不断出现现，并在不断断发展当中。。在21世纪纪，绿色制造造的大趋势将将使各种节能能环保机床加加速发展，占占领更多的世世界市场。第四章当前前数控机床的的主要发展体体现4.1高速、、高效4.2高精度度4.3高可靠靠性4.4复合化化4.5多轴化化4.6智能化化4.7网络化化高速、高效机床向高速化化方向发展，，不但可大幅幅度提高加工工效率、降低低加工成本，，而且还可提提高零件的表表面加工质量量和精度。超超高速加工技技术对制造业业实现高效、、优质、低成成本生产有广广泛的适用性性。20世纪纪90年代以以来，欧、美美、日各国争争相开发应用用新一代高速速数控机床，，加快机床高高速化发展步步伐。高速主主轴单元（电电主轴，转速速15000－100000r/min）、高高速且高加/减速度的进进给运动部件件（快移速度度60～120m/min，切削进进给速度高达达60m/min）、高高性能数控和和伺服系统以以及数控工具具系统都出现现了新的突破破，达到了新新的技术水平平。随着超高高速切削机理理、超硬耐磨磨长寿命刀具具材料和磨料料磨具，大功功率高速电主主轴、高加/减速度直线线电机驱动进进给部件以及及高性能控制制系统（含监监控系统）和和防护装置等等一系列技术术领域中关键键技术的解决决，为开发应应用新一代高高速数控机床床提供了技术术基础。目前前，在超高速速加工中，车车削和铣削的的切削速度已已达到5000～8000m/min以上；主主轴转数在30000转转/分（有的的高达10万万r/min）以上；工工作台的移动动速度（进给给速度）：在在分辨率为1微米时，在在100m/min（有有的到200m/min）以上，，在分辨率为为0.1m时，在24m/min以上；自动动换刀速度在在1秒以内；；小线段插补补进给速度达达到12m/min高精度从精密加工发发展到超精密密加工，是世世界各工业强强国致力发展展的方向。其其精度从微米米级到亚微米米级，乃至纳纳米级（#lt;10nm），其应应用范围日趋趋广泛。当前前，在机械加加工高精度的的要求下，普普通级数控机机床的加工精精度已由±10m提高高到±5m；精密级加加工中心的加加工精度则从从±3～5m，提高到到±1～1.5m，甚甚至更高；超超精密加工精精度进入纳米米级（0.001m），，主轴回转精精度要求达到到0.01～～0.05m，加工圆圆度为0.1m，加工表表面粗糙度Ra=0.003微米等等。这些机床床一般都采用用矢量控制的的变频驱动电电主轴（电机机与主轴一体体化），主轴轴径向跳动小小于2m，，轴向窜动小小于1m，，轴系不平衡衡度达到G0.4级。高高速高精加工工机床的进给给驱动，主要要有#quot;回转伺伺服电机加精精密高速滚珠珠丝杠#quot;和#quot;直线电机直直接驱动#quot;两两种类型。此外，新兴的的并联机床也也易于实现高高速进给。滚滚珠丝杠由于于工艺成熟，，应用广泛，，不仅精度能能达到较高（（ISO34081级）），而且实现现高速化的成成本也相对较较低，所以迄迄今仍为许多多高速加工机机床所采用。。当前使用滚滚珠丝杠驱动动的高速加工工机床最大移移动速度90m/min，加速度1.5g。滚滚珠丝杠属机机械传动，在在传动过程中中不可避免存存在弹性变形形、摩擦和反反向间隙，相相应地造成运运动滞后和其其它非线性误误差，为了排排除这些误差差对加工精度度的影响，1993年开开始在机床上上应用直线电电机直接驱动动，由于是没没有中间环节节的#quot;零传动动#quot;，不仅运运动惯量小、、系统刚度大大、响应快，，可以达到很很高的速度和和加速度，而而且其行程长长度理论上不不受限制，定定位精度在高高精度位置反反馈系统的作作用下也易达达到较高水平平，是高速高高精加工机床床特别是中、、大型机床较较理想的驱动动方式。目前前使用直线电电机的高速高高精加工机床床最大快移速速度已达208m/min，加速速度2g，并并且还有发展展余地。高可靠性随着数控机床床网络化应用用的发展，数数控机床的高高可靠性已经经成为数控系系统制造商和和数控机床制制造商追求的的目标。对于于每天工作两两班的无人工工厂而言，如如果要求在16小时内连连续正常工作作，无故障率率在P（t））＝99%以以上，则数控控机床的平均均无故障运行行时间MTBF就必须大大于3000小时。我们们只对一台数数控机床而言言，如主机与与数控系统的的失效率之比比为10:1（数控的可可靠比主机高高一个数量级级）。此时数数控系统的MTBF就要要大于33333.3小小时，而其中中的数控装置置、主轴及驱驱动等的MTBF就必须须大于10万万小时。当前前国外数控装装置的MTBF值已达6000小时时以上，驱动动装置达30000小时时以上，但是是，可以看到到距理想的目目标还有差距距。