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数控机床的发展趋势

及前景

院系：机电工程学院 专业：2010级机电一体化 指导老师：贾磊 学号：4210050402 姓名:李杰

数控的发展趋势及前景

世界制造业转移，中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国、韩国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业正逐渐向发展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于重化工业发展中期。未来 10 年将是中国机械行业发展最佳时期。美国、德国的重化工业发展期延续了 18 年以上，美国、德国、韩国四国重化工业发展期平均延续了 12 年，我们估计中国的重化工业发展期将至少延续 10 年，直到 2015 年。因此，在未来 10 年中，随着中国重化工业进程的推进，中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升，国产机械产品国际竞争力增强，逐步替代进口，并加速出口。目前，机械行业中部分子行业如船舶、铁路、集装箱及集装箱起重机制造等已经受益于国际间的产业转移，并将持续受益；电站设备、工程机械、床等将受益于产业转移，加快出口进程我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50%，库存超过 4个月。

从 1 9 9 5 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1 9 9 9 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 1958 年开始发展数控技术，到现在已经建立了一定的规模体系。到目前为止我国数控市场大多被国外数控系统占领，数控产业化的最终成功将体现在数控机床的全国产业化和市场占有率上。到目前为止，我国数控市场大多被国外数控系统占领，例如日本 FANUC 系统、德国的 SIEMENS 系统等一些国外知名品牌在我国占有很大的市场，而国产系统由于各种原因受到冷落。

数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固将直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。在改革开放后，我国数控技术才逐步取得实质性的发展。经过“六五\年)的引进国外技术，“七五”(86------90 年)的消化吸收和“八五”(91~一-95 年)国家组织的科技攻关，才使得我国的数控技术有了质的飞跃，当时通过国家攻关验收和鉴定的产品包括北京珠峰公司的中华 I 型，华中数控公司的华中 I 型和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天 I 型，以及其他通过“国家机床质量监督测试中心”测试合格的国产数控系统如南京四开公司的产品。

目录一．数控机床的产生与发展二．数控机床的特点三．数控机床的结构四．数控机床

的分类五．数控机床工艺加工的要素六．数控机床编程七．数控机床的未来发展趋势

一．数控机床的产生与发展随着科学技术的发展，数控车床产品日趋复杂化和精密化．更

新换代也越来越频繁，个性化的需求使得生产类型由大批、大量向多品种、小批里生产转换，这样相应地对数控车床产品加工的精度、效率、柔性及自动化等提出了越来越高的要求。数控车床等机械行业传统、典型的加工方式主要有三种： ( 1 ）采用普通通用机床的单件、小批生产。由技术工人手工操作控制机床，工艺参数基本由操作工人确定，生产效率低，产品质量不稳定．特别是一些复杂的零件加工，需依赖靠模或借助画线和样板等手工操作的方法

进行加工，加上效率和精度受到很大限制。 ( 2 ）采用通用的机械自动化机床（如凸轮自动车床）的大批童生产．以专用凸轮、靠模等实体零件作为加工工艺、控制信息的载体来控制机床的自动运行。若产品更新，则需设计、更换或调整相应的信息载体零件，因此需要较长的准备周期，仅适用于大批量简单零件标准件类的加工。 ( 3 ）采用组合专用机床及其自动线的大批量生产一般以系列化的通用部件和专用化夹具、多轴箱体等组成主机本体．采用 PLC 实现自动或半自动控制．其加工工艺内容及参数在设备设计时就严格规定．使用中一般很难也很少更改．这种自动化高效设备需要较大的初期投资和较长的生产准备周期，只有在大批量生产条件下才会产生显著的经济效益。显然二 L 述三种加工方式对于当前机械制造业中占机械加工总量 70 %至 80 ％的单件小批量生产的零件很难适应。为 r 解决上述问题，满足多品种、小批量、复杂、高精度零件的自动化生产要求．迫切需要一种通用、灵活、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床．以计算机技术为依托，1952 年美国帕森斯（Parsons）公司和麻省理工学院（MIT ）合作，研制成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制三坐标直线插补铣床，从而使得机械制造业进人了一个崭新时代。第一台数控机床问世以来，随着微电子技术、白动控制技术和精密测量技术的发展，数控技术也得到了迅速发展．先后经历了电子份（1952 年）、晶体管（1959 年）、小规模集成电路( 1965 年）、大规模集成电路及小型计算机（1970 年）和微处理机[或微型计算机（l 974 年）等五代数控系统。前几代数控系统属于专用控制计算机的硬接线（硬件）系统，一般称为 NC ( numerical control ）20 世纪 70 年代初期．计算机技术的迅速发展使得小型计算机的价格急剧下降，从而出现了以小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统。这种系统不仅具有更好的经济性，而且许多功能可用编制的专用数控车床程序实现，并可将专用程序储铸在小垫计算机的存储器中．构成控制软件。这种数控系统称为 CNC( computerized numerical control）即计算机书毛制系统。20 世纪 70 年代中期．以微处理机为核心的数控系统 MNC 得到了迅速发展。CNC 与 MNC 均称为软接线（软件）致控系统。NC 数控系统早已经淘汰，现代教控均采用 MNC 数控系统．目前通常将现代数控系统称为 CNC 。1958 年，北京机床研究所和清华大学等单位率先研制了电子管式开环伺胀驱动的数控机床。由于历史原因，迟迟未能在实用阶段上有所突破。70 年代初期，我国研制的数控装置主要采用晶体管分立元器件，性能不稳定，可靠性差，只有少甘的数控机床（如专用数控铁床及非圆齿轮插齿机等）用于生产。1972 年．采用集成数字电路的数控系统在清华大学研制成功，数控技术开始在车、钻、铣、健、磨及齿轮等加工领域得以推广。从 1980 年开始，随着我国改革和开放政策的实施，国内一些单位从日本、美国、前西德等产家引进较先进的数控（制造）技术，并投入批量生产。与此同时，我国许多单位开始投人经济型数控系统的研制工作。最近，我国在引进、消化和吸收国外先进数控技术的基础上，开发和生产了拥有自主知识产权的数控软硬件。现在国内常用的数控系统有广州数控、华中数控等。

