数控机床的发展与趋势毕业论文

数控机床的历史、 数控机床的历史、现状及其发展趋势前言在工程训练中心的两周实习， 经过对各项工种的体验， 我深深体会 到了科技的力量。在钳工和车工实习时，劳累三天，就只做出来那么 几件不是很合格的产品；可是在数控车间，一两个小时内，通过编程 可以轻松的做出很多高精度的产品。 这使我对数控机床产生了浓厚兴 趣，所以开始上网浏览关于数控机床的前世今生，增加我对数控机床 的了解。一、数控机床数控机床是数字控制机床 （Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系 统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序， 并将其 译码，从而使机床动作。过去的数控机床经历了一个由单一向多元转 换的一个过程，数控机床的快速发展是整个世界经济、科技发展的重 要体现。数控机床在现代工业中占据着不可替代的位置，与我们生活 的各个方面都有直接或间接的关系。 未来数控机床将会有一个前所未 有的发展， 世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究 和发展.二、数控机床的历史 第一台数控机床的诞生 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨 叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一 般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949 年， 该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下， 开始数控机床 研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的 三坐标数控铣床，不久即开始正式生产。 早期的发展历史 1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功 率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机 床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制 的计算机数控系统(简称 CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为 特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的 微型计算机数控装置(简称 MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第 三代相比， 数控装置的功能扩大了一倍， 而体积则缩小为原来的 1/20， 价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。80 年代初，随着计算机 软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控 装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自 动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功 能。三、数控机床的现状 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新 材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转 速达 200000r/min； （2）进给率：在分辨率为 μm 时，最大进给率达到 240m/min 且 可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方 向发展提供了保障， 开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统， 频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当 分辨率为 μm、μm 时仍能获得高达 24～240m/min 的进给速 度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右，高的已达 。德国 Chiron 公司将刀库设计成篮子样式，以 主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 。 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度， 机床的 运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。（1）提高 CNC 系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实 现连续进给， CNC 控制单位精细化， 使 并采用高分辨率位置检测装置， 提高位置检测精度（日本已开发装有 106 脉冲/转的内藏位置检测器 的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 μm/脉冲），位置伺 服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和 刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补 偿。 研究结果表明， 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60%～ 80%； （3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过 仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度， 使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保 证零件的加工质量。 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成 品的多种要素加工。 根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型 两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车 削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面 多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。 采用复合机床进行加 工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产 生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产 效率和制造商的市场反应能力， 相对于传统的工序分散的生产方法具 有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、 多轴化发展。 德国 Index 公司最新推出的车削加工中心是模块化结构， 该加工中心能够完成车 削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂 零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联 动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在 2005 年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展 出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9 轴控制等） 以及可实现 4～5 轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣 削中心等。 控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自 动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以 下几个方面： （1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主 轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法 进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定 性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度） 和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工 表面粗糙度并提高设备运行的安全性。 （2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件 加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于 模型的“加工参数的智能优化与选择器”， 利用它获得优化的加工参 数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目 的。 （3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现 代智能方法实现故障的快速准确定位。 （4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息， 对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真， 用以确定错误引 起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验。 （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数 的智能化伺服系统， 包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装 置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制 系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 （6）智能 4M 数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快 速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、 建模 （Modelling） 加工 、 （Manufacturing） 机器操作 、 （Manipulator） 四者（即 4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、 加工、装夹、操作的一体化。 体系开放化（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只 需少量的重新设计和调整， 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系 统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系 统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品 的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标 准 ISO14649 （STEP-NC） ，以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。标准化的编程语言，既方便 用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、 系统刚度 低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和 机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般 为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长 度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动， 可实现多坐标联动数控 加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现 代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备， 已成为当前机床技术的一个重 要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数 控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21 世纪新一代数控 加工设备”。 极端化(大型化和微型化) 极端化(大型化和微型化) 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要 大型且性能良好的数控机床的支撑。 而超精密加工技术和微纳米技术 是 21 世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度 的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨) 机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在 逐渐增大。 信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网 通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。 既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培 训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的 远程诊断、维护等)。例如，日本 Mazak 公司推出新一代的加工中心 配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、 机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障 报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单 元。 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能， 具有高精度和高可靠性的新型功 能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括： 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积 小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经 获得广泛的应用； 直线电动机： 近年来， 直线电动机的应用日益广泛， 虽然其价格高于传统的伺服系统， 但由于负载变化扰动、 热变形补偿、 隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态 性能有了提高。如：西门子公司生产的 1FN1 系列三相交流永磁式同 步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机 床以及动态性能和运动精度要求高的机床等； 德国 EX-CELL-O 公司的 XHC 卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；电滚珠丝杆：电 滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成， 可以大大简化数控机床的 结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。总结纵观数控机床的发展之路， 我们可以清晰的认识到数控的发展他 不仅代表着整个制造业的发展，也代表着整个社会的进步。中国是一 个制造业大国，主要依靠资源、劳动力、价格等方面的优势。而在产 品技术研发和自主创新方面与国外的差距还 是很大。 中国是数控产业 不能安于现状， 应抓住就会努力发展。 数控技术是制造业的核心基础， 是国家工业和国防工业现代化的重要手段，我们要加快发展，力争早 日实现由中国制造向中国创造的转变！参考文献： 参考文献： [1]中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001 巡礼［J］.世界制 造技术与装备市场，2001(3)：18-20. [2]梁训王宣 周延佑.机床技术发展的新动向［J］.世界制造技术与 装备市场，2001(3)：21-28. [3]《机械设计与制造工程》2001 年第 30 卷第 1 期 [4]王平.《机电新产品导报》 2005 年第 12 期

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数控系统发展趋势 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。 趋势之一：数控系统向开放式体系结构发展 20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控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、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。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(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。 趋势之二：数控系统向软数控方向发展 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 传统数控系统，如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、SINUMERIK 810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK 840D系统、Num1060系统、AB 9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 “NC嵌入PC”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。 SOFT型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWS NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的Open CNC、德国Power Automation公司的PA8000 NT等。 趋势之三：数控系统控制性能向智能化方向发展 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 趋势之四：数控系统向网络化方向发展 数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。 随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e-制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。 数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展，网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 趋势之五：数控系统向高可靠性方向发展 随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P(t)＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对某一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。如果对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。 当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。 趋势之六：数控系统向复合化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本，比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分。复合化的要求促使数控系统功能的整合。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。 趋势之七：数控系统向多轴联动化方向发展 由于在加工自由曲面时，3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，进而对工件的加工质量造成破坏性影响，而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控系统，随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。 最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。