当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。
数控机床的技术特点及其发展条件
1948年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，由G&L公司与MIT合作研究四年，於1952年试制出世界第一台数控铣床，立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。
数控机床的技术特点
数控机床具有以下三大突出的特点：
利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对於加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性；
利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度；
是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易於实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。
数控机床发展的条件
任何事物都有其特点与发展条件，人们掌握后才能加速其发展。数控机床的发展条件主要包括：
它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如不齐备，则数控机床难以顺利发展；
数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用；
它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人，互相配合，共同完成。否则，数控机床难以顺利发展。
工业发达国家发展数控机床的主要经验
数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。
美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床(如Haas、Fadal公司等)。其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，於1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。
德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，於1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。
日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理(TQC)，变为职工自觉群体活动，保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。
中国数控机床现状及发展中的主要问题
数控机床的现状
目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家(20.6万人)，成形机床制造厂191家(约6.5万人)，共计549家(27.1万人)。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的1/3。2001年金切机床产量19.2万台，内数控金切机床17,521台，约占9%。
总的来说：数控机床产量不断增长，2001年为1991年的3.6倍；进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。产量满足不了社会发展的需求。
从金额上看，2001年数控机床进口17,679台，计14.1亿美元，出口2,509台，计0.44亿美元，进口额为出口额之32倍。进口大、出口小。
中国发展数控机床存在的主要问题
中国於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，无法用於生产而停顿。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(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、五面或五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，基本上处於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。
中国加速数控机床产业发展之路
中国今后要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。建议切实做好以下几点：
中国厂多人众，极需正确的方针、政策对数控机床的发展进行有力的指引。应学习美、德、日经验，政府高度重视、正确决策、大力扶植。在方针政策上，应讲究科学精神、经济实效，以切实提高生产率、劳动生产率为原则。在方法上，深入用户，精通工艺，低中高档并举，学习日本，首先解决量大而广的中档数控机床，批量生产，占领市场，减少进口，扩大出口。在步骤措施上，必须使国产数控系统先进、可靠，狠抓产品质量与配套件过关，打好技术基础。近期重在打基础，建立信誉，扩大国产数控机床的国内市场份额，远期谋求赶超世界先进水平，大步走向世界市场；
必须狠抓根本，坚持“以人为本”，加速提高人员素质、培养各种专家人才，从根本上改变目前低效、落后的状态。人是一切事业成败的根本，层层都要重视“培才、选才、用才”，建立学习型企业，树立企业文化，加速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专家、顾问等，尽力提高数控。300家机械厂技术改进 数控机床需求高
根国家计委投资研究所预测：“十五”期间，我国固定资产总投资额达到22万亿元，年平均增长幅度为37%。按以往固定资产投资与机械市场消费之间的互动关系推断，“十五”期间，我国机械市场所孕育的商机高达320～400亿元。
据预测，至2010年：
汽车市场将达4400～8000万辆规模，其中轿车产量每增加1%，机械市场可增长0.54%；
交通方面，“十五”期间仅西部铁路开发就将投入1000亿元，未来10年西部交通则将投资7000～8000亿元，车轮车床、勾舌铣床、2m大型锯床、螺旋焊管扩径机械等专用设备大有用武之地；
水利工程未来5年将投资5300亿元，环保一期投资1888亿元，二期投资2600亿元，相应机械设备需求巨大；
300家机械厂商将进行技改，求购数控机床数量十分可观；
目前，国内有模具厂1.7万家，年产值约220亿元，预计到2005年产值将达到460亿元，所需的机械偏向于高精度、高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合加工机及慢走丝切割机等。 国产数控机床市场占有率下滑即将有转机。
随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。
根据中国机床工具工业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；IT业、生物工程等高技术产业需求纳米级亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。
目前我国数控机床的数量和品种，尚不能完全满足国内市场需求。据中国机床工具工业协会总干事长吴柏林(右图)近日透露，《国家数控机床产业发展专项规划》草案已经制订完成，目前正由国家发改委修改，修改完成后，将报国务院领导审阅批准，然后正式施行。据了解，《规划》施行以后，困扰我国机床工具业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题将得到一定程度的解决，国产数控机床国内市场占有率连年下滑的局面将被扭转。
国家政策扶持数控机床产业化基地建设
