数控机床的发展与趋势--毕业论文完整版

第一篇：数控机床的发展与趋势--毕业论文完整版

XXXXXXX大学

2011届本科毕业论文（设计）论文题目：数控机床的发展与趋势 学生姓名：XXXX 所在院系： XXXXXX 所学专业： XXXXXX 导师姓名：XXXXX 完成时间：2010年X月XX日 摘要

数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

本文主要讲述了数控机床国内外的发展概况，现代数控技术的发展趋势。介绍了数控机床的特点，组成与分类，并介绍了可编程控制器（PLC）在数控机床中的应用。重点介绍了磨床的概况，以及现代数控磨床的特点，并用PLC进行了对自动磨床电气系统的改造。

本文在编写过程中，参阅了同行的教材，资料和文献，得到了许多帮助，在此谨致谢意。关键词：发展趋势组成分类概述结构功能 PLC 改造 Abstract The numerical control engine bed collection computer technology, the electronic technology, the automatic control technology, the sensing survey, the machine manufacture, is the typical integration of machinery product.It’s development and the application founded the manufacturing industry new times, changed the manufacturing industry production method, the industrial structure, manages the way, caused the world manufacturing industry the pattern to have changed.This article mainly narrated the numerical control engine bed domestic and foreign development survey, the modern numerical control technology trend of development.Introduced the numerical control engine bed characteristic, the composition and the classification, and introduced programmable controller(PLC)in the numerical control engine bed application.Introduced with emphasis the grinder survey, as well as the modern numerical control grinder characteristic, and has carried on with PLC to the automatic grinder electrical system transformation.This article in the compilation process, has referred colleague's teaching material, the material and the literature, obtained many help, respectfully offers thanks in this.Key word: Trend of development Textural Classification Outline Structure Function PLC Transformation.目录

1.前言 1 2.数控机床概要 2 2.1数控机床的产生 2 2.2数控机床的发展 3 2.3数控机床的组成及工作原理 4 2.3数控技术的复合化 5 2.4数控技术的开放性 6 2.4数控技术的先进性 7 3.国产数控机床的发展现状 9 3.1国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 9 3.2国产数控机床存在的问题 9 3.3核心技术严重缺乏 10 3.4民族品牌与国际品牌差距明显 10 3.5技术创新和成果转化与市场脱节 11 3.6缺乏先进的管理机制 11 4.国内数控机床的发展趋势 11 4.1智能、高速、高精度化 11 4.2设计、制造绿色化 12 4.3复合化与系统化 12 4.4数控系统发展趋势 12 4.4.1数控系统向开放式体系结构发展 12 4.4.2数控系统向软数控方向发展 13 4.4.3数控系统控制性能向智能化方向发展 13 4.4.4数控系统向网络化方向发展 14 4.4.5数控系统向高可靠性方向发展 14 4.4.6数控系统向复合化方向发展 14 4.7.7数控系统向多轴联动化方向发展 15 5.CNC装置的工作原理 15 5.1输入 15 5.2译码 15 5.3插补 15 5.4进给速度处理 15 5.5刀具补偿 16 5.6位置控制 16 5.7显示 16 5.8 IO处理 16 5.9诊断 16 6.CNC装置的硬件结构 16 6.1单微处理器结构的CNC系统 17 6.2位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单元 7.新型功能部件 18 8.结束语 18 致谢 19 参考文献 20 1 前言

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。

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、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。

随着社会的进步和科技的发展,现代机械制造工程领域方面越来越多地采用智能化、自动化,新设备、新技术的应用越来越普遍。我们对市场进行了调研，发现现在机械工业大量采用数控机床甚至加工中心取代传统的普通机床的机械加工，采用计算机集成系统CIMS取代原有的生产制造管理过程，使企业生产智能化、集成化、网络化。这将对生产第一线的工作人员提出越来越高的职业技术要求。

调查的结果表明：在数控技术专业方面人才缺口较大。市原来就属于重工业城市,有许多大中小型企业,而石油化工、机械、钢铁等企业都具备数控技术设备。为适应生产技术的迅猛发展.提高企业在市场经济中的竞争能力,不被淘汰,各企业正积极采取有效措施,添置现代新设备。在数控加工技术人才方面提出更高的要求，要求所需人员即要懂得较深的理论知识，以便使大量的新技术得到利用与开发，同时在实践技能上更能胜任，由此可见，企业对数控加工技术与应用专业高级技术型人才和技能型人才的需求日益迫切。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。2．数控机床概要 2.1数控机床的产生

制造业是生产物质财富的产业，机床是制造业的主要生产设备，制造业中的绝大多数零件都直接或间接地经过机床加工，固此机床(也称工作母机)是制造业的基础。在传统制造业中，对于大批量生产的产品，往往采用组合机床等专用机床组成的自动或半自动生产线；对于单件或小批量生产的产品，一般采用通用机床加工。随着科学技术的不断发展和社会生产力的不断提高，市场对机械产品的要求越来越高，不仅要求提高产品的质量水平，而且要求加快产品更撕换代的速度．这样就导致了现代制造业中多品种、中小批量生产的比重不断增加。在这样的情况下，再采用传统的加工机床就显得不合理了．这主要体现在两个方面：①应用专用机床生产线生产准备周期长、费用高、产品不易更新(有时甚至不可能实现产品更新)； ②应用通用机床则无法大幅度地提高生产效率或精确地控制产品质量，同时通用机床也无法加工一些复杂度和精度要求很高的小批量生产的产品。相比之下，数控机床的出现恰恰满足了这些要求。

1948年美国帕森斯(P—ns)公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念。1952年帕森斯公司和麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所合作研制成功世界E第一台三坐标数控铣床，其数控系统采用脉冲乘法器原理，全部由电子管元件组成，虽然体积庞大，功能简单，但却意义重大，标志着机械制造业进入r一个新的发展阶段。1958年我国北京机床研究所和清华大学开始研制数控机床，1965年北京第一机床厂开始生产三坐标数控铣床。

