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数控机床改造论文对数控机床的改造进行阐述，并对数控机床改造的特点和常用方法研究。

数控机床改造论文【1】

【摘要】数控机床的改造在机械加工行业中应用越来越广,近年来用户对数控机床的认知能力进一步提高,对此需求也进一步增加，机床数控化改造成为新的经济增长行业。

【关键词】数控;机床;数控化改造;特点和方法

1 机床数控化改造分析

一台旧设备使用到一定年头后，必然会故障频繁发生、维修困难、生产效率降低、加工精度不稳定、甚至完全停机。

对这样的设备是采取彻底报废、还是经过中大修数控改造?做出这种决定之前，首先要对现有设备的剩余使用价值作出评估。

例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①CNC系统及操作子系统;②伺服系统(包括电动机);③机床电气;④机械本体(床身、立柱、导轨和丝杠等);⑤刀库机械手系统;⑥自动工作台交换系统(APC)等。

每一个子系统根据实际情况，都可以作出相应剩余使用价值评估。

例如根据伺服系统的磨损程度，如果继续留用，应考虑整修后还有50%以上剩余价值;但考虑到新更换数控系统的匹配及追求好的伺服特性，即使旧的伺服系统没有完全损坏，或预计继续使用寿命不会太长，也可考虑彻底更换。

机械部件的剩余价值一般都占较高比例，多项工程实践表明，一台高质量机床的机械大件磨损是有限的。

例如改造过的70年代美国卧式加工中心，X方向行程1台为1.5m、1台为2.5m，导轨的直线度和扭曲都能调整到0.008mm/1000mm，导轨本身没有进一步修磨。

机械手刀库部件易损件集中在几个零件上(如手爪、插销等)，即使重新更换花费也不多，因此机械部件都占有较高剩余价值。

2 数控机床改造的特点

2.1 投资额少、交货期短同购置新机床相比,一般可以节省60 % - 80 %的费用,改造费用低,特别是大型、特殊机床尤其明显。

一般大型机床改造,只是新机床购置费用的1/ 3 。

即使有些特殊情况,如高速主轴、托盘自动交换装置的制造与安装过于费工、费钱,改造成本也高2 - 3倍,但与购置新机床相比,也能节省投资50%左右。

另外可以根据实际情况进行针对性的改造，交货期缩短。

2.2 机械性能稳定可靠 所利用的床身、立柱等基础件都是重而兼顾的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。

2.3 熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时,不了解新设备是否满足其加工要求。

改造则不然,可以精确地计算出机床的加工能力,另外,由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短,见效快。

改造的机床一安装好,就可以实现全负荷运转。

2.4 可采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备地自动化水平和效率,提高设备和档次,将旧设备改成当今水平的机床。

充分利用现有的条件可以充分利用现有地基,不必像购置新设备时那样需要重新构筑地基。

因此可节约费用,降低改造成本,同时也可缩短生产准备周期。

3 提高数控机床改造精度的常见方法

数控机床在设计上要达到高的静动态刚度,运动副之间的摩擦系数小、传动无间隙、功率大、便于操作和维修。

机床数控改造时应尽量达到上述要求,还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求,才能获得预期的改造目的,常见的机床改造方法如下：

3.1 修复机床导轨精度

导轨的作用是导向与承载。

导轨在空载和在切削条件下运动时,都应具有足够的导向精度。

是机床几何精度的基础,所以,机床在改造时,为了达到预期的精度要求,往往必须修复导轨精度。

对不同形式导轨,大概修理方法如下:

3.1.1 使用环氧型耐磨导轨涂层修复导轨精度:工作台导轨的涂层,就是床身导轨的拓印,它的配合精度必然很高,简化了工艺,缩短了制造周期。

应用于机床改造更为便利,效果显著。

3.1.2 铸铁导轨:铸铁导轨的精加工是用刮削的方法得到的,刮研显点为18 ―25 点/ 平方厘米,同时,必须保证润滑的可靠性。

这样才能尽可能的减小摩擦,以及对位置控制精度的影响。

3.2 恢复主轴精度

主轴是主轴组的重要组成部分。

机床工作时,由主轴夹持着工件或刀具直接参加表面成形运动,对加工质量和生产率,有重要影响。

所以,改造时必须修复主轴的精度。

对于精度超差的主轴拆卸以后应对其进行全面检查,以便确定修理方案。

但大多需要更换主轴轴承、重新调整轴承的间隙调整和预紧。

调整后应进行温升实验,温升超过规定值,应减少预紧量。

当主轴轴承重新装配好后,用千分表和标准检验棒,检查主轴锥孔中心线是否和主轴的回转中心重合,如果相差较大,则必须用专用的磨头,重新磨削主轴锥孔,使其回转中心同主轴的回转中心完全重合。

3.3 修复或更换滚珠丝杠

丝杠传动直接关系到传动链精度，滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构,以其长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用,成为各类数控机床的重要配套部件。

基本上现代的数控机床都采用了滚珠丝杠,但在改造时,一定要恢复其传动精度,或干脆更换新的或更高精度的滚珠丝杠,只有这样才能保证改造后的定位精度,尤其是在半闭环系统中,丝杠不仅要起到传动作用,还要起到标尺的作用,编码器只是测量丝杠的转数,至于工作台实际行走的距离,相当于开环,只能靠滚珠丝杠本身的精度保证。

3.4 利用精密仪器检测机床精度

可以结合具体的机床改造过程,利用先进的激光干涉仪测量系统,对机床的定位精度进行测量,并利用球杆仪快速检查机床精度,诊断误差来源,自动分析机床精度状态,检查出反向间隙、垂直度、直线度、周期误差、伺服不匹配、传动链磨损等,根据检测结果,进行必要的分析,再结合资金投入、新技术应用等因素确定必要的改造、修理方案。

在调整机床参数时,尤其是伺服驱动参数,可根据球杆仪的检测结果,进行系统优化,使机床参数更合理,系统更稳定。

在改造完成后,利用激光干涉仪对定位精度进行测量,并根据情况进行适当的补偿,可以大大提高机床的定位精度和加工精度。

3.5 减少传动环节的间隙

一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。

为了保证传动精度,数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。

在结构上要能达到无间隙传动,因而改造时,机床主要齿轮必须满足数控机床的要求,以保证机床加工精度。

如果进给传动系统中有蜗轮蜗杆传动,一定要注意,调整好反向间隙,否则,很可能直接影响机床性能。

另外,如果进给传动系统中有同步齿形带,也必须进行适当的调整或更换,尤其是在采用半闭环系统中,若此部分不在控制环内,将直接影响机床的定位精度。

4 结论

为了能够大幅度提高数控机床改造后的性能,升级为先进的高端机床,有时需要使用高性能和高可靠的新型功能部件。

但往往价格非常昂贵,使用时一定要根据实际情况,慎重选择。

本文对数控机床改造从实际情况分析入手，对数控机床改造特点和提高改造精度的常见方法进行了较全面的论述,对数控机床改造具有一定的指导意义。

数控机床刀架改造研究【2】

摘 要：随着机械制造发展，企业为了提高产品效益和质量，对普通机床数字化改造及普通数控机床升级改造愈来愈重视，因此数控机床改造有着广阔的市场和效益，刀架的改造就是其一。

关键词：电动刀架 数字化改造

一、数控机床刀架改造及方案

数控车床电动刀架是数控车床的重要功能部件，主要完成零件加工过程中的自动换刀。

使机床在一次装夹中完成多工序的加工，有效的减少刀具多次装夹带来的加工误差，刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。

因此数控车床的刀架选择的好与坏、效率高与低将直接影响到产品的加工时间和质量，随着制造业的不断发展，对自动刀架的功能及性能要求也越来越高，原有的四工位刀架常常不能满足盘式零件加工要求。