按照《规划》，未来5年机床工具行业将营造20个数控机床产业化基地和为之配套的10个基础功能零部件产业基地，基地企业将享受国家政策和资金上的支持。《规划》中明确指出，数控机床产业化基地企业所开发生产的新产品和高档数控机床产品实行增值税返还政策。当问及在东北老工业基地改造中已经实行了消费型增值税的大连和沈阳的企业是否会因此享受双重税收优惠时，吴柏林给予了肯定的回答。东北地区增值税改革以后，全国其他地区，尤其是中西部地区增值税转型的呼声很高。《规划》实施后，东北以外地区的数控机床产业化基地企业很可能率先实行消费型增值税，从而也得到双重税收优惠。
事实上，国家已经对机床工具行业的部分企业给予了增值税返还政策，只是力度太小，新政策有望加大力度。但是吴柏林认为，应该按照企业生产新产品和高档数控机床产品销售额的比例进行返还，并且返还比例在3%~5%。
吴柏林还谈到了进口关税问题。“做功能部件，需要进口一些零件和散件，目前零件和散件的进口关税还是很高，这就增加了企业的生产成本。但是另一方面，整机进口关税却可以大幅度地往下降，甚至可以免税。”他说，“在若干关税政策方面还有待调整。” 另据了解，《规划》还将对进入产业化基地的企业给予国债项目资金的支持。对企业技术开发中心和技术工程研究中心的初期建设，以及首台、首套新产品，也将给予一定的风险补贴。
调整产业结构 加强功能部件开发制造能力
中档数控机床产业化程度低是《规划》要解决的问题之一。“中档数控机床我们能做，但是我们做出来的东西，从质量、交货期，到售后服务，都缺乏市场竞争力。”吴柏林说，“不要说跟欧美比，就连中国台湾我们现在都比不过。他以中档数控机床中典型的普通立式加工中心作例子：2004年内地约消耗了1万台，但是大陆所有企业加起来共生产2000台左右，而只有八九个生产加工中心工厂的台湾竟向大陆销售了3300台。这说明我们的竞争能力差，产业化水平低。”
在发展专业化生产方面，吴柏林认为，提高产业化水平，从政府导向来说，还是要大力提倡专业化生产。“搞机床，尤其是普及型或经济型机床，大而全、小而全的生产方法是不行的。” 他还特别提到我国机床产业结构中的一个问题，就是主机厂多，关键功能部件专业生产厂少且弱。以数控系统来说，我们的数控系统80%以上是进口的。不仅价格高，进口周期也不能满足主机厂的要求。而且，使用进口的东西组装起来的机床，可靠性和质量也会受到影响。
吴柏林因此认为，提高产业化水平，首先要调整产业结构，加强功能部件的开发和制造能力。其次，企业的技术改造也要加强，而这方面过去企业欠账太多。“制造高精度的机床，用低精度的普通机床去做，难度是很大的。”
提升高档数控机床开发能力
如果说中档数控机床我们还能做，只是产业化水平低的话，那么在高档数控机床方面，开发能力不足的问题就显得尤为突出。《规划》明确了以企业为主体提高开发能力的方针。吴柏林提到有希望进入国家数控机床产业化基地的企业，像大连、沈阳、北京、上海、济南、秦川、齐齐哈尔的几家企业，都具备一定的水平，而且这几年发展势头很好。“如果国家再扶持一下，它们可能很快就能上来。”
但是，提高开发能力并不是一件容易的事情。就拿数控系统来说，现在西方大的公司对我们采取封锁加倾销的市场战略。首先是封锁，封锁不成就倾销。其数控系统在中国市场以十分昂贵的价格出售，获取了高额利润。一但中国企业开发出同样产品，他们就立即大幅降价，甚至降到中国企业的成本价以下。在这种情况下，国家就更要给国内企业以扶持，就像当初美、德、日等扶持本国企业那样。
另一方面，吴柏林提醒企业也要从主观上重视开发的投入。“前几年国内机床企业多数处于亏损状态，无力进行科研和技术开发，现在过上了红红火火的好日子。但是你不能只顾生产那些万元一台的小机床。那样的话，几百万美元、几百万欧元一台的机床你永远都开发不出来。”
专家指出，机床企业如欲进入产业化基地，其技术开发投入不得低于产品销售收入的5%。如果达到了这个指标，将可每年享受国家给予的一定程度的补贴。按照《规划》的目标，到“十一五”末期，国产数控机床以销售额计的国内市场占有率将提高到50%以上，同时，国产全部机床产品的国内市场占有率也将提高到60%以上。
数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析
摘要：高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动，其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法，并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置，并用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。
关键词：旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control machine.Key words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0
前言
高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统（即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节，把传动链的长度缩短为零。）广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单，运行可靠，通过在结构上采取措施，如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等，可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2，重量轻60%，转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到，传统驱动系统由于传动环节的存在，控制环节的受力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直接驱动伺服系统，负载与控制环节之间几乎是直接相联，没有传动链的缓冲，因此控制环节受力较大，对扰动比较敏感，这可能会对系统的动态性能造成影响；同时，摆头与转台的特点是要承受低速大负载，因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此，对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言，其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制，其建立控制模型的基础是经典控制理论，即对系统使用传递函数加以描述，将某个单变量（如转速等）作为输出，直接和输入（如电压等）联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量，而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的，因而不能包含系统的所有信息，不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统，其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反映系统全部独立变量的变化，确定系统全部内部运动状态，方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系，尤其适合应用于非线性、多输入－多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型，并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析，为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系（d－q轴系）中永磁同步电动机定子磁链方程为：
