国内外数控机床发展现状及数控知识毕业论文

word文档可自由复制编辑第一章国内外数控机床发展现状及数控知识简介一、国内数控机床发展现状1.1国内数控机床近几年发展我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。近年来我国机床行业不断承担为国家重点工程和国防军工建设提供高水平数控设备的任务。如国产XNZD2415型数控龙门混联机床充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联结构的A、C轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。该构型为国际首创。基于RT一Linux开发的数控系统具有的实时性和可靠性，能在同一网络中与多台PLC相连接，可控制机床的五轴联动，实现人机对话。该机床的作业空间4.5mx1.6mx1.2m，A轴转角±1050,C轴连续转角0一4000，主轴转速(无级)最高10000r/min，重复定位精度±0.01mm，可实现三维立体曲面如水轮机叶片，导叶的五轴联动高速切削加工。超精密球的加面车床为陀螺仪工提供了基础设备，这类车床也可用于透镜模具、照相机塑料镜片、条型码阅读设备、激光加工机光路系统用聚焦反射镜等产品的加工。高速五轴龙门铣床采用铣头内油雾润滑冷却、横梁预应力反变形控制等技术。这类铣床可用于航空、航天、造船、水泵叶片、高档模具等的加工。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r/min以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPII和电子商务。“十五”期间我国机床产业发展十分迅猛。据国家统计局资料，2005年我国机床工具行业合计完成工业总产值l260亿元人民币，是“九五”末期的23倍；产品售收人1213亿元，是“九五”末期的239倍。中国机床工具工业协会公布的数据表明，在去年全行业工业总产值中，金属加工机床销售超过400亿元人民币，自2002年起连续三年销售额已居日本、德国、意大利之后，排名第四位。据国内数控专家介绍，随着电子信息技术的发展。世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而我国从上个世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。据中国机床工具工业协会提供的数据，“十五”期间，我国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，是2001年的3.7倍，平均年增长39%；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。业内人士指出，“十五”期间，我国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快，汽车和机械制造行业发展迅猛，外商投资企业增长速度加快所致。与机床迅猛发展的现状相比，作为机床“心脏部件”的数控系统，2005年销量虽然超过3万台，但处于低档的经济型数控系统占据较大比重。业内专家不无忧虑地表示，国产数控系统近几年虽有很大发展，但仍无法阻止进口数控系统垄断的局面。从2002年起，我国就步入世界最大的机床消国同和最大进口国，仅以2004年为例，我国机床消费量占世界机床产值的20%。2005年消费量仍在增长。在我国机床消费额中，进口机床占据了半壁江山，其中绝太多数是数控机床。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。目前，我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本发那科（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过80%。在国内尚无自主知识产权高端数控系统替代的前提下，西门子和发那科拥有绝对的价格优势。加上高性能数控系统具有超越经济价值的战略意义，发达国对出口中国的数控系统始终有所限制，甚至像五轴联动以上的高性能数控系统产品绝对禁止向中国出口。1.2我国发展数控机床存在的问题我国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1958—1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国家(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。主要概括为以下四个方面的原因：（1)缺乏政府相关政策的引导。