本篇主要介绍如何用卧式六工位电动刀架取代立式四工位刀架，以提高数控机床使用性能。

图 1-1 所示为数控车床自动回转刀架机电系统，其中包括控制元件、动力源、传动装置、刀架体与检测装置。

PMC作为控制装置，通过程序控制电机的起停与正反转，电机作为动力源，通过传动装置控制上刀体的抬起、下降与转动，霍尔元件作为检测元件，检测上刀体是否到位，到位信号反馈给PMC，共同控制电机的运转。

下面从机械与电气两方面做一说明。

二、刀架选择及安装

1.刀架选择

数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床;卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。

另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。

电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。

另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的自动回转刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。

电动刀架已经形成了系列产品，国内许多厂家已有定型产品，如：立式四工位刀架、卧式六工位刀架、八工位刀架、十工位、十二工位刀架等，我们在改造时只需要根据产品加工的工艺要求，选用卧式六工位刀架，如下图(b)。

2.刀架安装

与原刀架高度及尺寸相近视，刀架电控系统与原刀架电控系统电平一致，机械参数可以参考同类机床进行类比，中心高不能过高，低了可以用垫板垫;安装尺寸也要合适，可以采用过渡件安装。

3.电气改造及调试

电气控制部分改造分两步，线路改造和刀架控制梯形图的编写。

3.1电气部分改造

电气部分，刀架电机主电路不变，原刀架四个刀位输入信号地址X2.1、X2.2、X2.3、X2.4中，前三个可作为六工位刀位信号使用，刀架的分度由刀架电动机后端的角度编码器进行检测和控制，信号是BCD码，X2.4可作为刀架加紧信号输入，需增加X2.6、X2.5两个输入点作为刀位选通信号及刀架电机过载保护输入端，系统其它电气控制部分不再改动，下图为改装后的原理接线图。

3.2刀架结构及动作分析

经济型数控车床刀架式在普通车床六方位刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，其功能和普通六方位刀架一样：有6个刀位，能夹持六把不同功能的刀具，方刀架回转60°时，刀架交换一个刀位，但方刀架回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制的。

下面就以六工位刀架为例来说明其结构与原理，如下图3.2所示。

3.3刀位信号

3.4自动刀架控制涉及到的I/O信号

PLC输入信号： X2.1～X2.3：1～6号刀到位信号输入;X2.4：热继电器信号输入;

X2.5：行程到达信号输入; X2.6：角度编码器位置选通信号输入;

X2.7：电源空开信号输入; PLC输出信号： Y2.4：刀架正转继电器控制输出;

Y2.5：刀架反转继电器控制输出。

电动机的正反转由接触器KM6、KM7控制，刀架的松开和锁紧靠微动行程开关SQ1进行检测，地址为X2.5。

刀架的分度由刀架电动机后端的角度编码器进行检测和控制，信号是BCD码，分别是X2.1、X2.2、X2.3。

刀具位置选通脉冲信号为X2.6。

电动刀塔过载保护输入信号为X2.4。

选通信号X2.6为1时表示刀架已经旋转到某个刀位位置，这时的具体刀位号由X2.1、X2.2、X2.3来确定。

3.5电气设计要求

机床接收到换刀指令(程序的T码指令)后，刀架电动机正转进行松开并分度控制，分度过程中要有转位时间的检测，检测时间设定为10s，每次分度时间超过10s系统就发出分度故障报警。

刀架分度并到位后，通过电动机反转进行锁紧和定位控制，为了防止反转时间过长导致电动机过热，要求电动机反转控制时间不得超过0.7s。

电动机正反转控制过程中，还要求有正转停止延时时间控制和反转开始的延时时间控制。

自动换刀指令执行后，要进行刀架锁紧到位信号的检测，只有检测到该信号，才能完成T代码功能。

自动换刀过程中，要求有电动机过载、短路及温度过高保护，并有相应的报警信息显示。

自动运行中，程序的T代码错误(T=0或T>7)时相应有报警信息显示。

3.6控制软件的设计

电动刀架控制系统软件执行过程为：换刀系统接收到换刀指令后，系统首先读取刀号存储单元中存储的当前刀位号码，并将该存储单元中的刀位号与换刀指令给出的刀位号比较，如果相同，则不需换刀，系统继续向下执行程序;如果当前刀位号码与换刀指令给出的刀位号不相同，则PMC的'Y2.4脚输出高电平控制刀架电机正转，并不断检测刀位到位信号。