（1）其中：——转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感；、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为： （2）其中， 、——定子电压矢量us的d、q轴分量；w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为： （3）电动机转矩系数Kt 为：Kt ＝ pmyr此外，电动机系统还要满足基本运动方程：（ 4）其中，n ——电动机转速；wr ——转子机械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制，一般要求id=0，但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等于0，但id的实际值并不一定总是等于0（特别是在动态过程中）。同时，ud的实际数值也不会等于0。因此，必须将ia也作为状态变量，将md 也作为控制变量，由控制器根据所有状态变量（包括id）的取值进行控制。因此取状态变量 ，q 为转子位置角。将（1）式带入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，则永磁同步电机的状态方程为( ) ：(5)由此可见，该系统是一个非线性时变系统，且在系数矩阵中含有wr，id，iq状态变量的交叉相乘项，因此需要进行系统解耦，令因此采取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系统可化为线性系统。取ud，uq 为控制量，负载转矩TL 作为扰动处理，因此单独提出，则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式，则原系统化为：(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下：则系统状态空间方程为：2.1 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型，系统的传递矩阵为：2.2 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得，系统的能控矩阵秩为4，满秩，则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4，满秩，则系统状态是完全可观测的。2.3 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统，其系统稳定的充分必要条件是：系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'=1.0e+002 *[0 -1.2069 - 0.8066i -1.2069 +0.8066i -2.1212]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零，因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4，满秩，因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。2.4 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是：首先求一状态反馈，使得其闭环系统对某一输入（例如第一个输入）是能控的，再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为：1.0e+002 *[-0.1 -1.2069 -0.8066i -1.2069 + 0.8066i -2.1212]（1）构造Q、S 矩阵。，由系统可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 为Q-1 的最后一行向量。（2）先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为，所期望的特征多项式为，则增益阵为:（3）求化为能控标准型的变换矩阵T，即则增益阵返回原坐标系为（4）使原系统（A，B）实现极点配置的状态反馈为:2.5 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应：图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）：图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见，通过极点配置使系统稳定，且对各种输入信号的响应有很大改善，具有很好的跟踪性能，这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统，可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来，并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型，运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算，分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性，通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定，使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。
参考文献：[1] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.[2] 张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[3] 李三东,薛花.基于Matlab永磁同步电机控制系统的仿真建模[J].江南大学学报,2004,(2):115-120.[4] 杨平,马瑞卿,张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统的建模仿真方法 [J].沈阳工业大学学报,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇启春,张建军,杜京义.现代控制理论基础[M].北京大学出版社,2006.[6] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社,2006国物流管理逐渐走向社会化和供应链化的形势下，必须接合具体企业的物流运作管理实际，根据精益物流的基本原则和企业信息化状况，通过理论与应用的研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上不断修改和完善，不断地进行研究和实践，以此来推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考文献：[1] 乌跃.论精益物流系统[J].中国流通经济,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麦克, (英)丹尼尔·T. 琼斯, 沈希瑾,张文杰,李京生.精益思想:消灭浪费,创造财富[M].北京:商务印书馆,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都经济贸易大学出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技术,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4):643-650.__
PLC 在机床数控改造中的典型应用
邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)
摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造
中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202
Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0
前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。
1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。