数控机床的出现极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业来说．由于数控机床的大量使用，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。2.2数控机床的发展(1)数控机床的发展简史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类自g造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业，工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进^信息社会奠定了基础。6年后，即在1 952年，计算机技术应用于机床上，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测景和机械设计等新技术的机电体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的自动化机床。计算机数控阶段也经历了三个时代，即1970年的第四代——小型计算机，1974年的第五代微处理器和1990年的第六代——基于Pc(国外称为Pc_based)。

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50多年的历程。数控系统由当初的电子管式起步．经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式汕规模集成电路式、大规模集成电路式、超大规模集成电路巾型计算机式、微机式的数控系统。

前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬件数控装置，一般称为Nc数控系统。到20世纪80年代，总体发展趋势是：数控装置由Nc向cNc发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；cNc装置向人T智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统的可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高，到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台(套)。(2)我国敷控机床发展概况

我国于1958年研制第一台数控机床．发展过程大致可分为三大阶段：1958～1979年为第一阶段，】979～1989年为第二阶段t从1989年至今为第三阶段。第一阶段由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后．数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，20世纪60～70年代，由于文革等因索，我国与发达国家差距开始拉大。20世纪70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看．我国数控机床产业尚处于起步阶段。第二阶段从日、德、美、西先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞、匈、奥、韩等国及台湾地区引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解头了可靠性、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。第三阶段国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产韭进行了重点扶持，并加快了国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功．为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。cAD／(1APP／CAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定了产业化基础。数控机床进^了快速发展期。2.3数控机床的组成及工作原理

数控机床一般由数控系统、伺服系统(包含伺服电机和检测反馈装置)、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。(1)控制介质

控制介质叉称信息载体，是联系人与数控机床之间的中间媒介物质。反映了数控加工中的全部信息。数控机床的加工程序可以存储在控制质上。常用的控制介质有穿孔纸带、磁带和磁盘等。

(2)输入装置

输入装置的作用是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存人数控系统内。

(3)数控装置

数控装置是数控机床的核心，其作用是：从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或统软件进行编译，运算处理后，输出几种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

(4)伺服单元和驱动装置

伺服单元是cNc和机床本体的联系环节，它把来自cNc装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类叉可分为直流伺服单元和交流伺服单元。伺服单元还包括位置检测装置。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统反馈到机床的数控系统中。驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或接规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。

伺服单元和驱动装置可台称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。cNc装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于cNc装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

(5)辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过翻译、逻辑判断和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令．刀具的选择和交换指令．冷却、润}骨装置的启停，工件和机床部件的松开和夹紧，分度工作台的转位分度等开关辅助动作。当今数控机床已广泛采用可编程控制器作为辅助控制装置。

(6)机廉本体

数控机床的本体指其机械结构宴体。它与传统的普通机床相似，但数控机床在整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。归纳起来主要有以下几个方面：

①采用高性能主轴及主传动部件。

②进给传动采用高效传动件。一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。③具有完善的刀具自动交换和管理系统。④机床本身具有很高的动、静刚度。⑤采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工的，为了操作安全等因素，一般采用移动门结构的全封闭罩壳．对机床的加工部件进行全 2.3数控技术的复合化

复合化包括T序复合化和功能复合化。数控机床的发展已模糊了粗精加工全部工序的概念。加工中心(包括车削中心、磨削中心、电加工中心等)的出现，又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台、自动转换立卧主轴头的镗铣加1=中心，不仅一次装卡可以完成镗、铣、钻铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体五个面粗精加工的工序。近年来．又相继出现了许多跨度更大的功能集中的复合化数控机床。日本池贝铁工所的TW4LⅡ立式加工中心．由于采用了u轴，亦可进行车加T。东芝机械的GMc 95立式加工中心，在一根主轴上既可进行切削叉可进行磨削。美国sINcNNAIllMlI，AcR()N公司的车、铣、镗、钻偏心孔多用途制造中心，在一台车削中心上不仅可以完成回转体的外圆和端面的车削加工，还可完成铣平面、钻斜孔，开曲线槽等，使刀具回转的加工中心或膳削中心与工件伺转的车削中心复合。如意大利sAFOP的车、镗、铣、磨复合机床；德国VOEsl AIjlNT_盯EINNEL公司M30型铣削一车削复合中心；ETA公t“('1I。DEMl趼。ER复合车一铣机床。还有成型机床与切削机床的复台，如瑞l Raskn的冲孔、成型与激光切割复合；wHITNE公司等离子加工与冲压复合等。在多轴和多轴联动控制方面，日本的FANucl6系统为2～1 5轴；西门子880系统控制轴数达24轴。

例如：采用轴联动对=三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅粗糙度值降低，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台j轴联动机床的效率可以等于2白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轴联动发挥更高的效益。但过去圉5轴联动数控机床的数控系统、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，其制造难度和成本太幅度降低，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ENo 20。l展会上，新日本工机的j面加1二机床采用复合主轴头，可宴现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宴现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMc公司展出DMuvoutlon系列加工中心，可在一次装夹完成5面加工和5轴联动加工，由cNc系统控制或CA州CAM直接或间接控制。2.4数控技术的开放性

为适应数控进线、联网、普艘型个性化、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。

①为适应制造自动化的发展，向FMC’、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统。

②FMCC，FMSS web bad即d制造及无图纸制造技术。

③围绕数控技术、制造过程技术在快速成型，并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床．用较件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域。④以计算机辅助管理和工程数据库、因特同等为主体的制造信息支持技术的智能化决策系统，对机械加工中大量信息进行存储和实时处理，应用数字化网络技术，使机械加工整体系统趋于资源合理支配并高效地应用。⑤由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术擞字化阿络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。

2.4数控技术的先进性

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的装备。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。

①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。②提高驱动眭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。

