淺析數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程及趨勢(shì)

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）模板 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題 目： 淺析數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程及趨勢(shì) II淺析數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程及趨勢(shì)內(nèi)容摘要本文以數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，首先闡述了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程，尤其對(duì)其進(jìn)給伺服系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，接下來(lái)對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹，并分析了其存在的問題，最后提出了針對(duì)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展策略。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；進(jìn)給伺服系統(tǒng)，機(jī)床加工程序目 錄內(nèi)容摘要I前 言11 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程21.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)21.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)31.3 數(shù)控機(jī)床加工程序的結(jié)構(gòu)32 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)43

2、數(shù)控機(jī)床發(fā)展中所存在的問題54 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展策略6參考文獻(xiàn)8前 言自20世紀(jì)末開始，我國(guó)制造業(yè)就開始了逐漸由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)了腳步，機(jī)床制造業(yè)也跟著取得數(shù)控機(jī)床快速增長(zhǎng)的業(yè)績(jī)。機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)和制造信息集成的重要元素，既是生產(chǎn)力要素，又是重要商品。機(jī)床的發(fā)展和創(chuàng)新在一定程度上能映射出加工技術(shù)的主要趨勢(shì)。近年來(lái), 我國(guó)在數(shù)控機(jī)床和機(jī)床工具行業(yè)對(duì)外合資合作進(jìn)一步加強(qiáng), 無(wú)論在精度、速度、性能, 還是智能化方面都取得了相當(dāng)?shù)某煽?jī)1。在國(guó)際貿(mào)易中, 很多發(fā)達(dá)國(guó)家把數(shù)控機(jī)床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤(rùn)的主要機(jī)電出口產(chǎn)品。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行總結(jié)分析，將有助于推進(jìn)我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)實(shí)

3、現(xiàn)跨越式發(fā)展的目標(biāo)。11 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程自上世紀(jì)50年代以來(lái)，世界數(shù)控機(jī)床主要經(jīng)歷了數(shù)控NC（Numerical Control）和計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC（Computer Numerical Control）2個(gè)階段2。數(shù)控NC階段主要經(jīng)歷了以下3代：第1代數(shù)控系統(tǒng)，始于50年代初年，系統(tǒng)全部采用電子管元件，邏輯運(yùn)算與控制采用硬件電路完成。第2代數(shù)控系統(tǒng)，始于50年代末，以晶體管元件和印刷電路板廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)為標(biāo)志。第3代數(shù)控系統(tǒng)，始于60年代中期，由于小規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使其體積變小、功耗降低，可靠性提高，推動(dòng)了數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC階段也經(jīng)歷了3代：第4代數(shù)控系統(tǒng)，始

4、于70年代，當(dāng)首個(gè)采用小型計(jì)算機(jī)的CNC裝置芝加哥展覽會(huì)上露面時(shí)，標(biāo)志著CNC技術(shù)的問世。第5代數(shù)控系統(tǒng)，70年代后期，中、大規(guī)模集成電路技術(shù)所取得成就，促使價(jià)格低廉、體積更小、集成度更高、工作可靠的微處理器芯片的產(chǎn)生，并逐步應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。第6代數(shù)控系統(tǒng)，始于90年代初，受通用微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的影響，數(shù)控系統(tǒng)正朝著以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為基礎(chǔ)，向著開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方面進(jìn)一步發(fā)展。數(shù)控機(jī)床通常由控制系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成。其中進(jìn)給伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其性能是決定數(shù)控機(jī)床加工性能的極其重要的技術(shù)指標(biāo)。因此提高進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)

5、特性的品質(zhì)是人們始終追求的目標(biāo)。接下來(lái)主要介紹一下進(jìn)給伺服系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是一個(gè)很典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))、檢測(cè)與反饋單元和機(jī)械執(zhí)行部件幾個(gè)部分組成。是以運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是一個(gè)很典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由位置控制單元、速度控制單元、驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))、檢測(cè)與反饋單元和機(jī)械執(zhí)行部件幾個(gè)部分組成。1.1.1步進(jìn)伺服系統(tǒng)  在20世紀(jì)60年代以前，步進(jìn)伺服系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服電動(dòng)機(jī)或是以功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)