2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5～6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M] . 广州:华南理工大学出版社,2001.[2 ]张新义. 经济型数控机床系统设计[M] . 北京:机械工业出版社,1994.作者简介: 邵晓嵬(1981 - ) ,河北邯郸人,河北科技大学研究生,研究方向为机电一体化,电话:0310 - 5368092.
基于网络的数控机床远程管理
汪惠芬, 刘婷婷, 张友良(南京理工大学机械工程学院, 江苏南京210094)
摘要: 网络化制造是21世纪的主要生产模式, 采用网络技术来管理数控机床也就成为必然。本文在分析数控机床联网及远程管理的需求基础上, 提出一种基于TCP / IP的、能够与企业其它信息管理系统实现无缝集成的数控机床联网及远程管理系统方案, 详细介绍该系统的结构和功能, 并给出了应用实例。
关键词: 网络化制造; 数控机床; 远程管理中图分类号: TG659 文献标识码: A
文章编号: 1001 - 3881 (2007) 10 - 070 - 4RemoteManagemen t of NC Mach ine Tool Ba sed on NetworkWANG Huifen, L IU Tingting, ZHANG Youliang( School ofMechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Networked manufacturing ismain manufacturing paradigm in 21 st century, so that it is necessary trend to manage NCmachine tool based on network. Based on the analysis of requirements for networking and remote management of NC machine tools,TCP / IP2based networking scheme and remote management system that can be integrated with other information management systems inenterp rise forNC machine toolswas put forward. Then architecture and main functions of this system was discussed. An examp le ofapp lication was introduced.Keywords: Networked manufacturing; NC machine tool; Remote management0
引言网络化制造是21 世纪制造业的主要生产模式,网络化设计制造系统是一种由多种、异构、分布式的制造资源, 以一定互联方式, 利用计算机网络组成的、开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应市场需求变化的系统。其特点是在组织上的动态联盟, 其目标是将现有的各种在地理位置上或逻辑上分布的制造系统连接到计算机网络中, 以提高各单位间的信息交流与合作能力, 进而实现各种资源的共享, 快速地设计和制造产品, 响应市场的需要。它是21世纪制造企业缩短产品开发周期、改善产品质量、降低产品成本, 增强企业的竞争能力的主要技术措施[ 1 - 3 ]。数控机床与计算机通信是实现制造设备集成控制和管理的基础和必要条件, 也是实现网络化制造的关键之一。随着数控技术使用的不断深入, 计算机技术、网络技术的不断发展, 企业数控机床的数量越来越多, 而传统的单机管理模式因技术手段落后、生产效率低、管理与维护费用高昂等弊端已不能适应企业发展的需要, 采用网络技术来管理数控机床也就成为必然[ 4 ]。数控机床网络DNC技术在我国经过二十多年的发展, 也经历了从纸带到单机, 再到简单网络,最后发展成为高级网络的艰难历程。纸带方式已经基本完全抛弃; 在机床数量较少时, 有些用户还在使用单机通讯模式; 当机床数量发展到一定数量时, 机床用户一般都采用了网络DNC的方式[ 5 ]。我国数控机床的网络DNC目前主要存在着两种结构: 一种是采用单台计算机对应单台机床的方式, 这些计算机再通过局域网联结; 另一种是采用单台计算机对应多台机床的方式, 其中大部分是基于RS2232串口通讯或基于国外的通讯软件产品[ 6 - 10 ] , 也有部分基于TCP / IP的国产软件[ 11 - 13 ]。但是, 随着市场经济和企业信息化的发展, 企业使用了多种信息管理系统, 如ERP、PDM、MES、CAD /CAPP /CAM 等, 各种系统之间还必须考虑信息共享, 以避免信息化孤岛, 因此, 使用集成式DNC技术对数控设备群进行管理势在必行。本文在分析数控机床联网及远程管理的需求基础上, 提出一种基于TCP / IP的、能够与企业其它信息管理系统实现无缝集成的数控机床联网及远程管理系统方案, 并详细介绍了该系统的实现技术及应用实例。
1 数控机床远程管理系统结构111 系统需求分析目前, 在实施网络化制造的进程中, 越来越多的企业逐步实施了企业信息化工程, 单机作业的数控机床成为制约企业快速响应市场的瓶颈, 为了更好地满足生产发展的需求, 迫切需要将企业的数控机床进行联网改造, 实现信息系统对数控机床的远程管理以及车间生产任务的实时调度。数控机床远程管理系统的设计需要满足以下要求:(1) 开放性。随着新技术的发展, 系统应具有可扩展性和可裁剪性, 易于增加和更新系统的功能,系统的配置应具有良好的通用性、兼容性、可移植性和互操作性。(2) 灵活性。系统支持多操作系统(Windows98 /NT 410 /2000) , 应适应控制器类型、设备数量、任务
我国数控机床的现状及发展趋势
摘要:论述我国数控机床发展的过程与现状，对数控机床的发展趋势进行了探讨，提出了
我国数拉机床发展的对策。
关键词:数控机床;发展加工
数控机床是数字控制的工作母机的总称，由主机、数控
系统和相关配套件组成。其最大优点是提高了机床的自动
化。从而减少甚至消除了操作人员对正在加工中的零件的
干扰。许多数控机床可以在没人照顾的情况下完成整个加
工过程，这样既节省了人力资源又同时带来了诸如减轻操
作人员的疲劳度，减少人为错误以及准确的对每个加工件
的加工时间进行预侧等优点。因为数控机床在运行的过程
中是由程序控制的，所以数控机床对其操作人员的技术水
平的要求也相对要低得多。第二大优点是其加工的一致性
和精确性。因为一且控制机床的程序得到验证以后，成千
上万个-模一样的加工件就可以被准确无误地加工出来。
所以由数控机床生产出来的加工件规格都特别精确。第三
大优点是其灵活性。要加工不同的加工件，只要通过简单
的加载不同的控制程序就可以实现，只要某个加工件的控
制程序被脸证过，而且被用来加工过该加工件，那么下次要
再加工此加工件时，只要再把该控制程序加载就行了，这样
带来的另一个好处是数控机床可以很快的从加工一个加工
件转到加工另外一个加工件。
我国数据机床历史回顾
我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数
控技术发展水平与国家扶持政策的制定等三大因素的影
响，自1958年以来，中国数控机床的发展划分为三个阶段:
l、初始阶段。中国的数控机床发展起步于1958年，经历了
20余年的初始阶段。到1979年，中国的数控机床发展仍
十分缓慢，特别是受到电子技术发展的限制，国产数控系统
的可靠性差，使中国的数控机床在20年内难于打开局面，
未能形成产业。2、稳步发展阶段一引进、消化吸收、国产化
与自行开发阶段。自从1980年以来，中国执行了‘六五”、
‘
七五”、‘，/又丑，三个五年计划。在这个期间，在改革开发的
政策指导下，国家大力支持机床行业，通过引进技术发展数
控机床产业。自‘六五”以来，中国有80余家企业通过许可
证贸易、合作生产、购进样机、来料加工或合资生产等方式，
先后从日本、西德、美国等10多个国家引进与数控机床生
产及应用有关的技术，其中引进数控系统和伺服系统20项、
数控机床109项、机床电器18项、机床附件U项、数控刀具
系统巧项、测量技术10项，总用汇额已超过亿美元。3.