我国数控机床产业化低，与国外发达国家数控机床产业相比仍有很大差距。2004年，我国金属加工机床消费额达到了95亿美元，占世界总量的1/5。其中，进口份额占63%，数控机床进口额34亿美元，占全部进口金属切削机床的78.6%。缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引。（2）先进技术引进却未消化。对国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出。据有关方面介绍，韩国用1美元引进先进技术，用5美元进行消化吸收，而中国用1美元引进先进技术，用0.2美元进行消化吸收。要注重国外先进技术的引进、消化、吸收与自主创新能力提高的有机结合。（3）缺乏高素质专家人才。严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，造成数控机床领域共性关键技术的持续创新能力不足。美、德、日三国是技术最先进、经验最多的国家。美国的特点是网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。（4）产学研相结合体系未形成。适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系尚未形成，无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。数控机床的机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等方面比较落后。据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，不到德国、日本的1/20。二、国外数控机床的发展现状2.1机电一体化产品在国外迅猛发展的原因机电一体化产品在国外迅猛发展主要表现在以下四个方面：1、机电一体化产品几乎遍及所有制造领域。数控机床是机电一体化的典型产品，在工业发达国家已占其机床总数的30-40%；工业机器人的拥有量在未来10年将以25-30%的速度增长。智能机器人将逐步进入生产、流通、信息、办公、管理、娱乐、家庭等诸多领域；2、从机电一体化的单机向整个制造过程的集成化过渡。将制造系统、分析设计系统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机及通信网络联系起来，形成计算机集成制造系统(CIMS)，这是当今世界范围内制造业发展的总趋势；3、激光技术进入机电一体化领域。激光技术与机械电子技术相结合，郎人们常说的光机电一体化，不仅大大扩展了应用领域，甚至使一些行业出现重大变革；4、微细加工技术与设各突飞猛进。微电子技术及其产业的高度发展，带动了大量高技术的兴起徽细加工技术和装各不仅支持了电子产业的发展，而且对微机械的诞生和发展也起到了决定性的作用。2.2数控机床发展情况数控机床是集计算机、微电子、信息、传感、测试、机械制造技术为一体的高度机电一体化的产品，包括数控金属切削机床、锻压机床、铸造机械、木工机床等彀其相关配套件。目前，数控机床主要指的是那些由主机、数控系统和相关配套件组成的金属切削机床和锻压机床。2.2.1产量与产值世界数控机床的年产量已在15万台以上（产值超过200亿美元）总拥有量超过100万台。在工业发达国家数控机床品种已超过150种。1992年日本的年产量为32037台，约占21%德国年产量为14758台，约占10%；美国年产量为6663台，约占4.4%；原苏联(在1985年时)年产量为17600台，约占11.7%；我国年产7450台，约占5%；台湾年产5385台，约占3.5%。仅日、德、美三国，年产数控机床就占世界数控机床年产量的36%。日本、美国、英国、德国、法国、意大利等六国1989年金属切翻机床的总产值与1980年比，仅增加54%，但同期数控机床的产值比1980年删增加了256%。1990年，日本数控机床的年产量已达61697台，年产量的数控化率为31.8%，年产值的数控化率为76%。其他五国的年产量数控化率均在20%以上，年产值数控化率均在50%以上。上述六国拥有量数控化率在10%以上。1994年日本拥有量的数控化率为20.8%。工业发达国家的机床厂均生产数控机床，普通机床已逐步甩给第三世界营家去生产。在数控机床的生产中，生产最多的仍然是普通数控机床，特别是数控车床，但发展最快的则是可以自动换刀的加工中心。在近几年的国际机床展览会上，展品均以加工中心及由加工中心为主体的柔性加工单元及柔性制造系统为主。现在，日本、箍国、美国等三国生产的数控系统约占国际市场的三分之二。在目前世界机床拥有量中，高档(数控机床及柔性加工单元)、中档(非数控的高效自动化机床)、低档(手动操作的普通机床)之平均比例约为5：6O：35。