6、動(dòng)為特征，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制。步進(jìn)伺服系統(tǒng)接受脈沖信號(hào)，它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率或個(gè)數(shù)。由于沒有檢測(cè)和反饋環(huán)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)的精度取決于步距角的精度，齒輪傳動(dòng)間隙等，所以它的精度較低。而且步進(jìn)電機(jī)在低頻時(shí)易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，它的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降。又由于步進(jìn)伺服系統(tǒng)為開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)易出現(xiàn)“丟步”或“堵轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高容易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。另外步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要的時(shí)間也較長(zhǎng)，速度響應(yīng)較慢。但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，工作可靠，價(jià)格較低的特點(diǎn)，在許多要求不高的場(chǎng)合還是可以應(yīng)用的。 1.1.2 直流伺服系統(tǒng) 6070年代后

7、，數(shù)控系統(tǒng)大多采用直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能。輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，伺服系統(tǒng)也由開環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制，因而在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了更加廣泛的運(yùn)用。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，其相應(yīng)設(shè)備如精密數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等對(duì)電伺服系統(tǒng)提出越來(lái)越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械式換向器，在應(yīng)用過程中面臨很多問題，如電刷和換向器易磨損，維護(hù)工作量大，成本高;換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制;直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對(duì)其他設(shè)備易產(chǎn)生干擾。1.1.3交流伺服系統(tǒng) 針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，人們一直在努力尋求以交流伺服電動(dòng)機(jī)取代具有機(jī)

8、械換向器和電刷的直流伺服電動(dòng)機(jī)的方法，以滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是高精度、高性能伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的需要。但是由于交流電機(jī)具有強(qiáng)耦合，非線性的特性，控制非常復(fù)雜，所以高性能運(yùn)用一直受到局限。自80年代以來(lái)，隨著電子電力等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，在矢量控制算法方面的突破，原來(lái)一直困擾著交流電動(dòng)機(jī)的問題得以解決，交流伺服發(fā)展地越來(lái)越快。1.1.4 直線伺服系統(tǒng) 永磁同步直線電機(jī)在推力、動(dòng)態(tài)性能、定位精度方面比其他直線電機(jī)更具優(yōu)越性，因而PMLSM越來(lái)越多的用于直線伺服系統(tǒng)中。但由于直線伺服系統(tǒng)存在很大的參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)，此外還存在“邊端效應(yīng)”等問題，因此，采用傳統(tǒng)的比例(P)或比例積分

9、(PI)位置調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的要求。1.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與導(dǎo)軌組成。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的作用就是產(chǎn)生不同的主軸切削速度以滿足不同的加工條件要求。主傳動(dòng)系統(tǒng)由動(dòng)力源：電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)：定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速裝置，運(yùn)動(dòng)控制裝置：離合器、制動(dòng)器等，執(zhí)行件:主軸。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是以保證刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系為目的，被加工工件的輪廓精度和位置精度都受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的直接影響。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的直接控制對(duì)象。對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，還要在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的末端加上位置檢測(cè)系統(tǒng)，并將測(cè)量的實(shí)際位移反饋到控制系統(tǒng)中，以使運(yùn)

10、動(dòng)更準(zhǔn)確。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的作用是：按照數(shù)控裝置的指令做回轉(zhuǎn)分度或連續(xù)回轉(zhuǎn)進(jìn)給。導(dǎo)軌的作用：起導(dǎo)向及支承作用，它的精度、剛度及結(jié)構(gòu)形式等對(duì)機(jī)床的加工精度和承載能力有直接影響。為了保證數(shù)控機(jī)床具有較高的加工精度和較大的承載能力，要求其導(dǎo)軌具有較高的導(dǎo)向精度、足夠的剛度、良好的耐磨性、良好的低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，同時(shí)應(yīng)盡量使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造、調(diào)整和維護(hù)。數(shù)控機(jī)床常用的導(dǎo)軌按其接觸面間摩擦性質(zhì)的不同可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。在數(shù)控機(jī)床上常用的滑動(dòng)導(dǎo)軌有液體靜壓導(dǎo)軌、氣體靜壓導(dǎo)軌和貼塑導(dǎo)軌。1）液體靜壓導(dǎo)軌：在兩導(dǎo)軌工作面間通入具有一定壓力的潤(rùn)滑油，形成靜壓油膜，使導(dǎo)軌工作面間處于純液態(tài)摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)極