曲折发展阶段。1994年至1998年由于东南亚金融危机，
我国经济软着陆及国内消费市场疲软等综合因素的影
响，事实上，国内机床市场容量呈下降趋势，而且国产机
床的市场占有早有所下降，机床工具行业连续五年负增
长。1999年3月份，全行业开始恢复性增长，1999年至
6月份开始出现两位数增长，其中数控产品增长占主导地
位.到2000年一年全行业总产值将已经到320亿元，其
中金属切削机床产值达到120亿元，数控金属切削机床
产值达到20亿元，出口刨汇达7亿美元。2001年比2000
年销舍产值增长2o%，全行业的金属切削机床和锻压设
备重点联系企业的产值数控化率从2000年的21.1%提
高到2001年的26.2%。
2.数据机床发展方向
由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快
的更新换代‘世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富
的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统，开
放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、
扩展性，并向智能化、网络化方向大大发。近几年许多国家
纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心(NeMs)与空
军共同领导的‘下一代工作站/机床控制器体系结构”
ONGC。欧共体的/自动化系统中开放式体系结构00SAC-
A，日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到应用。如
Cincinnati一Mn二ron公司从1995年开始在其生产的加工中
心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的
A2100系统。新一代数控系统技术水平大大提高，促进了
数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，具体
说来表现为以下几个方面:
2.1离速、离效、高精度、商可靠性
机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的
性能。不但可大幅度提高加工效率!降低加工成本，而且还
可提高零件的表面加工质量和精度;要提高加工效率。首
先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间;要
确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度.对数控
系统的可靠性而言，一般要高于被控设备的可靠性在一个
数量级以上，它是高速、高效、高精度的基本保证。但也不
是可靠性.越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能
价格比的约束。
2‘2模块化、钾能化、柔性化和集成化
为了适应数控机床多品种、小批量的特点。机床结构
模块化，数控功能专门化，机床性价比显著提高并加快优
化，个性化是近几年来特别明显的发展趋势;智能化体现在
加工效率、加工质量、驱动性能、编程与操作、监控、诊断与
维修等。
2.3开放性
为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批
量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体
系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国!
欧共体及日本发展开放式数控的计划等。
当前。国产数控4机床与工业国家的机床产品相比，
有一定差距。但差距所在，便是其努力方向及发展动力所
在。这也将促使我们在学习掌握和运用高速、高精数控机
床的核心技术的同时。积极开发新的现代制造技术。使国
产数控机床得到更大发展。从而相应进一步加大对出口市
场的开拓力度。
参考文献:
「l]郝安林，吕安相，中国数控机床的现状及发展趋势[J].安阳大
学学报.2004(5)
[2]胡娟.数控机床的基本原理[J].安徽电子信息职业技术学院
学报.2004(7)
[s]赵华蓉.我国数控机床的状况与发展[J].科技与经济.200叹19)
数控机床电气设计字数:8717,页数:22 论文编号:JX076摘 要
数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发 展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。
关键词：
数控机床、 电气控制系统、 控制软件总体结构设计、 机电一体化、机电传动、 电子技术、 传感器技术、数控加工、 CAD/CAM技术、 电力电子技术、 机械设计原理、 电气控制系统、 单片机、PLC;
目 录
第一章 绪 论 3
1.1课题的来源 3
1.2目的和意义 3
1.3机电一体化系统的简介 3
1.3.1机电传动概述 4
1.3.2数控加工的概述 4
1.3.3数控加工的设备 5
1.4国内外动态 7
1.4.1国内研究的状况 7
1.4.2国外研究的状况 8
1.5机电一体化技术的发展与展望 9
第二章 系统的总体设计 10
2.1机械部分 10
2.2电气控制系统方案 11
注：附图（共七张；元器件清单1份） 以上回答来自:
数控技术主要是采用高速、高精度化、复合化、系统化、智能化、柔性化的加工 方法 代替传统的加工方法,它在现代机械制造中发挥着不可替代的作用。下面是我为大家整理的数控技术 毕业 论文，供大家参考。
【论文关键词】数控技术;高职 教育 ;教学改革
【论文摘要】 文章 根据数控行业对人才能力的培养要求，深化课程体系、教学内容和 教学方法 的改革，同时对教材建设、课程建设和实训基地建设等问题进行了一些探讨。