在工业化国家中，高、中、低档机床比例约为10：65：25，高、中档机床比重大；在发展中国家，高、中、低档机床的比例约为1：19：80，低挡机床的比重高达60-90%，数控机床所古比例不超过1%。例如，美国、日本数控机床在机床总拥有量中的比重约为10%，中国的拥有量数控化率还不超过1%。2.2.2政府的重视与支持数控机床是发展军事工业的战略物资。众所周知的1985年“东芝事件”充分反映了数控机床在国防工业现代化方面所起的至关重要的作用。由于数控机床所处的特殊的战略地位，工业发达国家通过制订产业政策，从产业结构、技术发展路线、产品开发、投资渠道、设备折旧制度、进口限制、出口鼓励、人员培训等方面给予大力支持。(1)日本：日本政府于1956年、1971年和1978年三次制订和修订机械振兴法，将数控机床列为国家重点支持的特定产品。(2)美国：美国的汽车、机电、军事工业和宇航业尖端技术在一段时期内之所以能处于领先地位，一直靠本国的先进机床工业支持。(3)意大利：意太利政府于1965年和1983年先后颁布了一系列法规，通过贷款和分期付款的方式鼓励企业购置国产数控机床，为数控机床制造厂提供研究开发资金及出口信贷，对进口日本机床提高关税等，促进了本国数控机床工业的迅速发展。(4)西班牙：70年代西班牙的机床工业十分落后，1988年政府开始实施CN一1000NC开发计划，使得效控机床发展很快，从而带动了汽车、飞机等制造业的迅速发展，数控机床的出口也有很大增长。西班牙在欧洲、南美洲和亚洲都占有一定的机床市场。(5)印度：印度是一个农业国家，进入80年代以来，国内汽车、铁路、机械的高速发展，促使政府重视数控机床的发展，通过引进技术、实施特别补贴、执行各种奖励政策及技术发展计划(TUS)，印度数控机床的产量从1987年到1990年三年问平均以40%的速度高速增长。2.3世界数控机床发展趋势据国际咨询机构预测，今后世界上数控机床将以较高的速度发展，在金切机床中几乎所有品种均可实现数控化；数控系统向高度集成(采用64位CPU)、高分辨率(0.1um)、小型化方向发展I加工中心的定位精度在5tun以内，主轴转速达1万转／min以上，最高迭4—5万转／min，快速进给速度达100m／min。机械加工向工序复合化、智能化方向发展。未来工厂将广泛应用数控机床、柔性加工单元和柔性加工生产线，最终实现计算机集成制造系统。工厂可以灵活地根据用户需要，在短时间内设计、制造出全新的产品，实现更高精度、效率和效益。1、高精度化。国外效控系统的设定单位由1um发展到0.1um和0.01um。1992年7月，日本FANUC公司在庆祝该公司成立二十周年的新成果展示会上，展示了实现纳米加工的整套技术，实现了0.001um／脉冲的控制系统，能牍利执行每个脉冲当量为0．001um的伺服单元，伺服电机、气浮丝杠、气浮主轴等部件，能检测纳米级精度的高精度检测反馈系统。据资料介绍，这是世界上第一个真正实现纳米加工的成套技术。2、高速化。快速行程已从24m／min提高到240m／min(当设计单位为1um时)，加工中心的切削进给速度可达10m／min以上。数控系统已从16位微机发展到32位、64位机，或用40多个CPU的结构。FANUC公司开发的15B数控系统就采用了64位微机的RISC技术(压缩、优化程序、消除跟踪误差)。3、高可靠性。FANUC公司的计算机数控系统的平均无故障工作时(MTBF)是0.01次／月·台，即实现了100个月里出现一次故障的高可靠性t从而使机器人也实现了0.013次／月·台的高可靠性(另一种说法是国外数控系统的MTBF在1万小时以上)。4、系统化。在新厂筹建和老厂扩建过程中，人们已注意到了耍在系统工程观念指导下来添置数控机床、柔性加工单位及柔性制造系统、机器人等机电一体化产品。德国的维勒尔公司已经给世界各国提供了上百条柔性制造系统。FANUC公司还在筑波科学城中按计算机集成制造系统(O1MS)的五层结构建成CIMS模式的工厂。富士通公司建立了绍津CIMS工厂，富士电机也建立了吹上C1MS工厂}德国的西门子公司建立了CIMS数控系统制造厂。5、微型化。FANUC公司由于采用了64位傲处理嚣、RISC技术、SMT技术(表面涂装技术)，用液晶显示器代替CRT及三维立体安装等新技术．已将16、18等新数控系统鳍小到原有数控系统的1/3。同时，已开始与其它公司，政府部门合作，开展了徽型机器人的研制工作。用于医学顿域的傲型机器人要能进入人体，执行打通血管阻塞的任务，还要在任务完成后自动退出人体。6、智能化。视觉、触觉、模糊逻辑控制等智能化工作仍在积极进行。如FANUC公司展示的7轴双腕智能化机器人。日本在无人化工厂的研制上长期保持l～2个示范工厂的状态现已打破，目前已有7个无人化工厂。FANUC公司在无人化工厂的研制上每年投入1亿美元的研制费。