③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。④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。数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了白适应控制，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伺服装置，能自动识别负载井自动调整参数。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N(z(The Ne xl Generation workstation／Mache(butyl)、欧共体OSACA“)口easiest锄Architectures如r(kntr01 wth_nAutornatlon systems)、日本的OSEC(0pen system En„„t kern collar)、中国的ONC(Open N„mal control system锄)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，面向机床厂家和晟终用户，通过政变、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。数控装备的阿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成l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。在EMO 20。I展中，日本山崎马扎克(Mask)公司展出的CPC(cylerProducflonc)，智能生产控制中心)，日本隈(OKSMA)机床公司展出的IT广场(信息技术广场)．德国西门于(s—ns)公司展出的OME(0衅n Manufactumg EnⅥ„t开放制造环境)等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

开放式生产对于一些资本密集型的从事大型制造，尤其是生产大批量复杂零件的厂家而言，实现网络制造更有其特别的意义。阿络制造在广义上表现为使用网络的企业与企业间可进行跨地域的协同设计、协同制造、信息共享、远程监控及远程服务，以及企业内部的管理部门(产、供、销、人、财、物等)坡计部门(CAD CAPP／CAE／CAM等)、生产部门(生产监测，生产管理，刀夹、量具，材料管理．设备管理等)在网络、数据库技术支持下进行系统集成，通过T(，／IP通信协议进行网络通信，为制造商提供整套且数据信息一致的生产方案，使不同的CW控制程序、编程加工位置以及刀具定位点等数据信息得到统一。通过这样的网络通信，数据传递的速度得到极大提高。过去要几个小时才能完成传输的大程序，现在只需几秒钟即可完成。然而，更为高效的cNc网络通信功能远远不止于快速传递数据及信包，通过连接调制解调器与通信软件，可以实现(1Nc机床的远程诊断。这样，一个技术人员即使在机床生产厂家的办公室，也可以通过远程诊断对远程的cNc机床进行实时问题诊断，及时做出央定，并直接发出指令进行调整。这一切操作都无需亲临工作现场。采用TCP／IP通信协泌进行网络通信还有一个基本条件就是机床数控系统的操作平台最好是WMDO平台，传统的专用计算机数控系统要做到这一点是很困难的，而第六代数控系统可咀满足网络制造的诸多要求。

数控机床向柔性自动化系统发展的趟势：一方面从点(数控单机、加_[巾心和数控复合加工机床)、线(FMC，FMS、FIL、FML)向面(T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；另一方面向注重应用性和经济性方向发展。黍性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；cNc单机向高精度、高速度和高柔眭方向发展：数控机床及其构成的柔性制造系统能方便地与cAD、(nM、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。3国产数控机床的发展现状

3.1国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小

数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中，五轴(坐标)联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于2 台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，国际强手对中国限制的五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面。3.2国产数控机床存在的问题

由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成。因此加速进行数控系统的工程化、商品化攻关，尽快建成与完善数控机床和数控产业成为当前的主要任务。目前主要问题有： 3.3核心技术严重缺乏

统计数据表明，数控机床的核心技术—数控系统，由显示器、控制器伺服、伺服电机和各种开关、传感器构成，中国90%需要国外进口。如在上海设厂的德国吉特迈集团和意大利利雅路机床集团，在烟台建厂的韩国大宇综合机械株式会社，所有的核心技术都被外方掌握。国内能做的中、高端数控机床，更多处于组装和制造环节，普遍未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。目前世界最大的3 家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控近几年发展迅速，软件水平相当不错，但在电器硬件方面还需进一步提高。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。数控功能部件是另外一个薄弱环节。某种意义上说，功能部件将构筑21世纪现代数控机床。功能部件的性能和价格决定了数控机床的性能和价格。功能部件不是机床附件，它是数控机床的核心代表。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。从国产数控机床的开发和使用来看，功能部件急需技术攻关。特别在数控刀具滞后现象反映相当强烈。国产数控刀具在寿命、可靠性等方面差距明显，无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用户要求。由于国产刀具品种少、寿命低，严重影响数控机床效率的发挥。调研企业进口的数控机床，配用大量进口数控刀具，由于价格昂贵，用户不堪负担。数控立、卧回转工作台，数控分度盘和数控电动刀架等数控功能部件市场中海外商家也稍胜一筹。

3.4民族品牌与国际品牌差距明显

2004年6月一份广东机床用户的抽查情况透露，在数控机床的各个品牌之中，用户对欧洲、日本、美国、韩国和中国台湾等数控机床品牌的关注度已占全部市场的60%以上。品牌知名度上的差距，导致用户在选择加工设备时把更多的机会给了海外数控机床行业的一些“实力派”。如哈尔滨某发动机(集团)有限公司的缸体生产线是一条全自动加工线，其粗加工选用韩国大宇重工的专机自动线，精加工则选用了英国CROSS HULLE公司的专机自动线，缸盖加工线是由德国Cross.Huller公司制造的高速加工中心和专机自动线、德国产的全自动在线测量机、日本产的全自动密封检测机和清洗机组成的。曲轴生产线为全自动柔性流水生产线，精加工线由日本的数控高速CBN 磨床、动平衡机、抛光机等组成。3.5技术创新和成果转化与市场脱节

适销对路的产品是企业在市场竞争中取胜的根本。技术创新是产品满足市场需要的关键。多数企业在确定数控技术创新项目上没有突出重点，市场定位不明确，不能集中力量，突破重点，带动整体，项目安排带有盲目性。首先，盲目跟随国际技术潮流增加生产能力。数控机床产业本身的水平关键要看创新能力、人员素质和企业素质的提高。近年来的改制、改组已有一些初步成效，来之不易。在面对市场需求增加的同时，还是要清醒看市场，稳妥求发展，还是要抓前、抓后(即抓开发、抓销售、抓质量、抓服务)，慎重抓能力。中国要成为制造市场，而不是加工市场，机床行业也应正确看待这个问题。否则就造成科技攻关的新产品差距仍然很大，浪费了有限的人力物力；其次技术创新取得成果后，缺乏市场化的全面安排，质量保证体系的不健全，尚未制定相应的规范和标准，制造工艺研究严重滞后。造成数控机床市场占有率逐年下降；再次，不重视质量和服务。机床行业是第1 个提出质量承诺声明的行业，在市场好转的时候，企业对质量和服务更要重视，对用户更加周到和热情，一个企业的品牌往往是在市场好的时候树立的，也往往是在市场好的时期丢掉的。3.6缺乏先进的管理机制