11、低，多用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。2）氣體靜壓導(dǎo)軌：在兩導(dǎo)軌工作面間通入具有恒定壓力的氣體，使兩導(dǎo)軌面形成均勻分離，以得到高精度的運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，不易引起發(fā)熱變形，但會(huì)隨空氣壓力波動(dòng)而使空氣膜發(fā)生變化，且承載能力小，故常用于負(fù)荷不大的場(chǎng)合。3）貼塑導(dǎo)軌：在動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦表面上貼上一層由塑料等其它化學(xué)材料組成的塑料薄膜軟帶，其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌面的摩擦系數(shù)低，且動(dòng)靜摩擦系數(shù)接近，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象；塑料的阻尼性能好，具有吸收振動(dòng)能力，可減小振動(dòng)和噪聲；耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、可加工性能好；工藝簡(jiǎn)單、成本低。滾動(dòng)導(dǎo)軌的最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)很小，一般為0.00250.005，比貼塑料導(dǎo)軌還小很多，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接

12、近，因而運(yùn)動(dòng)輕便靈活，在很低的運(yùn)動(dòng)速度下都不出現(xiàn)爬行，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，位移精度和定位精度高。滾動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是抗振性差，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高。近年來(lái)數(shù)控機(jī)床愈來(lái)愈多地采用由專業(yè)廠家生產(chǎn)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副或滾動(dòng)導(dǎo)軌塊。這種導(dǎo)軌組件本身制造精度很高，對(duì)機(jī)床的安裝基面要求不高，安裝、調(diào)整都非常方便。1.3 數(shù)控機(jī)床加工程序的結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床程序分成的程序開始、程序內(nèi)容和程序結(jié)束三部分。第一部分 程序開始部分主要定義程序號(hào)，調(diào)出零件加工坐標(biāo)系、加工刀具，啟動(dòng)主軸、打開冷卻液等方面的內(nèi)容。 數(shù)控程序主軸最高轉(zhuǎn)速限制定義G50 S2000，設(shè)置主軸的最高轉(zhuǎn)速為2000RPM，對(duì)于數(shù)控車床來(lái)說，這是一個(gè)非常

13、重要的指令。坐標(biāo)系定義如不作特殊指明，數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)G54坐標(biāo)系。返回參考點(diǎn)指令G28 U0，為避免換刀過程中，發(fā)生刀架與工件或夾具之間的碰撞和/或干涉，一個(gè)有效的方法是機(jī)床先回到X軸方向的機(jī)床參考點(diǎn)，并離開主軸一段安全距離。刀具定義G0 T0808 M8，自動(dòng)調(diào)8號(hào)左偏刀8號(hào)刀補(bǔ)，開啟冷卻液。主軸轉(zhuǎn)速定義G96 S150 M4，恒定線速度S功能定義，S功能使數(shù)控車床的主軸轉(zhuǎn)速指令功能，有兩種表達(dá)方式，一種是以r/min或rpm作為計(jì)量單位。另一種是以m/min為計(jì)量單位。數(shù)控車床的S代碼必須與G96或G97配合使用才能設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速或切削速度。G97：轉(zhuǎn)速指令，定義和設(shè)置每分鐘的轉(zhuǎn)速。G96：恒