7、由传统的万能机床向机床功能专用化和产品多样化发展。由于机床的万能性和多功能性，造成机床结构复杂、制造周期长、成本也相应提高。用户往往只需要都分功能，但付出的却是多功能的代价，功能浪费了，根不经济。现在机l床制造业从品种少、批量大的生产转换为多品种、专业化和小批量生产。对每一种具体的机床产品来说，它的功能应该是有限的，适合用户特定需要的，尽量步带不必要的功能。如加工中心的刀库，原来一般为60把刀，后考虑多数用户需要的刀数还不到一半，生产企业把刀库容量降到25把刀或以下。8、以模块化设计实现产品多样化，功能专用化，已成为当前机床发展的主流。这类机床是较为专用化的机床。这类机床在机床镑售额中所占的比重，过去5～10年为3%，现在已达到10%，再过5～10年，将达到50%以上。生产企业要为每个不同的用户专门设计机床，而规格和功能完全相同的机床将缸来愈少。甚至于以后有可能不再出现。9、发展经济型数控机床和加工中心也成为当前数控机床发展的一种趋势。经济型(国外多称为廉价型)数控机床，加工中心，是美国、日本等国的机床业作为一个参与市场竞争的新策略而再现的。起初这些企业为扩大销售市场，眼光从西方转向东方什对中国大陆和东南亚这一片市场，如以功能复杂、档次高而价格昂贵的效控机床、加工中心在市场上竞争并不有利，相反，以价廉和便于操作的数控机床来适应，则更加符合于这些地区的实际需要。10、“电子——机械”商品化。一般认为机电一律化商品，机械部分成本较高。现在国际市场上机电一体化商品中的“电子”部分的比啻I不断增加。FANUC公司正准备将成本中的电子都分增加到占60%，机械部分占40%，即形成以“电子”为主，以“机械”为辅的机电一体化商品。三、数控机床知识简介机床数字控制技术是集计算机.电子.电气.电力拖动.自动控制与自动测量.机械.液压.气动为一体的高新技术。它较好的解决了形状复杂.精密.中小批量零件加工问题,而随着计算机辅助设计.计算机辅助制造.计算机辅助工艺(CAD/CAM/CAPP)等新技术的应用,特别是在自动化和柔性化制造系统中发挥着不可取代的作用,为产品不断更新换代推波助澜。为此也推动了数控技术自身的不断完善和发展。数控机床（NC机床）狭义的说就是以数字字符形式控制机床运动，完成机械加工的机床。而我们常说的CNC是指计算机数控（ComputerNumberControl）数控机床出现于五十年代末，七十年代以后随着微型计算机技术的发展而迅速发展起来的。现在已经成为机加行业不可缺少不可取代的加工设备。NC技术的硬件也经历了从分离元件、中.小规模集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路的过程。早期的NC实际是由硬件组成的插补器，采用光电阅读机读取纸带（一般为ISO/EIA标准代码）随着技术的进步在NC中逐步增加了各种辅助功能、补偿功能、检测功能等速度等，速度也大大提高，人机界面大大改善（这当然与相关技术的发展有关）。一．数控机床特点1．特点：加工精度高;加工零件一致性.互换性好;减少了工装.夹具;柔性化程度高;提高了工作效率;一次装夹可以进行多工序加工,提高了加工质量,减少了辅助工作时间;改善了劳动条件等等。2．对机床要求：为了提高整机可靠性就必须选用可靠性高的元.器件;提高机床的耐磨性能和保持润滑良好;为了提高精度就必须提高轴承.丝杠.带轮.齿轮等传动部件的精度和提高对导轨接触面.垂直.平行等的要求;对机床机械装配和电气装配质量也提高了要求;为了提高机床的自动化程度就必须提高其他辅助设施的自动化程度等等。3．结构情况1）机床基础件：铸件（应为高强度的树脂沙造型密烘铸件）、焊接件（一般用于轻型机床，且易变形）2）导轨：导轨是机床精度的首要部件有以下几种形式①滑动导轨：传统机床的导轨有V型和矩型两种形式。数控机床多采用矩型导轨，其承载能力强，精度保持度好。为了提高精度保持度、降低摩擦系数和动、静摩擦系数差别小一般采用镶钢-贴塑或铸铁淬火-贴塑结构导轨副。②线性导轨：这是一种专业厂生产的滚动导轨，有滚针、滚珠、单排、多排多种规格，其性能差别也很大。其摩擦系数低，已被数控机床大量采用。③静压导轨：一般用于大型机床，因其调整要求高、对油温和黏度也要控制。3）主传动：主轴电机与主轴间的传动有多种形式①直联：结构简单，转速高，缺点是受主电机转矩的限制，一般转矩小。直联对拉刀机构的位置有些限制。②齿轮传动：变速范围广，传动转矩大，适宜大扭矩切削机床，受齿轮最高线速度的限制一般转速较低。③带轮传动：有同步带和多谐带两种，后者传动转矩较大。④电主轴：高速主轴（12000rpm以上）一般采用机电和一的电主轴，且主轴采用内冷却方式。4）进给传动：为了提高传动效率和传动精度数控机床多采用滚珠丝杠传动，且丝杠应进行予拉伸。丝杠与进给电机间采用直联或同步带、带轮传动。