我国加入世贸组织后，中国正在逐步变成“世界制造中心”，制造业已成为我国经济的主要增长点，这也促使数控技术的广泛应用，数控人才的严重短缺引起了社会普遍关注。许多高校和培训机构都开设计数控技术专业，然而从有关部门得知，这一两年数控专业高职毕业生切合专业的就业率并不很高。
一方面企业找不到合适的数控人才，另一方面数控专业学生却找不到合适的工作。在人才使用方面，企业和人才本身都不满意，社会上还是缺口较大，其原因就是学校培养的人才不是企业所需要的人才，说明我们高职教育在教学机制、办学理念、课程设置、就业指导、实践教学模式、教材建设等方面都存在单方面的行为，没有与企业沟通、合作，没有按企业的愿望培养人才。
为什么会出现这种现象?原因有多方面的，毕业生专业能力不强;学生技能力很弱，实际 经验 和动手能力差;学生没有专长和一技之长，没有特色;学生定位不准，不愿立足一线，缺乏吃苦耐劳和为企业奉献精神;学校就业和就业指导体系不力。
一、制造业呼唤专业教学改革
随着科学技术的突飞猛进，经济全球化趋势日益增强，国际产业分工正在“重新洗牌”，许多发达国家和跨国公司看好中国市场，将部分制造业进一步向我国转移。虽然我国制造业已开始广泛使用先进的数控技术，但掌握数控技术的机电复合型人才奇缺，其中仅数控机床的操作、编程、维修人员就短缺60多万人。我国数控技术人才不仅数量上奇缺，而且质量上也存在一定缺陷，即他们的知能结构不能适应和满足现代制造业的需求。
在高等教育从精英教育向大众化教育转变的时期，生源基础变化较快，企业对人才层次要求上移，使用重心下移的情况下，由于学校专业建设教学方案调整没能及时跟上社会变化，没有一套适时的高质量教材，此外，在理论教学和实践教学的比例上还显得不够。
数控技术是集机械、电子、信息和管理等学科于一体的新兴交叉学科，数控技术的发展对人才的知识、能力、素质结构提出了新的要求。“中国制造”竞争力的提高呼唤我国高职数控技术专业要适应市场需求，改革现行的课程体系、教学内容和教学方式，高起点地培养从事数控技术人才，以满足制造业发展对人才的需求。
二、专业教学改革指导思想和目标
1.改革的指导思想。进一步加快教育思想与教育观念的变革，全面推进素质教育，深入探索高等职业教育教育人才的培养模式，努力提高高职人才培养质量，深化课程体系、教学内容和教学方法的改革，培养出有较强的职业能力和较高综合素质的机械制造业生产和管理一线的高级应用型人才。
2.改革的目标 。通过教学改革，要建立一个完整的、科学的、有特色的高职数控制造人才培养的教学体系。体现“以就业为导向”， “以企业活动为主线” ，研究其职业分布和学生就业方向; “以能力培养为中心，知识够用为度”来架构专业教学体系，在教学内容突出专业技能、综合能力及综合素质的培养。
毕业生将具备较强的专业能力和职业素质，有一技之长或一专多能，能够很快适应企业生产的需要，且具有良好的可持续发展能力。
三、专业改革的基本思路
1.学生现状剖析：(1)专业能力不强。除了其基础较差之外，还有很多原因。(2)技能不足。(3)定位不准。很多人认为自己是大学生，一定要做管理人员，没有立足一线的意识;缺乏吃苦耐劳精神，不愿干脏、累、苦的工作，不愿到小企业和条件差的企业;缺乏奉献精神，不愿立足企业，与企业同甘共苦，只讲索取，不讲奋斗、拼搏、奉献;对 企业 文化 和环境的认识不够，缺乏 安全生产 、节约、合作、严格遵守纪律等认识，难以适应企业，普遍认为 企业管理 太严。(4)就业指导和专业教育不力。目前很多学校就业指导没有引起足够的重视，没有形成就业指导体系。
2.专业教学改革方案。(1)针对学生现状，根据企业岗位群的要求，以提高人才培养质量和学生就业为目的，针对性的对原有的教学计划、教学大纲、教材、教学方法、技能训练方法和内容、师资力量、实训条件、就业指导、实习基地等方面进行改革和加强。改变学生知识和能力结构，满足企业用人要求。(2)重新构建专业课程体系。根据职业岗位群的知识和能力要求来对课程体系进行整合。专业知识以“必需、够用”为度，突出核心专业课程。确定以能力为中心来构建理论教学体系和实践教学体系，拓宽基础，注重实践，强化技能训练，加强能力培养，提高综合职业素质。将专业课提前，使学生尽早接触专业课，(下转第117页)(上接第105页)这样可提高学生学习兴趣，学生也可提前就业，缓解集中就业的压力。(3)改进教学方法和考试方法，提高教学效果。(4)教材建设和课程建设。撰写适合本专业实践教学的实践课程的校本教材并完善实训指导书;在进行专业主干课程建设的基础上，撰写专业主干课的校本教材。完成适合本专业图册和主干课程的题库建设。建设几门校级精品课。(5)师资队伍建设规划。一是加强了师资队伍建设，改善了师资队伍结构。(6)校内、校外实训场地建设。根据培养目标，新建、扩建和完善一些实训场，为学生技能训练和专业知识学习提供坚实的基础和保障。加强校企合作，建立校外实习基地，建成满足学生企业生产管理环境认识、生产实习、毕业实习等不同层次实习要求实习基地。 加强产、学结合，通过参与解决企业生产的实际问题，提高学生的综合素质。(7)完善职业素质教育和就业体系。落实专业教师职业素质教育，让他们在专业教育时就传递怎样做人、做事的知识，在实践中严格要求，使之潜移默化。积极拓展毕业生实习和就业基地，设定专人负责学生就业和就业跟踪工作，并发动全体专业教师共同参与。
四、专业教学改革的保障 措施
为了保证专业教学改革试点工作顺利进行，将逐步完善有关配套措施：
1.加强师资队伍的建设，提高师资队伍的质量，制定“双师型”教师的培养和引进制度。
2.充分发挥教研室在教学运行过程中的管理职能，加强教学改革研究;
3.结合专业立项，做好本专业教学改革工作。
4.加强和相关行业、企业合作办学的力度，建立一体化管理模式。
【参考文献】
[1]黄梓平.改革课程体系 加强技能训练 提高综合素质[J].青海大学学报， 2002.
[2]黄克孝.构建高等职业教育课程体系的理论思考[J].职业技术教育，2004.
[3]王建平.高职《数控编程》课程教学改革探析[J].长沙航空职业技术学院学报，2006.