二．数控车床特点数控车床主要用于车削加工，在车床上一般可以加工各种轴类，套筒类

和盘类零件上的回转表面，如内外圆柱面、圆锥面、成型回转表面及螺纹面等：在数控车床上还可以加工高精度的曲面与端面螺纹。数控车床上所用的刀具主要是车刀、各种孔加工工具（如钻头、铰刀、镗刀）及螺纹刀具。其尺寸精度可达 IT5~IT6，表面粗糙度 Ra 为 1.6 以下。 1.数控机床的特点及发展趋势 (1)高精度数控车床控制系统的性能不断提高，机械结构不断完善，机床精度日益提高。 (2)高效率随着新刀具材料的应用和机床结构的完善，数控车床的加工效率、主轴转速和传动功率都在不断的提高。这就使得新型数控车床的空运行时间大为缩短，其加工效率比普通车床高2-5倍。加工零件形状越复杂，就越能体现出数控车床的高效率加工特点。 (3)高柔性数控车床具有高柔性的特点，能适应p以上的多品种、

小批零件的自动加工。 (4)高可靠性随着数控系统性能的提高，数控车床的无故障时间也在迅速提高。 (5)工艺能力强数控车床机既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次装夹中完成其余全部或大部分工序。 (6)模块化设计数控车床的制造采用模块化原则设计。

三．数控机床的结构机床本体是数控机床的主体部分。来自于数控装置的各种运动和动作

指令，都必须由机床本体转换成真实的、准确的机械运动和动作，才能实现数控机床的功能，并保证数控机床的性能要求。数控机床的机床本体由下列各部分组成： (1) 主传动系统，其功用是实现主运动。 (2) 进给系统，其功用是实现进给运动。 (3)机床基础件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等。其功用是支承机床本体的零、部件，并保证这些零、部件在切削加工过程中占有的准确位置。 (4) 实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，如液压、气动、润滑、冷却以及防护、排屑等装置。 (5) 实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。 (6) 刀库、刀架和自动换刀装置 (ATC) 。 (7) 自动托盘交换装置 (APC) 。 (8) 特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。其中，机床基础件、主传动系统、进给系统以及液压、润滑、冷却等辅助装置是构成数控机床的机床本体的基本部件，其他部件则按数控机床的功能和需要选用。尽管数控机床的机床本体的基本构成与传统的机床十分相似，但由于数控机床在功能和性能上的要求与传统机床存在着巨大的差距，所以数控机床的机床本体在总体布局、结构、性能上与传统机床有许多明显的差异，出现了许多适应数控机床功能特点的完全新颖的机械结构和部件。

四．数控机床的分类 1. 按加工工艺方法分类（1）金属切削类数控机床与传统的车、铣、

钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。（2）特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3）板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 2. 按控制运动轨迹分类（1）点位控制数控机床位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。（2）直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻

镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 4. 按驱动装置的特点分类（1）开环控制数控机床这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。（2）闭环控制数控机床接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图 1-3 所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中 A 为速度传感器、C 为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过 A 将速度反馈信号送到速度控制电路，通过 C 将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。（3）半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件 A 和光电编码盘 B 可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。（4）混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式：（1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中 A 是速度测量元件（如测速发电机）是角度测量元件，