5）刀库：刀库机械手是加工中心的重要部件，其可靠性的好坏又是加工中心的重要指标。常见的刀库形式有链式、盘式、斗笠式等刀库机械手的驱动有气、液、电等；其中以凸轮式刀库换刀速度最快。6）润滑系统；和普通机床一样分为主轴润滑、导轨润滑、丝杠丝母润滑。机床润滑的可靠与否关系着机床的可靠性、精度保持度；好的数控机床润滑必须是可靠、充分和不污染环境。7）冷却系统：冷却系统包括主轴冷却和刀具冷却。高速主轴必须具有主轴冷却系统，以控制主轴轴承的温升在允许的范围内（保证主轴精度和可靠运行）。刀具冷却是为了充分发挥机床和刀具的加工效率，使刀具在允许的线速度下长期切削加工。8）机床防护装置：机床防护装置包括导轨防护和切屑、切屑液的防护。要求防护良好有便于工件的装卸。二．数控机床分类1．按照一般机床应用可分为数控车.铣.磨.钻.冲.线切割等等。2．按照机床功能又可分为一般数控机床；加工中心（车削中心、铣削中心、钻削中心、加工中心）和数控仿形机床三类。3．按照检测位移反馈测量位置的不同，又可分为闭环.半闭环.开环三大类。如果将光栅.感应同步器.磁栅等测量器件装在工作台上,直接测量工作台位移,反馈到数控系统就构成了全闭环数控系统。如果将脉冲编码器.旋转变压器.等测量器件装在丝杠端头通过测量丝杠转动测量工作台位移(间接测量)称为半闭环系统。不进行位移测量的数控系统称开环系统。4．以铣加工为主的机床（加工中心）有升降台式、滑枕式、床身式（包括十字滑台和动柱式两种结构）和龙门式等。前两种机床较经济，一般精度稍低，而龙门式机床多为大型机床。中小型加工中心多为床身式机床。三．数控代码和编程数控机床是通过数控程序来控制机床加工的,目前大多采用功能代码加数字的形式,表示各种动作和运动。G代码称准备功能代码，用以指令运动形式。如：G00表示定位；G01表示直线插补；G02G03表示圆弧插补；G04表示暂停等等。M代码称辅助功能代码，用以指令辅助动作。如：主轴启动正转.反转.停止;冷却液的开和关;程序停止等等。S代码称主轴功能代码，用以指令主轴速度。有S二位.S四位（五位）等,一般S四位以上直接指令主轴转速,S二位数只表示一定的主轴转速。T代码称刀具功能代码，用于指令刀具号和刀具补偿号。F代码称进给功能代码，用于指令进给速度。此外，用X.Y.Z.A.B.C等指令坐标轴;用R指令圆弧半径;用I.J.K等指令圆弧圆心;用H.D.P等指令补偿.暂停等参数;用O指令程序号;用N指令程序段号等等。将这些代码和数字分段组合起来，用于控制机床的动作和运动叫做编程。（有的数控系统不采用这种代码型式）为了编程方便，数控系统一般具有刀具补偿功能，用一个程序通过刀具补偿可以用不同刀具加工出同一个工件。随着计算机技术的发展和实际加工的需要，在有的数控系统中又增加了参数编程（宏指令），将一些方程和计算（包括逻辑运算，比较）在系统中进行，使一些手工计算复杂的问题得以简化。数控加工程序属于工艺范畴，它是与机床设备.工艺方法密切相关的(包括加工路线.装夹.刀具.对刀等).所以工艺不同程序也不相同。1．简单零件的加工可以手工编程,通过系统的手动数据输入(MDI)输入机床。2．计算机编程,利用计算机编程也有手工和自动两种方法,手工编程可以用计算机的通用编辑软件进行。自动编程软件很多，可以分为二维.三维和多维几种,也称CAM软件。一般工作过程是输入加工工件的特征字（点.线.圆弧.曲线.曲面等）和各型值点数据,经过数据处理(编程软件)建立数学模型,再输入工艺参数(材料.刀具.装夹.基准.机床系统等)经后置处理程序就可以输出加工程序了。（常见的CAM编程软件有EDSUG、SURFCAM、DUCT、Pro-E等一般价格较高。国内的以北航-海尔的CAX'A制造工程师较为完善。）3．大多数系统与计算机之间可以通过RS232C接口通讯，但需要有通讯软件。四．数控系统构成1．输入及显示单元,输入单元包括键盘和接口用于输入和编辑程序.设定参数,目前大多采用触摸式键盘,一般要求可靠,美观,手感好,最好防水,防油。显示单元有CRT（阴极射线管）LCD（液晶显示器）LED（液晶数码显示器）等，又分为单色，彩色两种。2．数控单元，包括CPU及数控软件，I/O接口，轴卡，存储器等等。3．位置检测器件：闭环系统测量反馈元件种类很多，用于线性位移测量的有光栅尺.感应同步器.磁栅尺等;用于转角测量的有圆光栅.脉冲编码器.旋转变压器等,还有增量式和绝对式之分,我公司机床多采用增量式编码器或光栅。早期的测量系统均反馈到控制单元，现在控制单元与伺服之间有些采用了通讯有的只反馈到伺服单元。4．执行元件：数控装置的执行元件多采用伺服电机，伺服电机有步进电机.直流伺服电机和交流伺服电机等种类。它们都用其特定的驱动单元（伺服单元）驱动控制。早期的数控系统多采用直流伺服电机，用晶闸管或晶体管控制电机电枢电压和激磁电压(只有主轴才改变激磁)改变电机转速和转矩。