摘要：数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到国家工业的发展和综合国力的提高。以数控技术为核心的机械设备的生产和应用已经成为衡量一个国家技术水平和战略地位的重要标准。因此广泛采用数控技术应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业经济大国必须要大力提倡和广泛发展的。
关键词：机械制造 数控技术
0 引言
在机械制造业中，数控加工技术已经越来越受到重视。随着计算机技术为主流的现代科技技术发展和市场产品竞争的加剧，传统的机械制造技术很难满足现代产品多样化的发展和日新月异的换代速度。面对多品种小批量生产比重的加大，产品交货质量和成本要求的提高，要求现代的制造技术具有很高的柔性。如何能增强机械制造业对外界因素的适应能力以及产品适应市场的变化能力，就需要我们能利用现代数控技术的灵活性，最大限度的应用于机械制造行业。将机械设备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新的水平，从而满足现代市场的竞争需求。
1 技术特点
数控技术是用数字信息对机械加工和运动过程进行控制的技术。它是集传统的机械制造技术、计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、光机电技术于一体的现代制造业基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。
目前是采用计算机控制，预先编程然后利用控制程序实现对设备的控制功能。由于计算机软件的辅助功能替代了早期使用纯硬件电路组成的数控装置，使得输入数据的存储、处理、判断、运算等功能均由现场可编辑的软件来完成，这样极大的增强了机械制造的灵活性，提高设备的工作效率。
2 机械制造中数控技术的应用
2.1 工业生产 工业机器人和传统的数控系统一样是由控制单元、驱动单元和执行机构组成的。主要运用机器设备的生产线上，或者运用于复杂恶劣的劳动环境下下，完成人类难以完成的工作，很大程度上改善了劳动条件，保证了生产质量和人身安全。
在实际操作中，控制单元是由计算机系统组成，指挥机器人按照写入内核的程序向驱动单元发出指令，完成预想的操作，同时同步检测执行动作，一旦出现错误或发生故障，由传感系统和检测系统反馈到控制单元，发出报警信号和相应的保护动作。而执行机构是由伺服系统和机械构件组成。有动力部分向执行机构提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下完成规定操作。
2.2 煤矿机械 现代采煤机开发速度快、品种多，都是小批量的生产，各种机壳的毛坯制造越来越多地采用焊件，传统机械加工难以实现单件的下料问题，而使用数控气割，代替了过去流行的仿型法，使用龙骨板程序对采煤机叶片、滚筒等下料，从而优化套料的选用方案。使其发挥了切割速度快、质量可靠的优势，一些零件的焊接坡口可直接割出，这样大大提高了生产效率。同时，数控气割机装有自动可调的切缝补偿装置。它允许对构件的实际轮廓进行程序控制，好比数控机床上对铣刀的半径补偿一样。这样可以通过调节切缝的补偿值来精确的控制毛坯件的加工余量。
2.3 汽车工业 汽车工业近20年来发展尤为迅猛，在快速发展的过程中，汽车零部件的加工技术也在快速发展，数控技术的出现，更加快了复杂零部件快速制造的实现过程。
将高速加工中心和 其它 高速数控机床组成的高速柔性生产线集“高柔性”与“高效率”于一体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率，从而打破汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的高效生产。数控加工技术中的快速成形制造技术在复杂的零部件加工制造中可以很轻易方便的实现，不仅如此，数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等，在汽车制造工业中都得到了广泛深入的应用。21世纪的汽车加工制造业已经离不开数控加工技术的应用了。
2.4 机床设备 机械设备是机械制造中的重中之重，面对现代机械制造业的需求，具备了控制能力的机床设备是现代机电一体化产品的重要组成部分。计算机数控技术为机械制造业提供了良好的机床控制能力，即把计算机控制装置运用到机床上，也就是用数控技术对机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机床。它是以代码实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置、主轴变速、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作和顺序动作数字码记录在控制介质上，从而发出控制指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需零件。
3 数控技术的发展
从第一台数控机床开发成功到现在已有50多年的历史，由传统的封闭式数控系统发展到现今的开放式PC数控系统。传统的计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、软件移植性、功能扩展和维修都比较困难;开放式体系结构的计算机数控系统的发展，使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战。开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便，具有较高的性能价格比，已成为数控系统发展的方向。
4 结束语
机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。PC机进入数控领域，极大的促进了数控技术的发展，也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供了机遇。跟上发展先进数控制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，尽快缩小与发达国家的差距，在激烈的市场竞争中立于不败之地。同时，数控加工技术的发展孕育产生大量的数控专业技术人才，进而推动我国现代机械制造业进一步走向繁荣。
参考文献：
[1]马岩.中国木材工业数控化的普及[J].木材工业.2006(02).
[2]陈光明.基于数控加工的工艺设计原则及方法研究[J].制造业自动化.2005(09).
[3]南生春，傅万四.浅谈数控技术在木材加工机械上的应用[J].木材加工机械,2004(01).