14、線速度指令，使工件上任何位置上的切削速度都是一樣的。第二部分 程序內(nèi)容部分程序內(nèi)容是整個(gè)程序的主要部分，由多個(gè)程序段組成。每個(gè)程序段由若干個(gè)字組成，每個(gè)字又由地址碼和若干個(gè)數(shù)字組成。常見的為G指令和M指令以及各個(gè)軸的坐標(biāo)點(diǎn)組成的程序段，并增加了進(jìn)給量的功能定義。F功能是指進(jìn)給速度的功能，數(shù)控車床進(jìn)給速度有兩種表達(dá)方式，一種是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，即用mm/r單位表示，主要用于車加工的進(jìn)給。另一種和數(shù)控銑床相同采用每分鐘進(jìn)給量，即用mm/min單位表示。主要用于車銑加工中心中銑加工的進(jìn)給。第三部分 程序結(jié)尾部分在程序結(jié)尾，需要刀架返回參考點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)，為下一次換刀的安全位置，同時(shí)進(jìn)行主軸停止，關(guān)掉冷卻液

15、，程序選擇停止或結(jié)束程序等動(dòng)作?；貐⒖键c(diǎn)指令G28U0為回X軸方向機(jī)床參考點(diǎn)，G0 Z300.0為回Z軸方向參考點(diǎn)。停止指令M01為選擇停止指令，只有當(dāng)設(shè)備的選擇停止開關(guān)打開時(shí)才有效；M30為程序結(jié)束指令，執(zhí)行時(shí)，冷卻液、進(jìn)給、主軸全部停止。數(shù)控程序和數(shù)控設(shè)備復(fù)位并回到加工前原始狀態(tài)，為下一次程序運(yùn)行和數(shù)控加工重新開始做準(zhǔn)備。62 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著

16、制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。數(shù)控機(jī)床正向高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等方面發(fā)展。2.1 高速化新一代數(shù)控機(jī)床為提高生產(chǎn)效率，向超高速方向發(fā)展，采用新型功能部件(如電主軸、直線電機(jī)、LM直線滾動(dòng)系統(tǒng)等)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)15,000r/min以上。計(jì)算機(jī)技術(shù)及其軟件控制技術(shù)在機(jī)床產(chǎn)品技術(shù)中占的比重越來(lái)越大，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件的復(fù)雜化，帶來(lái)了機(jī)床系統(tǒng)及其硬件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，數(shù)控機(jī)床的智能化程度日趨提高。2.2 高精度化一臺(tái)機(jī)床的重復(fù)定位精度如果能達(dá)到0.005 mm

17、(ISO 標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)法)，就是一臺(tái)高精度機(jī)床，在0.005mm(ISO 標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)法)以下，就是超高精度機(jī)床。高精度的機(jī)床，要有最好的軸承、絲杠。隨著電腦輔助制造(CAM)系統(tǒng)的發(fā)展，精密度已達(dá)到微米級(jí)。2.3 功能復(fù)合化工件一次裝夾，能進(jìn)行多種工序復(fù)合加工，可大大地提高生產(chǎn)效率和加工精度，是機(jī)床一貫追求的。由于產(chǎn)品開發(fā)周期愈來(lái)愈短，對(duì)制造速度的要求也相應(yīng)提高，機(jī)床也朝高效能發(fā)展。機(jī)床已逐漸發(fā)展成為系統(tǒng)化產(chǎn)品，用一臺(tái)電腦控制一條生產(chǎn)線的作業(yè)。產(chǎn)品對(duì)外觀曲線要求的提高，機(jī)床五軸加工、六軸加工已日益普及，機(jī)床加工的復(fù)合化已是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。2.4 控制智能化 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)

18、展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。為日本Mazak公司最新推出的Ezizith型臥式加工中心，將信息技術(shù)與制造技術(shù)融為一體。在制造過程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，已形成將測(cè)量、建模、加工、機(jī)器操作四者融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。2.5 體系開放化計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)數(shù)控技術(shù)更快地更新?lián)Q

19、代。許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用Pc機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，并可以較容易地實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。，開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級(jí)和更新變得更加簡(jiǎn)單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開放的數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進(jìn)行系統(tǒng)集成，同時(shí)它也為用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時(shí)，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級(jí)而升級(jí)，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。2.6 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化

20、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷，在機(jī)床主軸(一般為動(dòng)平臺(tái))與機(jī)座(一般為靜平臺(tái))之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過控制桿系中桿的長(zhǎng)度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。 并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，受到了國(guó)際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來(lái)在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。2.