现在多采用交流伺服电机，通过改变施加在电机上不同频率的电压（实际上电压也改变）控制电机转速，交流伺服电机由于没有碳刷而使电机结构简单可靠，减少了维修费用。驱动电路采用晶体管脉宽调制。而指令电路又有模拟式和数字式之分，数字式由于电路简单，运算速度快，控制精度高。又没有温度变化带来的零点漂移（没有运算放大器），越来越被广泛采用。步进电机是脉冲控制电机,大多用于开环控制系统。可以控制主轴伺服电机的数控系统，可以控制主轴的转向.转速甚至位置。5．可编程控制器（称PLC或PMC）现代数控机床几乎全部采用CNC系统，在电气控制中多采用了可编程控制器。PLC接收来自机床和CNC的信号，来自机床的信号如：按扭.行程开关.自动开关.机床液压.液位.气压.等;来自CNC的信号如:M.S.T代码等。经过逻辑处理（PLC顺序程序）再向机床和CNC发出控制信号。发往机床的信号如：接通.断开开关;(用于控制电机.阀.电磁铁.离合器等)各种指示灯等。发往CNC的信号如：工作方式.循环启动.进给保持.紧急停止.进给和主轴倍率以及M.S.T的应答信号等等。PLC的采用大大简化了机床电气设计，减少了元.器件,提高了电气可靠性,同时也使连锁.互锁等保护功能大大加强。有些PLC还可以控制伺服电机,但只能用于定位(如:刀库转位;圆工作台分度定位等)。PLC又有内装和外装之分，现在大多数数控系统带有内装PLC，其优点是与CNC之间信息量大.方便。有些系统需用外装PLC（如：上海开通的MTC-Ⅱ）五．数控系统情况数控系统性能是一个综合指标，涉及的问题很多，诸如：系统开发年代.CPU位数.处理速度.软件.内存.I/O.通讯.人机界面.安全.方便.成套性.可靠性以及维修等。所以评价系统决不是一句话可以说清的，只有通过需要.性能和价格来确定。1．系统与计算机PC：数控系统是随着计算机的发展而发展起来的，但目前大多数数控系统又不同于计算机，它没有诸如DOS.WINDOWS等操作系统；硬件和PC也不一样,没有采用诸如PCI，ISA总线以及光驱.硬盘和软驱;只是采用了计算机通用芯片CPU.可编程接口.存储器.门电路等。所以它很多指标不同于计算机,这在日本FANUC系统尤为突出。数控系统工作在工业环境,对可靠性要求高;而PC是办公用品,可靠性指标低些。欧美一些厂商和一些机床厂开发的数控系统与计算机更接近一些,表现为有的有操作系统.硬盘或软驱,与计算机通讯也较简单,他们共同的问题是用户没有FANUC等专业生产厂多,可靠性一般也不及FANUC等专业生产厂的系统。2．系统生产厂a.FANUC是目前市场占有率最大的系统生产厂(2000年市场占有率为全世界的48.5%)，其生产0（0C、0D、0i等）系统又是其产量最大的，0C系统是一种通用型数控系统，选择功能多，可配置FANUC各种数字式伺服电机；0D是FANUC为中国开发的经济型系统，有比较强的软件功能包，选件主要是图形功能，主要缺点是只能配aC系列伺服电机高速下扭距偏小。0i系统是新开发的系统也是功能包形式，功能大大强于前两种系统，其功能包A功能更强。0i-ModelB可以具有以太网接口功能；16/18系列系统是一种全功能型数控系统，采用了64位高速微处理器，它最多何以控制十个轴，四轴连动。具有前馈予读.图形会话编程.刀具寿命管理.程序存储可达512K字节等选择功能。16i/18i等系统是FANUC公司推迟的具有以太网功能的新系统b．MITSUBISHI（三菱）主要有50M、520A及60系列等系统(2000年市场占有率为全世界的6.0%),其性能大致接近FANUC的0D.0C和18C.但基本功能比FANUC多,选择功能少些。C、SIEMENS系统(2000年市场占有率为全世界的9.0%)，西门子公司是全球最大的电气公司之一，其自动化部生产数控和伺服驱动,在国内用的比较多有840D810D.802D.802S等.它们共同的优点是用户内存大,810D.840D可达1.5Mb,802D.802C.802S为256Kb,硬件有多种选择;缺点是操作使用不及FANUC系统直观,用户也没有FANUC多。840D、810D系统与FANUC18C属同一个档次；810D与0C；802C与0D属同一个档次，而802S系统为控制步进电机的经济型数控系统。其840D、810D等采用了多CPU结构，界面可是WINDOWS环境、以太网界面又可和18i比美。d．FIDIA公司（意大利）FIDIA系统以仿形闻名于世,一般采用工控计算机(IPC)控制,它生产的仿形头也很好。e．欧美数控系统生产厂还有德国HEIDENHAIN.法国NUM.西班牙FAGOR.美国AUTOCON.A-B.HASS等。f．还有一些机床生产厂自己开发了数控系统，如日本的OKUMA（大畏）.MAXAK的（马扎克）.美国的CINCINATI的（辛辛那提）等等,这些系统大多与计算机联系紧密,内存容量大.通讯方便,由于用量少,维修体系不容易健全。