[4]孙荣创.数控技术及装备的发展趋势及策略[J].中国科技信息.2006(12)
【摘要】随着国内数控机床的迅速发展,数控机床逐步出现故障高发时段。然而,目前的数控维修工作混乱无序,根本不能适应数控行业快速发展的步伐。为了使数控维修工作适应现代化制造业的发展,提高数控设备维修质量,那么规范数控维修行业,已经迫在眉睫。本文通过阐述了数控机床的维修方法,使其具有可利用性、可持续发展性,为规范数控维修行业奠定坚实的基础。
【关键词】数控;机床;维修;技术分析
随着我国机械加工的快速发展,国内的数控机床也越来越多。由于数控机床的先进性和故障的不稳定性,大部分故障都是以综合故障形式出现,所以数控机床的维修难度较大,并且数控机床维修工作的不规范,使得数控维修工作处于一种混乱状态,为了规范数控维修工作,提高数控机床的利用价值,本文提出五步到位数控维修法。
一、
1、故障记录具体
数控机床发生故障时,对于操作人员应首先停止机床,保护现场,并对故障进行尽可能详细的记录,并及时通知维修人员。
(1)故障发生时的情况记录
1)发生故障的机床型号,采用的控制系统型号,系统的软件版本号。
2)故障的现象,发生故障的部位,以及发生故障时机床与控制系统的现象。
3)发生故障时系统所处的操作方式。
4)若故障在自动方式下发生,则应记录发生故障时的加工程序号,出现故障的程序段号,加工时采用的刀具号等。
5)若发生加工精度超差或轮廓误差过大等故障,应记录被加工工件号,并保留不合格工件。
6)在发生故障时,若系统有报警显示,则记录系统的报警显示情况与报警号。
7)记录发生故障时,各坐标轴的位置跟随误差的值。
8)记录发生故障时,各坐标轴的移动速度、移动方向,主轴转速、转向等。
(2)故障发生的频繁程度记录
1)故障发生的时例与周期。
2)故障发生时的环境情况。
3)若为加工零件时发生的故障,则应记录加工同类工件时发生故障的概率情况。
4)检查故障是否与“进给速度”、“换刀方式”或是“螺纹切削”等特殊动作有关。
(3)故障的规律性记录。
(4)故障时的外界条件记录。
2、故障检查方法
维修人员故障维修前,应根据故障现象与故障记录,认真对照系统、机床使用 说明书 进行各顶检查以便确认故障的原因。当数控设备出现故障时,首先要搞清故障现象,向操作人员了解第一次出现故障时的情况,在可能的情况下观察故障发生的过程,观察故障是在什么情况下发生的,怎么发生的,引起怎样的后果。搞清了故障现象,然后根据机床和数控系统的工作原理,就可以很快地确诊并将故障排除,使设备恢复正常使用。故障检查包括:
(1)机床的工作状况检查。
(2)机床运转情况检查。
(3)机床和系统之间连接情况检查。
(4)CNC装置的外观检查。
维修时应记录检查的原始数据、状态,记录越详细,维修就越方便,用户最好编制一份故障维修记录表,在系统出现故障时,操作者可以根据表的要求及时填入各种原始材料,供维修时参考。
3、故障诊断
故障诊断是进行数控机床维修的第二步,故障诊断是否到位,直接影响着排除故障的快慢,同时也起到预防故障的发生与扩大的作用。首先维修人员应遵循以下两条原则:
(1)充分调查故障现场。这是维修人员取得维修第一手材料的一个重要手段。
(2)认真分析故障的原因。分析故障时,维修人员不应局限于 CNC部分,而是要对机床强电、机械、液压、气动等方面都作详细的检查,并进行综合判断,达到确珍和最终排除故障的目的。
1)直观法。2)系统自诊断法。3)参数检查法。4)功能程序测试法。5)部件交换法。6)测量比较法。7)原理分析法。8)敲击法。9)局部升温法。10)转移法。
除了以上介绍的故障检测方法外,还有插拔法、电压拉偏法、敲击法等等,这些检查方法各有特点,维修人员可以根据不同的现象对故障进行综合分析,缩小故障范围,排除故障。
4、维修方法
在数控机床维修中,维修方法的选择到位不到位直接影响着机床维修的质量,在维修过程中经常使用的维修方法有以下几种:
(1)初始化复位法。由于瞬时故障引起的系统报警,可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障,若系统工作存贮区由于掉电、拔插线路板或电池欠压造成混乱,则必须对系统进行初始化清除,清除前应注意作好数据拷贝记录,若初始化后故障仍无法排除,则进行硬件诊断。
(2)参数更改,程序更正法。系统参数是确定系统功能的依据,参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机,对此可以采用系统搜索功能进行检查,改正所有错误,以确保其正常运行。
(3)调节、最佳化调整法。调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节,修正系统故障。
(4)备件替换法。用好的备件替换诊断出坏的线路板,并做相应的初始化启动,使机床迅速投入正常运转,然后将坏板 修理 或返修,这是目前最常用的排故办法。
(5)改善电源质量法。目前一般采用稳压电源,来改善电源波动。对于高频干扰可以采用电容滤波法,通过这些预防性措施来减少电源板的故障。
(6)维修信息跟踪法。一些大的制造公司根据实际工作中由于设计缺陷造成的偶然故障,不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员
(7)修复法。对数控机床的故障进行恢复性修复、调整、复位行程开关、修复脱焊、断线、修复机械故障等。
5、维修记录到位
维修时应记录、检查的原始数据、状态较多,记录越详细,维修就越方便,用户最好根据本厂的实际清况,编制一份故障维修记录表,在系统出现故障时,操作者可以根据表的要求及时填入各种原始材料,供再维修时参考。
通常维修记录包括以下几方面的内容;(1)现场记录;(2)故障原因;(3)解决方法;(4)遗留的问题;(5)日期和停工的时间;(6)维修人员情况;(7)资料记录。
二、小结
数控机床维修技术的实施,提高重复性故障的维修速度,提高维修者的理论水平和维修能力,有利于分析设备的故障率及可维修性,改进操作规程,提高机床寿命和利用率,并能充分实现资源共享。使其具有可利用性、可持续发展性,为规范数控维修行业奠定坚实的基础。
参考文献:
[1]孙伟.数控设备故障诊断与维修技术.北京国防工业出版社, 2008.
[2]杨中力.数控机床故障诊断与维修.天津:天津理工大学出版社, 2008.
[3]沈兵,历承兆.数控系统诊断与维修手册.北京机械工业出版社, 2009.
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