多数企业都受到生产经营缺乏动力、自我约束机制不健全、劳动生产率低下等问题的严重困扰。适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系尚未形成，缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。所以必须按照经济发展的客观要求，建立以公司法人为主要内容的现代企业制度。真正确立以用户为中心的市场经济观念，认真调整产品结构和组织结构。真正让市场在资源配置中起基础作用。4国内数控机床的发展趋势

根据2004年10月，完成的《数控机床产业发展专项规划》。国内数控机床大致发展趋势表现在以下几方面：

4.1智能、高速、高精度化

新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件(如电主轴、直线电机、LM直线滚动系统等)主轴转速达15,000r/min以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。一台机床的重复定位精度如果能达到0.005 mm(ISO 标准、统计法)，就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO 标准、统计法)以下，就是超高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已达到微米级。4.2设计、制造绿色化

绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发、制造及其活动对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计；可拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设计等。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，通过绿色生产过程生产出绿色产品。数控机床在制造时要考虑：节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环保型工艺设计等。随着世界经济的迅速发展，尤其是国内改革开放以来工业化程度的加快，所带来的环境污染问题越来越严重，环境保护的呼声越来越高，环保问题已经成为各国经济可持续发展的制约因素之一。数控机床作为装备制造业的核心，能否顺应环保趋势，加大绿色设计与制造的研制，将是影响经济发展的重要要素之一。

4.3复合化与系统化

工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度，是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的作业。产品对外观曲线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。4.4数控系统发展趋势

4.4.1数控系统向开放式体系结构发展

计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快地更新换代。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，并可以较容易地实现智能化、网络化。，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。4.4.2数控系统向软数控方向发展

①传统数控系统，如FANUCO系统、MITSTJBISHI M50系统、SIN.MERlK 810M,7／c系统等，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。但由于开放式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。②“Pc嵌人NC”结构的开放式数控系统，如FANUCO和16l、SINUMERZ840D、Nutr-1060、AB 9／：360等，是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．具有一定的开放性。但它的Nc部分仍然是传统的数控系统，用户无法介人数控系统的核心。这类系统结构复杂，功能强大，价格昂贵。

⑧“NC嵌人PC”结构的开放式数控系统。它由开放式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DSF’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台下自行开发构造所需的控制系统，因而，这种开放式体系结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。

④SOFT型开放式数控系统。这是一种最新开放式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，SO订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P0werAutomatlon公司的P．～8000 NT等。

4.4.3数控系统控制性能向智能化方向发展 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。为日本Mazak公司最新推出的E—zizith型卧式加工中心，将信息技术与制造技术融为一体。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，已形成将测量(M„㈣nt)、建模(Modelling)、加_I=(M衄u‟tIldng)、机器操作(M删pulator)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、操作一体化的4M智能系统。4.4.4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他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．这就是所谓的I㈣i[erl∥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一制造”，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。为模具车间利用Inkmet技术进行的网络化控制数控加工．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(FMCC、FMS、rrL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(c[MS、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，能方便地与cAD、CAM、cAPF。、MiX3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。4.4.5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16h内连续正常工作，无故障率在99％以上，则数控机床的平均无故障运行时间(MTBF)就必须大于3000h。如主机与数控系统的失效率之比为10：l(数控的可靠比主机高一个数量级)，数控系统的MTBF就要大于33333 3h，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于105h。对整条生产线而言，可靠性要求还要更高。

4.4.6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、换刀和主轴的升速、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，具有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加工工序。4.7.7数控系统向多轴联动化方向发展

在加工自由曲面时，三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，而五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三维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显著改善加工表面的粗糙度，大幅度提高加工效率．因此．多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。CNC装置的工作原理

CNC装置在其硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑．对输人、译码、刀具补偿、速度规划、插补运算、位置控制、L／O接口处理、显示和诊断等方面进行控制。cNc装置的主要工作包括以下内容。5.1输入

输人cNc装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。输人的形式有光电阅读机输人、键盘输入、磁盘输入、连接上级计算机的DNC接口输人、网络输人。从CNC装置的工作方式看，有存储器输人工作方式和MDI(M皿ud DirectInput，手工直接输人)工作方式。cNc装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。

5.2译码

不论系统工作在MDI方式还是存储器输入方式下，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理的，把其中的各种零件轮廓信息(如起点、终点、直线或圆弧等)、加工速度信息(F代码)和其他辅助信息(M、S、T代码等)按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码的过程中．还完成对程序段的语法检查，发现语法错误便立即报警。5.3插补

插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”(拟合)。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。5.4进给速度处理

编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。5.5刀具补偿

刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常，CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前，在比较好的CNC装置中，刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，就是所谓的c刀具补偿。

5.6位置控制

位置控制处在伺服回路的位置环上，这部分工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机。在位置控制中，通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。5.7显示

CNC装置的显示主要是为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。

5.8 IO处理

主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制(如换刀、换挡、冷却等)。

5.9诊断 现代CNC装置都具有联机和脱机诊断的能力。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序，随时检查不正确的事件。脱机诊断是指系统运转条件下的诊断，CNC装置配备有各种脱机诊断程序，以检查存储器、外围设备(CRT、阅读机、穿孔机)、L，O接口等。脱机诊断指采用远程通信方式，即所谓的远程诊断，把用户的CNC通过网络与远程通信诊断中心的计算机相连，对CNC装置进行诊断、故障定位和修复。6 CNC装置的硬件结构

CNC装置是在硬件支持下，通过系统软件控制进行工作的，其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。硬件结构根据控制功能的复杂程度，可分别采用单处理器结构和多处理器结构。数控系统的硬件结构，按CNC装置中各电路板的插接方式，可分为大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数，可分为单微处理器结构和多微处理器结构；按硬件的制造方式．可分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置的开放程度，可分为封闭式结构、Pc嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。6.1单微处理器结构的CNC系统