3，数控系统功能：a．控制轴控制轴是系统的重要指标，包括控制轴数.同时控制轴数(插补轴数).及与轴有关的一些设置功能。b．插补功能(轨迹运算功能)包括定位.圆弧.螺旋线.圆柱等,还包括轨迹有关的其他控制。c．操作指系统（机床）有那些操作方式。d．进给指系统（机床）有那些进给方式。e．刀具功能指有多少刀具补偿存储器和刀具补偿形式.寿命管理等。f．程序输入及编辑，程序内存容量。输入方式.代码格式.以及允许的编辑方式（方便性）等。g．显示与设定.诊断.报警。h．网络功能等六．加工中心.测头和仿形随着技术不断进步和发展，在机床上增加了刀库机械手，在加工过程中通过PLC控制自动交换刀具,构成加工中心。如果再加上数个自动交换工作台就称为柔性制造单元（FMC）。加工中心可以一次装夹工件进行多工序连续加工，提高加工效率和加工精度。工件测头和刀具测头是加工中心常带的重要附件，工件测头一般装在主轴上，分有线和无线两种，为了方便加工中心多用红外线检测的无线测头（如RENISHAW的SP12测头）。工件测头可以完成对工件的找正和测量，与宏指令配合就可以完成对工件的再加工。刀具测头一般装在工作台的角上（如RENISHAW的TS27R），用于测量刀具的长度和半径，与外部数据输入配合，可以完成刀具补偿值的修改，而不需改变加工程序。有了测头可以进一步提高加工中心的加工效率和加工精度。数控仿形是数控机床中的高技术产品，它除了具有一般数控功能外，还具有仿形和数字化功能。在机床上增加了仿形仪，仿形仪实际上是一个高灵敏度的三向位移传感器，系统除了接受控制指令外还接受来自仿形仪的信号，控制机床运动。仿形加工的优点是不需编程，因而特别适合编程困难的零件，只需一个实物或模型就可以加工。缺点是只能一比一加工，为了克服这一缺点可以采用数字化功能，如同仿形方式一样，用仿形仪（称测头）对工件（模型）进行扫描，将工件坐标存入计算机，再经数字化处理，就建立了工件的数学模型，实际加工时再配以工艺参数（主轴.刀具.加工方法.加工路线等）进行加工。主要优点是可以改变工件的尺寸和比例，也可以镜象加工，一台机床采集的数据也可以用于其他数控机床加工。在普通数控机床上加装一个测头，利用通用计算机PC和专用软件也何以实现数字化扫描，此时在计算机上设定扫描区域和扫描方式，由计算机通过接口控制机床运动（扫描），进行数据采集。这种方式用的最多的是英国RENISHAW公司的测头和软件。由于用PC机采集数据所以其后置处理程序一般功能较强，而且一些PC软件也可以运行。目前，RENISHAW公司数控机床用扫描系统主要包括SP2-1模拟扫描测头.TracecutCAM软件.电缆.探针以及接口卡等,分Rentroscan和Renscan200两种,两种的主要区别是扫描速度不一样,在系统上取得坐标数据的位置也不一样(连接位置不一样)。其对采集数据的处理TracecutCAM软件是一样的。七．DNCDNC是数控系统的选择功能，一般意义上的DNC是指直接数字控制（DirectNumiericControl）。它是通过连接数控系统.计算机之间的RS232C接口通讯实现的功能,可以完成:a、发送:从计算机向数控机床传输程序或参数.b、接收:从数控机床向计算机传输程序或参数.c、实时加工:计算机向机床传送程序,机床边接收程序,边实际加工。（程序可以无限长）实现DNC的条件是：a、具有一定运行环境的一台通用计算机或PC兼容机。b、与机床数控系统适配的DNC软件。c、正确连接机床与系统之间的RS232C。d、正确设定有关通讯参数。DNC的另一种说法是指分布式数字控制（DistributeNumericControl）或称计算机远程自动控制，它对数控系统和计算机软件都提出了更高的要求。八．数控机床的精度检查数控机床具有普通机床的全部特征，因此对数控机床的精度检查是多方面的，它除了普通机床的几何精度以外，还增加了位置精度检查和工作精度检查。1．机床的几何精度主要是指工作台面的平面度.各直线轴移动的直线度.各轴间的垂直度.平行度.主轴的轴向跳动.径向跳动.各旋转轴的轴线对对应轴的平行度.基准T型槽的直线度及与其对应轴的平行度.垂直度等。2．位置精度,位置精度主要评定三项精度,即重复定位精度R.定位精度Au和反向偏差值B。定位精度Au反应了移动的目标位置与实际到达位置的偏差；重复定位精度R反应了多次定位时到达同一位置的离散度；反向偏差值B反应了正.反两方向趋向同一位置的偏差。位置精度的检测和评定方法设机床（坐标）予定到达位置为Pj（j为目标位置的序号1.2.3…..）实际到达位置(测量值)为Pij↑和Pij↓(i为测量次数号1.2.3…..