当检测到刀位到位信号后，PMC的Y2.4脚输出低电平，停止刀架运转，同时在Y2.5脚输出高电平，电机反转，同时启动定时器(电机反转的时间必须严格控制，时间过短，刀架无法锁紧，时间过长，会导致电机过载而烧毁)，延时时间一到， Y2.5脚输出低电平，电机停止旋转，完成换刀过程。

接下来就要完成FANUC系统PMC刀架控制梯形图的编制，根据刀架换刀流程及I/O分配地址，完成刀架控制梯形图的编写。

对一台特定的数控机床，只要能满足控制要求，对梯形图的结构、规模并没有硬性的规定，我们可以按思路和逻辑方案进行编程。

但理想的梯形图程序除能满足机床的控制要求外，还应具有最少的步数、最短的处理时间和易于理解的逻辑关系。

3.7调试

3.7.1顺序程序的输入、调试

3.7.2系统运行

机械选型安装和电气设计连接完成后，经过检查就可以通电试验，这些工作做完以后，车床刀架的升级改造工作就完成了。

数控机床改造的发展论文【3】

摘 要：近几年来，随着我国科技的快速发展，经济水平的不断提高，机械的科技水平也有了较大进步，其中数控机床改造也成为了人们较为关注的话题之一。

科学技术的进步同样也带动了数控机床的发展，使数控机床技术的运用有了改观。

文章对数控技术，数控机床进行了简单介绍，并对其改造情况进行了分析和总结，希望能够带来一定借鉴意义。

关键词：数控技术;数控机床;改造

最近几年来，我国的市场经济发展迅猛，进步之快令人欣喜，但随之而来的就是国内、国际市场竞争的白日化，其竞争激烈的程度不言而喻。

日趋激烈的市场竞争力带来的是中、小批量的生产越来越多，尤其在航空工业中占据的比例更大，甚至达到绝大部分，且零件外形趋于复杂，这也就要求零件的精度更高。

这些要求的日益严格，使得传统机床的工艺渐渐力不从心，无法满足现代化需求。

在这种情况下，柔性加工变得越发重要，而对数控机床的依赖也越来越大。

想要解决现有状况的方式通常有两种，一种是通过购买新的设备来替换老旧设备，从而决绝现有设备无法满足的缺陷，但这种方法所需的资金比较多，在资金紧张时很难实现。

另一种方法则是改造旧设备，从而获得数控加工能力，这种办法有效且节省开支，是目前较好的办法，这也使得数控机床改造成为了重要的研究课题之一。

1 数控技术与数控机床

数控技术在现代化生产中有着至关重要的作用，现代化生产离不开数控技术，它是生产自动化的核心技术，是实现生产自动化的关键所在。

现代化科学在如今的生产中运用广泛，想要实现生产的全自动化离不开优良的数控技术。

数控技术发展的好坏对现代化机械生产的作用不言而喻，甚至可以说其技术的好坏直接影响着一个国家装备制造业的水平，同时映射着众多领域的技术水平。

可见基础科学的发展离不开数控技术的进步。

数控机床是典型的机电一体化产品，其高效利用解决了很多方面的问题。

在现代化的工厂中离不开数控机床，对于比较复杂、精密、繁多的零件加工，数控机床有着较大作用，是生产的关键所在。

柔性、高效能是其特点，更是现代化机床技术发展的大方向。

在航空航天、农业生产以及开采矿产等方面，数控技术都起到重要作用，并带动了工业的发展。

从根本而言，数控机床就是利用计算技术，将信息代码用数字的形式表示出来，再通过输入到数控设备中，通过数控设备发出各种指挥信号，从而控制机床，将一些复杂繁多的问题按照严格要求得以解决。