所谓单微处理器结构，是指在cNc装置中只有一只微处理器(CPU)，工作方式是集中控制，分时处理数控系统的各项任务，如存储、插补运算、输人／输出控制、CRT显示等。某些CNC：装置中虽然用了两个以上的CPU．但能够控制系统总线的只是其中的一个CPI_F，它独占总线资源，通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连。其他的CPU则作为专用的智能部件，不能控制总线，也不能访问存储器。这是一种主从结构，故被归纳于单微处理器结构中。单微处理器结构简单，容易实现。单微处理器结构的cNc装置可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输入／输出接口及外围设备。微处理器CPU是CNC装置的核心，CPU执行系统程序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器(PLC)送到机床，同时接收由PLC返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。6.2位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单元

位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内的位移量，控制伺服电机工作，并根据接收到的实际位置反馈信号。修正位置指令．实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元，速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值去控秘伺服电机，使其以恒定速度运转。

数据输入／输出接口与外围设备是CNC装置与操作者之间交换信息的桥梁。例如，通过MDI方式或串行通信，可将工件加工程序送人CNC装置；通过CRT显示器，可以显示工件的加工程序和其他信息。在单微处理器结构中，由于仅由一个微处理器进行集中控制，故其功能将受CPU字长、数据字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。如果插补等功能由软件来实现，则数控功能的实现与处理速度就成为突出的矛盾。解决矛盾的措施可以有：增加浮点协处理器、采用带有CPU的PL和CRT等智能部件。7 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：

a.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；

b.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； c.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。8结束语

通过本文的论述可见，目前许多国家对开放式数控系统进行研究，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，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势，以及数控机床技术的发展与应用也将更加广阔。

致谢

毕业设计是对毕业生所学专业知识的一个总结、归纳、深化的过程，其中包含了我们需要时时加强的东西：分析解决问题能力、查阅文献的能力、统筹编辑的能力、总结经验的能力等等。在毕业设计的数月期间，我得到了导师的细心指导和关怀，特别是在课题的程序设计过程中，对其中的各种技术问题和疑惑，导师都花费了大量的时间和精力一一为我解答，让我在这个过程中对数控机床控制等多方面的知识有了一次新的深入的学习和全面的提升，并能够逐渐将课本上所学的理论知识与工业生产中的实际问题相结合，从而为以后步入社会解决工作中遇到的实际问题打下良好的基础。在此，谨向导师表示最衷心的感谢！

在课题的研究设计期间，学院、图书馆为我们提供了良好的学习和静心研究的环境，同组成员也给予了我很多帮助与支持，在这里一同表示感谢：没有你们的支持、帮助和鼓励，我很难拿出这样的一份最终作品。当然由于时间和知识水平所限，论文中不可避免会出现纰漏和错误，恳请各位审阅老师悉心指正，在此不胜感激。参考文献

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第二篇：毕业设计 数控机床的发展历程与趋势

永城职业学院 毕 业 论 文

题 目： 数控机床的发展历程及趋势 年 级： 09级 学 号： 2009043055 姓 名： 张中兴 专 业： 机电一体化 指导教师： 王丹

2011 年 9 月 22 日

永城职业学院毕业论文 数控机床的发展历程及趋势

数控机床的发展历程及趋势

摘 要

数控技术是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作技术。有关资料表明，目前我国机床总拥有量为378万台，其中数控机床只有8万多台，远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率20%以上的水平“主要表现在设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展“采用先进的工艺设备，逐步增加数控机床所占比重，已经成为我国制造技术发展的总趋势，也是企业走出困境提升水平，实现跨越式发展的必由之路“提高。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给活动系统，由于必须对进行位移的位置和速度同时实现自动控制，所以数控车床与普通卧式车床相比，应更有更好的精度，以确保机械运动系统的传动精度和工作平稳性。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。

关键词：数控技术 数控机床 发展趋势

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图2 FANUC CNC单元与伺服单元和I/O的连接

图3 Heidenhain以EnDae2.2协议连接编码器和伺服

1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。

图4 HRV4可获取更高的转速和更小的电流

图5 HRV4更小的温升

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图 6反向间隙加速功能

反向间隙加速功能

由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。

图7 MPC功能

MPC(Machining Point Control－加工点控制)采用MPC功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。

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； 进给率：在分辨率为0.01µm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；

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0.1µm、0.01µm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；

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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0.5s。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0.9s。

2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。

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，使CNC控制单位精细化，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0.01µm/脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；

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%；

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。

3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。[Page] 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。

4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

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机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：

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；

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；

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；

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；

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；

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。

5体系开放化

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；

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；

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。

6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

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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”。[Page] 7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。

8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。

图8 FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC的网络接口

图9 FANUC CNC的网络监控、维护与管理

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9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。

10高可靠性

数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。

11加工过程绿色化

随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。

12多媒体技术的应用

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，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的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。除此以外，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，应用于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，因此有着重大的应用价值。

永城职业学院毕业论文 数控机床的发展历程及趋势

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由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的市场占有率。

4加大数控专业人才的培养力度

从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才： 永城职业学院毕业论文 数控机床的发展历程及趋势

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参考文献

[1]王立平.关于国产数控机床发展的几点思考[J].航空制造技术,2010(4).[2]杨学桐.发展数控机床功能部件是当务之急[J].机械工程师,2006(9).[3]刘又午,章青,赵小松,张志飞.先进制造技术的重要课题[D].制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集,2002.[4]王健民,王金城,张玉洲.我国数控机床发展状况分析[J].天津职业技术师范学院学报,1997

第三篇：数控机床毕业论文

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论文题目：中国数控机床的发展 姓 名：××× 学 号：××× 专业班级：××× 指导老师：×××