21、7 極端化(大型化和微型化) 國(guó)防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工(車、銑、磨)機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。2.8 信息交互網(wǎng)絡(luò)化對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)來(lái)說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無(wú)阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機(jī)床故障的

22、遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔(e-Tower)的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。2.9 新型功能部件為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括： 高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無(wú)級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用; 直線電動(dòng)機(jī)：近年來(lái)，直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)

23、，但由于負(fù)載變化擾動(dòng)、熱變形補(bǔ)償、隔磁和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動(dòng)機(jī)已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機(jī)床以及動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床等;德國(guó)EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動(dòng)均采用兩個(gè)直線電動(dòng)機(jī); 電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成，可以大大簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。2.10 高可靠性數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大;工業(yè)電網(wǎng)電

24、壓的波動(dòng)和干擾對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，要求平均無(wú)故障時(shí)間在2萬(wàn)小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間在710萬(wàn)小時(shí)以上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國(guó)外整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間達(dá)800小時(shí)以上，而國(guó)內(nèi)最高只有300小時(shí)。2.11 加工過程綠色化隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來(lái)越重要，而中國(guó)的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來(lái)不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展

25、當(dāng)中。在21世紀(jì)，綠色制造的大趨勢(shì)將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場(chǎng)。2.12 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對(duì)用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測(cè)等，因此有著重大的

26、應(yīng)用價(jià)值。133 數(shù)控機(jī)床發(fā)展中所存在的問題由于我國(guó)的技術(shù)水平和基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比比較落后, 數(shù)控機(jī)床的性能、水平和可靠性與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距還很大。因此, 加速進(jìn)行中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的工程化、商品化攻關(guān), 盡快建成與完善我國(guó)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控產(chǎn)業(yè)成了我國(guó)的主要任務(wù)5。目前，我國(guó)在發(fā)展數(shù)控機(jī)床業(yè)中存在的主要問題主要有以下幾點(diǎn)：1) 缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神，忽視了數(shù)控機(jī)床本身的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展規(guī)律，沒有實(shí)事求是地制定數(shù)控機(jī)床發(fā)展的規(guī)劃，盲目性大。2) 缺乏系統(tǒng)深入的科研工作難以對(duì)各種技術(shù)資料進(jìn)行積累，設(shè)計(jì)方法陳舊，僅靠類比模仿進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，既缺乏機(jī)床創(chuàng)新的基本理論，又缺乏豐富的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高

27、效自動(dòng)化機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的剛度、振動(dòng)、熱變形、噪聲、精度補(bǔ)償?shù)然A(chǔ)技術(shù)缺乏深入研究，對(duì)各類機(jī)床加工工藝、布局、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌、卡軸、卡具等應(yīng)用技術(shù)又缺乏認(rèn)真試驗(yàn)，難以創(chuàng)新設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)適銷的先進(jìn)產(chǎn)品。3) 沒有合理地運(yùn)用資源這主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)，第一，對(duì)于所涉及到的研究所、廠房等沒有綜合應(yīng)用、取長(zhǎng)補(bǔ)短，往往見到的是他們孤軍作戰(zhàn)，而且各單位忙于生存，普遍缺乏深入系統(tǒng)的科研工作，更沒有做到生產(chǎn)一代、研制一代、預(yù)研一代等可持續(xù)的發(fā)展；第二，機(jī)床行業(yè)人員素質(zhì)低，缺乏各方而人才，而且各研究單位、企業(yè)、人才流失嚴(yán)重，科研、設(shè)計(jì)力量十分虛弱，往往呈現(xiàn)低效運(yùn)行狀態(tài)。4) 我國(guó)制造業(yè)大環(huán)境的制約。由于沒有在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)展大量