2 数控机床改造的优势

数控机床的优势有很多，单从效率方面和合理化方面就可归纳出七点。

以下做详细介绍。

(1)数控加工的种类较多，小批量生产上有着重要作用，是其自动化的手段。

它的自动化程度较高，并且加工的速度也非常迅速，都是其主要优点。

(2)产品质量是生产最为关注的问题之一，保持稳定的质量和较高的水准是数控加工的优势。

因为数控加工都是按照提前计算好的数值进行操作和加工的，所以它能够准确地进行加工并且还可以保证质量的稳定统一。

(3)现代加工中对于一些外形复杂且需要精度的加工是工作的难点问题之一。

数控加工可以有效解决这一方面的困难，并且能够在加工上保证效率和速度。

(4)装配的质量和效率依然是加工中所关注的问题之一，数控加工的零件都能够较好地解决这一方面的问题，并提高了零件装配的互换性。

(5)生产管理也在其作用下有了较好的发展，由于其加工时间固定，工作稳定，所以管理上也较为便捷，并未计算机集成制造系统的使用起到良好效果。

(6)在人工操作上，其有效利用可以减少劳动力，并提高工作准确度，提高产品质量。

(7)与人工加工相比，其优势在于可以连续加工，使加工不间断，在减少人工的同时，又缩短了工期，提高了效率。

3 数控机床改造技术的发展趋势

近些年来数控机床有了较快的发展，其外形和功能上也有了显著提高。

具体来说，在上世纪五十年代的时候，诞生了第一台数控机床，这是美国研发的，主要元件是电子管，由于当时科技水平并不发达，所以其体积非常庞大，笨重。

在六十年代时，半导体晶体管有了较好的应用，数控系统也有了较大程度的进步，性能有了稳步提升，并且性价比有了明显提高。

七十年代的时候，机床的加工效率更为迅速，其使用效率更高，灵活性更强，数控机床有了质的飞跃，工作也逐渐完善起来。

到了八十年代，数控技术转型为计算机数字控制技术，这是一个崭新的时代，微处理得到了较为广泛的应用。

微处理的运算速度有了稳步温升，数控机床的发展也更为快速。

数控机床的不断发展，为工业带来了新的改观。

伴随着计算机数字控制时代的到来，数控技术越发完善，高精度、高效率、智能化是其发展的方向，其发展的速度更是令人欣喜。

主要表现特点从以下几方面来具体说明。

3.1 高精度化

高精度化是数控技术的特点之一。

在现代化工业飞速发展的今天，对加工的精度要求也越来越高。

从八十年代的定位精度到九十年代初的定位精度，可以从数字上看出精度的变化。

在精度不断提升的现在，受益最大的就是航天工业，其精度的变化有了较大提升，并且对航天工业的发展帮助非常大。

此外，在计算机技术迅猛发展下，其加工精度进步速度也越来越快，机床结构材料也有了一定改变。

3.2 高速度化

机床生产效率的提高也是其发展的具体表现之一，从机床主轴的转速上可以体现出来。

4000rpm到6000rpm是中等规格机加中心的最高转速，后发展到8000rpm到12000rpm。

其次，坐标轴移动速度的提升也是其效率提高的表现。

3.3 高柔性化

多样化、个性化是现代产品的特点，这也就要求机床要有更高的柔性加工。

如铣削加工中心可以铣削、钻孔、攻丝等。

3.4 高自动化

自动化指的是在加工过程中主要依靠机器设备进行加工，人力加工会比较少。

高自动化不但能够减少人工的耗费，还可以提高工作效率和工作质量，与传统加工相比有着非常多的优势。

传统自动化往往是对大批量生产加工，而现在利用数控机床和机械加工中心，可以使大批量生产自动化，在多品种小批量的生产上也有所作为。

3.5 宜人的造型和灵活的操作

在数控机床效率不断提升的同时，造型的改变也是其重要的进步之一。

除了性能优异，使用安全之外，在造型上还要便捷、美观，适合人员操作。

这才是优秀的数控机床所应具备的。

简单灵活的操作也是数控机床所具备的特征，操作的灵活简单也可以加快其效率。

3.6 可靠性高

随着现代科学的发展，数控机床的可靠性也有了稳步提高，准确度和质量都有了一定程度上的进步。

机床的数控化从传统的切削机床逐渐转化向塑料加工机床、绘图机、气割机等加工设备方面转化。

其可靠性越来越高，应用也越来越广泛。

4 结束语

随着数控技术的不断发展，数控机床改造技术也在日益进步，其发展的前景也十分乐观。

在现代化科技高速发现的今天，相信我国的数控机床技术还会不断改进，日趋完善，为其工业发展带来新的发展前景。

参考文献

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[2]李道国.PARVEX 数字伺服系统在数控机床改造中的应用[J].装备维修技术，2008(1).

[3]谭昕.基于三轴联动的平面二次包络蜗轮数控加工及数控机床改造方案研究[J].机床与液压，2005(7).

前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(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。1, 国内外数控技术发展状况世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同，生产任务饱满。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1995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1999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2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：（1） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；（2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口；（3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；（4） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；（5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近300万台），但我们的机床数控化率仅达到1．9％左右，这与西方工业国家一般能达到20％的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3000～4000台，日本1年产5万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7000～9000台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达8～10万台，需投入80～100亿资金，但得到的经济效益将是投入的5～10倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6．8亿元，用于对1．2～1．