二〇一五年四月

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摘要

自从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床的产生给机械制造业带来了具有革命性意义的改变。数控加工技术具有以下特点：具有高度柔性，加工的精度高，加工质量稳定、可靠，生产效率较高，还可以减轻操作者的劳动强度、改善工作条件，既能促进生产管理的现代化又能促使经济效益的提高。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。它是一种机电一体化程度较高的产品，可以用于加工各种小批量零件，或者结构较复杂、精度要求较高的零件等等。数控机床的优良特点及其广泛的应用范围使得它成为当代机械制造业的主流装备，也是市场热门商品。我国的数控机床经历了多年的进步与发展已经取得了不错的成绩，但在科技日益进步的今天，如何进一步推进其发展在今天是一个很关键的问题。

关键字： 数控机床 趋势 发展策略

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目录

第一章 数控机床的产生

1.1 数控机床·················································4 1.2数控技术················································ ·4 1.3我国数控机床现状··········································5 第二章 数控机床的发展趋势

2.1向工序集中化发展········································· ·6 2.2向高速度、高精度方向发展···································7 2.3向柔性化、功能集成化方向发展······························· 8 2.4向智能化方向发展·········································· 9 2.4.1引进自适应控制技术····································· ·9 2.4.2智能故障回放和故障仿真技术······························ ·9 2.4.3刀具寿命自动检测······································· ·9 2.4.4智能4M数控系统········································ ·9 2.4.5智能化交流伺服驱动技术·································· 10 2.5向高可靠性方向发展······································· 10 2.5.1采用更高集成度电路芯片································· ·10 2.5.2实现硬件功能软件化······································10 2.5.3增强故障自诊断、自恢复和保护功能·························10 2.6向网络化方向发展········································· 11 2.7向标准化方向发展········································· 11 2.8向功能复合化方向发展······································12 第三章 中国数控机床发展策略

3.1加大技术科研力度··········································13 3.2进一步提高数控机床产品的自主开发、制造能力··················13 3.3加快高性能数控功能部件的研发，提升数控机床品质·········· ····14 3.4加快技术引进与国际合作学习·································15 结语······················································ ·15

参考文献················································· ·17

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第一章 数控机床的产生

1.1数控机床

数控机床，顾名思义，即采用了数控技术的机床。数控机床的出现是为了满足多品种，小批量的自动化生产，能够适用产品频繁变化且具有柔性的生产需求。从应用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给切削液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，是机床自动加工出所需要的零件。1.2数控技术

说到数控机床就不得不提起数控技术。数控技术，简称“数控”,英文：Numerical Control（NC）,是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。根据国家标准ＧＢ／Ｔ８１２９－１９９７，对机床数字控制的定义：用数字控制的装置（简称数控装置），在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某一生产过程实现自动控制，叫数字控制，简称数控。用计算机控制加工功能，称为计算机数控。目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术通过使用计算机按事先存贮的控制程序来实现对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的储存、处理、湖北科技职业学院毕业论文

运算、逻辑判断等各种控制机能都可以通过设计者来设计开发各种程序来实现。1.3我国数控机床现状

我国数控技术起步于20世纪中期，纵观其发展历程，可以划分为三个阶段：第一阶段从上世纪五十年代至七十年代，这个阶段为封闭式发展阶段。在此阶段，处于新中国初期，百废待兴，人才缺乏，科技落后，由于国外的技术封锁限制和我国自身基础条件的限制，数控技术的发展趋势并不明显。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，这个阶段是引进技术和消化吸收阶段。在此阶段，机床工业也随之逐步走上科学生产、大力发展的道路并初步建立起了国产化体系。由于改革开放的推进过程和国家的重视，以及各方面环境的改善，使得我国数控技术在产品的研究、开发等方面都取得了显著性的进步。第三阶段是在国家“八五”的后期和“九五”期间，这个阶段是实施产业化的研究并且进入市场竞争的阶段。在此阶段，开始引进日、德、美数控系统、以及各类数控机床、加工中心，进行合作生产。通过边仿、边学、边造、边用，逐步掌握了数控机床的一些技术、特点与发展规律，发展比较迅速。我国国产数控装备的产业化在这个阶段取得了实质性的进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达到了50％，配国产数控系统也达到了10％。随后，我国也已经进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国数控机床需求量日益扩大，产量正呈飞速增长的趋势，数据显示，我国数控金属切削机床产量从2004年的湖北科技职业学院毕业论文

51,861.00台增长至2013年的209,287.00台。2013年，我国数控金属切削机床行业产量呈现增长态势，比2012年205,695.13台同比增长1.75%。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。按专项规划，到２０２０年，我国航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备约８０％立足国内。高档数控机床与基础制造装备总体技术水平进入国际先进行列，部分产品国际领先。

从上面的内容中我们看到了我国在数控机床领域取得的一些成绩。而另一方面，尽管我国数控金属切削机床行业近年来取得了长足的发展，数控化率稳步提高，但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。目前，国内对中高档机床的需求量逐渐超过低档机床。但国产数控金属切削机床以低档为主，高档数控机床绝大部分依赖进口。我国数控金属切削机床行业技术创新投入不足，自主创新能力较弱，导致国产数控金属切削机床在质量、交货期和服务等方面与国外著名品牌相比存在较大的差距。

第二章 数控机床的发展趋势

近些年来，随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。自从我国数控机床的技术发展到了成熟期以后，各个领域都开始了对于数控机床的广泛关注。当前我国的机床铸造产业正处于高速发展时期，产业由量变正走向质变的阶

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段。综合分析国内外数控机床发展形势，我国数控机床的发展还应顺应以下发展趋势：

2.1向工序集中化发展

上世纪中期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，机床的机械手可以自动更换刀具，连续地对工件进行多种工序加工。加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。2.2向高速度、高精度方向发展

精度和速度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。高精度、高速度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在这些方面的发展也就更为突出。

在加工精度方面，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。最近几年来，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。加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件，提高了CNC系统的控制精度，应用了高分辨率位置检测装置，而且也在于使用了各种

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误差补偿技术，如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等等。