28、大批生產(chǎn)自動(dòng)化，對(duì)高效自動(dòng)化機(jī)床的卞機(jī)設(shè)計(jì)的基本功較差，而機(jī)床的品種結(jié)構(gòu)發(fā)展，全靠主機(jī)設(shè)計(jì)本領(lǐng)加以變化，因此，依靠引進(jìn)和合作生產(chǎn)來(lái)發(fā)展各類卞機(jī)，至今我國(guó)許多高性能、新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床大都為合作產(chǎn)品，基本處于仿制階段。5) 缺乏吸引高層次、高素質(zhì)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的環(huán)境，高速、柔性、精密機(jī)床配套技術(shù)的自主研發(fā)能力低。6) 對(duì)國(guó)外技術(shù)重引進(jìn)、輕消化吸收的問題仍很突出?！跋痹谡麄€(gè)資金投入中所占的比例相對(duì)其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)講太低。4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展策略從上世紀(jì)80年代起, 我國(guó)機(jī)床制造業(yè)對(duì)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床一直給予較大的關(guān)注。但是由于我們的數(shù)控技術(shù)與其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，與國(guó)外一些先進(jìn)產(chǎn)品相比，仍存在

29、著很大劣勢(shì), 使得我們總是處于技術(shù)跟蹤階段。面對(duì)這種情況，為了加速振興我國(guó)的機(jī)床制造業(yè)，提高我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究工作：1) 以高速化為先導(dǎo)，提高數(shù)控機(jī)床的綜合性能數(shù)控機(jī)床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一個(gè)重要措施。分析中型加工中心的高速化與高精化的發(fā)展歷程，可以得出，作為表征其切削運(yùn)動(dòng)高速化的主軸最高轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度，大致持續(xù)地以每10年增長(zhǎng)1倍的比率上升，而表征壓縮機(jī)床輔助時(shí)間的快移速度(指以滾珠絲杠和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng))和自動(dòng)換刀/工作臺(tái)轉(zhuǎn)位速度，基本上以每1215年翻一番的速度增長(zhǎng)，1993年后逐步推廣用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)，使加工中心的快移速度比用滾

30、珠絲杠副驅(qū)動(dòng)時(shí)又提高了1倍。高速化的發(fā)展還要多注意2個(gè)問題：從先進(jìn)適用出發(fā)確定高速范圍；高速化要和機(jī)床的結(jié)構(gòu)和控制性能相匹配。2) 推進(jìn)m 工程，研制高效精密數(shù)控機(jī)床目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床尚缺少高效、高可靠性且加工精度達(dá)微米級(jí)的產(chǎn)品。為此，需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備以適應(yīng)汽車制造業(yè)加工關(guān)鍵零件的需求。由于這些數(shù)控制造裝備的加工精度主要在微米級(jí)（m）范圍內(nèi)，因此可稱為m級(jí)制造裝備及技術(shù)研究，簡(jiǎn)稱“m 工程”。3) 發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床、縮短制造過程鏈加快復(fù)合數(shù)控機(jī)床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度，使加工過程鏈集約化，可以提高多品種單件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的穩(wěn)定性

31、。復(fù)合數(shù)控機(jī)床可以減少在不同數(shù)控機(jī)床間進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時(shí)間。通常這些時(shí)間占零件整個(gè)生產(chǎn)周期的40%60%，即使在信息管理良好的情況下，仍將占20%左右。因此，復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有明顯的技術(shù)效果。為了避免復(fù)合機(jī)床因功能的擴(kuò)展而過多地引起結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和成本的增加，還需要探求兩個(gè)問題：通過創(chuàng)新技術(shù)擴(kuò)大功能部件的適用面來(lái)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；發(fā)展模塊化和可重構(gòu)化的復(fù)合機(jī)床。4) 高效柔性化的新一代制造系統(tǒng)1995年開始研究的在可重構(gòu)制造技術(shù)支持下，構(gòu)建具有適應(yīng)大批量高效柔性化生產(chǎn)的可重組制造系統(tǒng)(RMS)是一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。其核心為制造系統(tǒng)能物理組態(tài)，即根據(jù)加工對(duì)象的變化方便地進(jìn)行布局和設(shè)備配置的調(diào)整，發(fā)展了能對(duì)多變的市場(chǎng)需求做出合理的配置規(guī)劃和易于調(diào)整的布局方式、適應(yīng)重構(gòu)的控制軟件、開放式控制系統(tǒng)和規(guī)范化接口以及能快速提升系統(tǒng)重組后制