8万台机床的数控化改造。数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展：第1阶段：硬件数控（NC）第1代：1952年的电子管第2代：1959年晶体管分离元件第3代：1965年的小规模集成电路第2阶段：软件数控（CNC）第4代：1970年的小型计算机第5代：1974年的微处理器第6代：1990年基于个人PC机（PC－BASEO）第6代的系统优点主要有：（1） 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5万小时以上；（2） 基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；（3） 提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（4） 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，1年生产5万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲地亚，法国的NUM，日本的三菱、安川。国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等，国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过300～400套。近10年数控机床为适应加工技术发展，在以下几个技术领域都有巨大进步。（1） 高速化由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由3000～4000r／min提高到8000～10000r／min，铣床和加工中心主轴转速由4000～8000r／min提高到12000r／min、24000r／min、40000r／min以上�快速移动速度由过去的10～20m／min提高到48m／min、60m／min、80m／min、120m／min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度，其已由过去一般机床的0．5G（重力加速度）提高到1．5～2G，最高可达15G，直线电机在机床上开始使用，主轴上大量采用内装式主轴电机。（2） 高精度化数控机床的定位精度已由一般的0．01～0．02mm提高到0．008mm左右，亚微米级机床达到0．0005mm左右，纳米级机床达到0．005～0．01μm，最小分辨率为1nm（0．000001mm）的数控系统和机床已有产品。数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。（3） 复合加工、新结构机床大量出现如5轴5面体复合加工机床，5轴5联动加工各类异形零件。也派生出各新颖的机床结构，包括6轴虚拟轴机床，串并联铰链机床等。采用特殊机械结构，数控的特殊运算方式，特殊编程要求。（4） 使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑，在钻深孔时大大提高效率。加工钢件切削速度能达1000m／min，加工铝件能达5000m／min。（5） 数控机床的开放性和联网管理，已是使用数控机床的基本要求，它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段，而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来，这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。2, 数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面〔1～8〕。2．1 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2.2 5轴联动加工bsp;采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于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轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因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。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其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（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Op和复合加工机床en System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2.4 重视新技术标准、规范的建立2.4.1 关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。2.4.2 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。2. 5 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。2. 6 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。(4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。2.7 功能发展方向(1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。(3)插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。(4)内装高性能PLC 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。(5)多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。2 .8 体系结构的发展(1)集成化 采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。(2)模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。(3)网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。(4)通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。3, 智能化数控系统3. 1 国内外数控系统发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造