在加工速度方面，如今的数控机床普遍是高速加工，高速加工源于20世纪90年代初，以电主轴和直线电机的应用为特征，使主轴转速大大提高，进给速度达60m／min以上，进给加速度和减速度达到1-2g以上，主轴转速达100000r/min以上。高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短，还要求数控系统具有足够的超前路径加（减）速优化预处理能力，有些系统可提前处理5000个程序段。为保证加工速度，高档数控系统可在每秒内进行2000-10000次进给速度的改变。另一方面，运算速度的高速化也为数控机床增添了动力：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0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度。2.3向柔性化、功能集成化方向发展

数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；出现了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元、柔性制造系统、柔性加工线。

在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。随着数控机床向柔性化方向的发展，功能集成化更多地体现在：工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测

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量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。2.4向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中，由于采用“进化计算”、“模糊系统”和“神经网络”等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

2.4.1引进自适应控制技术

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；

2.4.2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；

2.4.3刀具寿命自动检测

利用红外、声发射、激光等检测手段，对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损和破损等，及时进行报警、自动补偿或更换刀具，确保产品质量。

2.4.4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

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快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modeling）、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。

2.4.5智能化交流伺服驱动技术

目前已研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能化主轴交流驱动装置和进给伺服驱动装置，使驱动系统获得最佳运行。

2.5向高可靠性方向发展

所谓的数控机床可靠性，就是指数控机床产品及其系统能够在限定时间内完成一定的动作指令的能力。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性，目前主要采取以下措施：

2.5.1采用更高集成度电路芯片

采用更高集成度的电路芯片，采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，可以减少元器件的数量，有效地提高可靠性。

2.5.2实现硬件功能软件化

通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化，提高硬件的生产批量和质量。

2.5.3增强故障自诊断、自恢复和保护功能

增强故障自诊断、自恢复和保护功能对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加工超程、刀损、干扰、断电

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等各种意外时，自动进行相应的保护，而这些措施就大大地增加了数控机床的可靠性。2.6向网络化方向发展

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、管理等等，还可实现数控装备的数字化服务。数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、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。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力，除了具有RS232C接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网通信的功能以及网络接口，促进了系统集成化和信息综合化，使远程在线编程、远程仿真、远程操作、远程监控及远程故障诊断成为可能。这些先进的系统也为数控机床未来的网络化发展方向提供了导向作用。2.7向标准化方向发展

近些年来，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多年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G、M代码对加工过程进行描述，显然，这种面向过程的描述方法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

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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。数控机床的标准化发展也定将会推动数控技术的高速发展。2.8向功能复合化方向发展

数控车床复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、扩孔等多种加工要求，复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产周期、提高工件加工精度。在全球数控机床制造和金属加工领域，复合加工技术正以其强大的加工能力被不断发展与应用。为了实现复杂形状工件的加工，使在一台机床上能完成复数工序和复数工种的加工，这样的数控机床称为复合加工机床。就是说，在复合化机床上可以实现完全不同性质加工过程的加工。

今天的复合加工技术，是针对以普通的数控车削中心和加工中心为基础，发展到复合车铣加工中心。这要求机床制造业应以现有的技术水平为基础，研发、制造、稳定和推广具有高效、复合、稳定、成本低廉的，适合于现代加工技术的高水平数控机床。

第三章 中国数控机床发展策略

在今天，以轿车制造业为代表的汽车及其零部件制造业、以航空航天为代表的高新技术产业的加速发展，为机床制造业带来了巨大商机。同时，要满足我国重大基础制造和国防工业领域对高档数控机床的巨大需求，摆脱对国外高档数控机床的依赖及垄断，必须突破高档数控机床及相应高性能功能部件的关键技术。我国数控机床的发展需

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要以市场需求为导向，主机为牵引，统筹考虑数控系统与功能部件、关键部件与主机，推行数字制造；以功能部件为基础，以共性技术为支撑，加速振兴我国机床制造业。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: 3.1加大技术科研力度

众所周知，科学技术是第一生产力，科技对于产业发展的促进作用在今天已经不言而喻了。数控机床是其他制造业得以实现的基础，因为它的水平关系着其他行业产品制造质量的高低。我国数控机床科技水平一直处于较低水平，虽然在某些领域可以与世界机床强国比较高低，但是整体的弱势也是造成我国数控机床行业无法进入“世界机床强国”行列的原因。在美国，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。在机床技术上不断创新，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。而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，在质量上力求越来越好。

3.2进一步提高数控机床产品的自主开发、制造能力

我国如今已成为一个制造业大国，提高数控机床产品的自主开

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发、制造能力是一个关键的问题。共性和关键技术攻关必须与数控机床和功能部件的基地建设有机结合，要以高档数控机床发展为主攻目标，提高整机可靠性和产业化水平，提高国产数控系统和关键功能部件的配套能力，特别是要提高在国产中高档数控机床中的配套能力；加强数控机床基础开发理论的研究、基础工艺技术研究及应用软件开发，做好行业标准和专利工作，为我国数控机床行业的发展打下坚实的基础。

3.3加快高性能数控功能部件的研发，提升数控机床品质

数控功能部件作为数控机床的一个子系统同样具有机电一体化的特征，这也是它区别于一般配套件和附件之处。因此，它的组成通常是由动力能源、信息传递反馈与控制、广义机械执行装置三者的总成。这些功能部件有高速运动的电主轴单元、直接驱动的直线电机单元和力矩电机的回转运动单元等；有先进结构精密切削的双摆主轴头、数控动力刀架和主卧转换头等；有快速交换及高速的自动刀具交换装置、自动托盘交换装置和刀具在线智能补偿装置等功能部件的研发及其专业化生产，不仅能为机床主机制造厂提供功能完善和品质优良的选件，而且有利于缩短机床新产品的开发和制造周期，也有助于降低数控机床成本。高性能的功能部件将具有智能化接口，能与整机协调匹配，并与数控系统构成分布式的控制，因此，加强为主机厂的售前服务，充分满足主机的个性化需求是提高其竞争力的重要措施。功能部件向功能多样化、运行高可靠性化和结构紧凑化的发展也将促进数控机床复合化加工的扩展并推动新一代可重构机床的出现。