而↑和↓分别表示趋向目标位置的两个不同方向)位置偏差为Xij↑=Pij↑-Pj和Xij↓=Pij↓-Pj则单向平均位置偏差为_1n(Xi↑)=---ΣXij↑和ni=1_1n(Xi↓)=---ΣXij↓ni=1目标位置的反向偏差Bj=Xj↑-Xj↓平均位置偏差Xi=（Xi↑+Xi↓）/2目前采用的评定位置精度的方法有多种，但用的最多是国标GB/T17421.2-2000（数字控制机床位置精度的评定方法）还有国际标准ISO/DIS230/2.德国VDI/DGQ3441.美国NBTBA.（英国3800-1991；已经不用）以上几种评定方法采用的是数理统计法以及日本JISB6330-1980，该标准采用的是极差法等。前几种稍有差别,而日本JISB要求较低。1）GB/T17421.2-2000在此标准中引入了位置偏差的标准偏差Sja.重复定位精度单向为Rj↑=4Sj↑和Rj↓=4Sj↓则轴线的重复定位精度为Rj↑和Rj↓中的最大值.b.定位精度__单向定位精度Au↑=(Xj↑+3Sj↑)-(Xj↑-3Sj↑)maxmin__单向定位精度Au↓=(Xj↓+3Sj↓)-(Xj↓-3Sj↓)maxmin双向定位精度__Ab=(Xj↑+3Sj↑)或(Xj↓+3Sj↓)-maxmax__(Xj↑-3Sj↑)或(Xj↓-3Sj↓)minmin(取各测量点中的最大和最小值)c.轴线的反向偏差值B各目标位置反向差值Bj中的最大绝对值B=∣Bj∣max2）JISB-6330-1980数字控制机床试验方法通则这是日本标准,因为引入我国较早,所以至今仍被广泛采用a.重复定位精度取同方向七次测量最大.最小读数差的1/2加(±)表示。b.定位精度取同方向一次侧量：Xijc.反向偏差Xi↑—Xi↓（测量7次）3．工作精度检查，又称NAS试验(美国海军航空试验站)主要是切削圆.棱.定位.镗孔等。其是对机床各项精度和调试结果的综合检查，包括了几何精度.插补.跟随误差的调整.两轴匹配.换向等只有工作精度好,才说明整机精度好。九、数控机床和系统的新发展数控机床的发展1、高速、高效、高精度。进给速度可达60m/min以上，主轴转速可达40000rpm以上，定位精度可≤0。002mm，表面光洁度在0.003mm以内。2、床复合化：车、铣、钻、铰、镗功能一体化，使一次装卡可完成多工序；铣头可立卧相互转换；交换刀具、工作台、铣头等真正实现多工序一机加工。3、更加柔性化，现代集成制造系统（CIMS），就是在CAD/CAM和CAPP的基础上完善起来的。数控系统的发展：1、更加贴近计算机（PC），与CAD/CAM一机化，界面、操作系统也与PC一致。2、实现OpenSoftCNC，和PC一样，实现硬件、软件的随意配置。3、网络及远程控制，无人加工的完成。4、高速响应。第二章相关理论知识2.1引言数控技术是先进制造技术的基础，它是综合应用了计算机、自动控制、电气传动、自动检测、精密机械制造和管理信息等技术而发展起来的高新科技。作为数控加工的主体设备数控机床是典型的机电一体化产品。数控机床代表一个民族制造工业现代化的水平随着现代化科学技术的迅速发展制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。随着科学技术的不断发展，数控技术的发展越来越快，数控机床朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。但最主要的发展趋势就是采用“PC＋运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。2.2零件分析1.生产状态绘制凸台槽孔零件图，如零件图1所示，毛坯为180ⅹ140ⅹ50.5mm板料，零件材料为45#钢，小批量生产，无热处理工艺等其他要求。2.零件材料分析该零件的材料是45#钢，45#钢属于中碳钢。其化学成分(%)：0.42-0.50C、0.17-0.37Si、0.50-0.80Mn、0.035P、0.035S、0.25Ni、0.25Cr、0.25Cu、。抗拉强度为600Mpa、屈服强度为355Mpa、伸长率为16%3.零件结构分析零件属于板类零件，加工的部位有上表面、凸台轮廓、孔、开口槽。加工内容都集中在上表面，因此零件可以在一次装夹中完成。零件的表面有槽、轮廓、孔加工，在数控铣床和数控加工中心上都可以满足图纸要求。2.3零件工艺分析1.选择毛坯该零件的材料为45#钢，毛坯为180ⅹ140ⅹ50.5mm板料，各边都有足够的余量，刚性好，加工时不容易变形。2.工艺分析1)零件图纸分析：该零件用四个基本视图表达它的内外形状。左视图采用部分全剖，主要表达φ14的孔、φ20.5+0.021和φ10+0.018孔的内部结构。零件的结构形状比较复杂，标注的尺寸很多，这里仅分析主要尺寸。零件底面为高度方向的尺寸基准，标注出深度方向尺寸39.5+0.028、120、14.5+0.021、25.5+0.021等；零件左右对称面为长度方向的尺寸基准，标注出长度方向尺寸160、130、110-0.054、