复合化在零件加工过过程中有大量量的无用时间间消耗在工件件搬运、上下下料、安装调调整、换刀和和主轴的升、、降速上，为为了尽可能降降低这些无用用时间，人们们希望将不同同的加工功能能整合在同一一台机床上，，因此，复合合功能的机床床成为近年来来发展很快的的机种。柔性性制造范畴的的机床复合加加工概念是指指将工件一次次装夹后，机机床便能按照照数控加工程程序，自动进进行同一类工工艺方法或不不同类工艺方方法的多工序序加工，以完完成一个复杂杂形状零件的的主要乃至全全部车、铣、、钻、镗、磨磨、攻丝、铰铰孔和扩孔等等多种加工工工序。就棱体体类零件而言言，加工中心心便是最典型型的进行同一一类工艺方法法多工序复合合加工的机床床。事实证明明，机床复合合加工能提高高加工精度和和加工效率，，节省占地面面积特别是能能缩短零件的的加工周期。。数控机床向柔柔性自动化系系统发展的趋趋势是：从点点（数控单机机、加工中心心和数控复合合加工机床））、线（FMC、FMS、FTL、、FML）向向面（工段车车间独立制造造岛、FA））、体（CIMS、分布布式网络集成成制造系统））的方向发展展，另一方面面向注重应用用性和经济性性方向发展。。柔性自动化化技术是制造造业适应动态态市场需求及及产品迅速更更新的主要手手段，是各国国制造业发展展的主流趋势势，是先进制制造领域的基基础技术。其其重点是以提提高系统的可可靠性、实用用化为提，以以易于联网和和集成为目标标；注重加强强单元技术的的开拓、完善善；CNC单单机向高精度度、高速度和和高柔性方向向发展；数控控机床及其构构成柔性制造造系统能方便便地与CAD、CAM、、CAPP、、MTS联结结，向信息集集成方向发展展；网络系统统向开放、集集成和智能化化方向发展。。多轴化随着5轴联动动数控系统和和编程软件的的普及，5轴轴联动控制的的加工中心和和数控铣床已已经成为当前前的一个开发发热点，由于于在加工自由由曲面时，5轴联动控制制对球头铣刀刀的数控编程程比较简单，，并且能使球球头铣刀在铣铣削3维曲面面的过程中始始终保持合理理的切速，从从而显着改善善加工表面的的粗糙度和大大幅度提高加加工效率，而而在3轴联动动控制的机床床无法避免切切速接近于零零的球头铣刀刀端部参予切切削，因此，，5轴联动机机床以其无可可替代的性能能优势已经成成为各大机床床厂家积极开开发和竞争的的焦点。最近近，国外还在在研究6轴联联动控制使用用非旋转刀具具的加工中心心，虽然其加加工形状不受受限制且切深深可以很薄，，但加工效率率太低一时尚尚难实用化。。智能化智能化是21世纪制造技技术发展的一一个大方向。。智能加工是是一种基于神神经网络控制制、模糊控制制、数字化网网络技术和理理论的加工，，它是要在加加工过程中模模拟人类专家家的智能活动动，以解决加加工过程许多多不确定性的的、要由人工工干预才能解解决的问题。。智能化的内内容包括在数数控系统中的的各个方面：：为追求加工工效率和加工工质量的智能能化，如自适适应控制，工工艺参数自动动生成；为提提高驱动性能能及使用连接接方便的智能能化，如前馈馈控制、电机机参数的自适适应运算、自自动识别负载载自动选定模模型、自整定定等；简化编编程、简化操操作的智能化化，如智能化化的自动编程程，智能化的的人机界面等等；智能诊断断、智能监控控，方便系统统的诊断及维维修等。网络化数控机床的网网络化，主要要指机床通过过所配装的数数控系统与外外部的其它控控制系统或上上位计算机进进行网络连接接和网络控制制。数控机床床一般首先面面向生产现场场和企业内部部的局域网，，然后再经由由因特网通向向企业外部，，这就是所谓谓Internet/Intranet技术。。随着网络技技术的成熟和和发展，最近近业界又提出出了数字制造造的概念。数数字制造，又又称#quot;e-制制造#quot;，是机机械制造企业业现代化的标标志之一，也也是国际先进进机床制造商商当今标准配配置的供货方方式。随着信信息化技术的的大量采用，，越来越多的的国内用户在在进口数控机机床时要求具具有远程通讯讯服务等功能能。机械制造造企业在普遍遍采用CAD/CAM的的基础上，越越加广泛地使使用数控加工工设备。数控控应用软件日日趋丰富和具具有#quot;人性化化#quot;。虚拟设设计、虚拟制制造等高端技技术也越来越越多地为工程程技术人员所所追求。通过过软件智能替替代复杂的硬硬件，正在成成为当代机床床发展的重要要趋势。在数数字制造的目目标下，通过过流程再造和和信息化改造造，ERP等等一批先进企企业管理软件件已经脱颖而而出，为企业业创造出更高高的经济效益益。第五章结结论本课题所论述述的数控装备备及加工技术术的现状与未未来，主要从从机床设备硬硬件和加工技技术应用两个个方面来论述述，其主要内内容包括：机机床床身结构构形式、传动动部件、伺服电机、主主轴单元、控控制系统及新新型刀具、涂涂层材料技术术、高速加工工技术、快速速成型技术、、特种加工技技术