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数控系统、功能部件、关键部件是发展高档数控机床的基础，目前我国在这方面发展十分薄弱，而这也已经成为制约数控机床发展的瓶颈，必须加快发展，提高专业化、批量化生产技术水平和能力。产品的发展和自主创新能力的提高必须依赖于核心技术的掌握，依赖于共性技术的支撑。基础技术研究是机床整体水平提高的前提和保障，是机床设计的关键和基础，对于我国机床行业进入一个全新的层次会有很大的帮助。

3.4加快技术引进与国际合作学习

新技术几乎是所有企业共同的追求，为了较快得到最新技术，企业可直接与国外科研院所和国外一流企业合资、合作，通过以市场换技术，以有限的资金换取无限的发展，实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化。在引进与合作过程中，我们还需要加强引进技术的消化吸收与再创新。具体来说：在某些领域上，与国外差距较大，国外先进技术有引进的可能，则通过引进技术，加强消化吸收，实现再创新，满足用户的需求；在技术基础较好的领域中，可以充分利用已经形成一定优势的技术，与用户结合，产学研结合，开发满足用户需要的产品，形成技术创新能力，这样也可能在原创上做出突破。总之，加快技术引进与国际合作学习在当前来说是一个明智的选择。

结语

虽然我国数控机床的发展经历了长期的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期，但是机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引

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发的制造装备发展的良机，也遭遇到了当今激烈的国际市场竞争的巨大压力，加速推进数控机床的发展是解决有关机床制造业持续发展问题的一个关键。随着制造业对数控机床的不断扩大的需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围仍然在不断扩大中。数控机床行业是为制造业提供装备的产业，当代中国制造业的崛起，必然给数控机床行业带来巨大的商机，并且带来新的发展空间。因此，数控机床行业可以抓住这个大好机会，尽快减小其世界先进水平的差距，全面提高我国数控机床行业水平，创品牌、扩市场、当进口、争出口，争取将国产数控机床做大做强。

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参考文献

[1].邹伟平,吴再兴.数控技术的现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备.2006(03)[2].王志平主编.数控机床及应用.北京：高等教育出版社，2002.3 [3].李佳主编.数控机床及应用.北京：清华大学出版社，2001.7 [4].王爱玲主编.现代数控机床[M].国防工业出版社,2003 [5].倪祥明.数控机床及数控加工技术.北京：人民邮电出版社，2011 [6].李君.浅议数控技术的发展趋势[J].吉林农业.2010(11)

第四篇：浅析数控机床的发展进程及趋势资料解读

网络教育学院

本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题

目： 浅析数控机床的发展进程及趋势

浅析数控机床的发展进程及趋势

内容摘要

本文以数控机床为研究对象，首先阐述了数控机床的发展历程，尤其对其进给伺服系统和机械传动系统的发展过程进行了详细描述，接下来对我国数控机床的发展现状与发展趋势进行了介绍，并分析了其存在的问题，最后提出了针对我国数控机床的发展策略。

关键词：

数控机床；进给伺服系统，机床加工程序

I

浅析数控机床的发展进程及趋势

目 录

内容摘要...........................................................................................................................I 前 言..........................................................................................................................1 1 数控机床的发展进程................................................................................................2

1.1 进给伺服系统.................................................................................................2 1.2 机械传动系统.................................................................................................4 1.3 数控机床加工程序的结构.............................................................................5 2 数控机床的发展趋势................................................................................................7 3 数控机床发展中所存在的问题..............................................................................11 4 数控机床的发展策略..............................................................................................12 参考文献........................................................................................................................1II

浅析数控机床的发展进程及趋势

前 言

自20世纪末开始，我国制造业就开始了逐渐由制造大国向制造强国迈进了脚步，机床制造业也跟着取得数控机床快速增长的业绩。机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，既是生产力要素，又是重要商品。机床的发展和创新在一定程度上能映射出加工技术的主要趋势。近年来, 我国在数控机床和机床工具行业对外合资合作进一步加强, 无论在精度、速度、性能, 还是智能化方面都取得了相当的成绩[1]。

在国际贸易中, 很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的主要机电出口产品。因此，对数控机床技术的发展历程进行总结分析，将有助于推进我国数控机床技术实现跨越式发展的目标。

浅析数控机床的发展进程及趋势 数控机床的发展进程

自上世纪50年代以来，世界数控机床主要经历了数控NC（Numerical Control）和计算机数控CNC（Computer Numerical Control）2个阶段[2]。

数控NC阶段主要经历了以下3代：

第1代数控系统，始于50年代初年，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。

第2代数控系统，始于50年代末，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。

第3代数控系统，始于60年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，可靠性提高，推动了数控系统的进一步发展。

计算机数控CNC阶段也经历了3代：

第4代数控系统，始于70年代，当首个采用小型计算机的CNC装置芝加哥展览会上露面时，标志着CNC技术的问世。

第5代数控系统，70年代后期，中、大规模集成电路技术所取得成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生，并逐步应用于数控系统。

第6代数控系统，始于90年代初，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。

数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其性能是决定数控机床加工性能的极其重要的技术指标。因此提高进给伺服系统的动态特性与静态特性的品质是人们始终追求的目标。接下来主要介绍一下进给伺服系统和机械传动系统的发展历程。

1.1 进给伺服系统

进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控

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制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

1.1.1步进伺服系统

在20世纪60年代以前，步进伺服系统是以步进电机驱动的液压伺服电动机或是以功率步进电机直接驱动为特征，伺服系统采用开环控制。

步进伺服系统接受脉冲信号，它的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率或个数。由于没有检测和反馈环节，步进电机的精度取决于步距角的精度，齿轮传动间隙等，所以它的精度较低。而且步进电机在低频时易出现振动现象，它的输出力矩随转速升高而下降。又由于步进伺服系统为开环控制，步进电机在启动频率过高或负载过大时易出现“丢步”或“堵转”现象，停止时转速过高容易出现过冲的现象。另外步进电机从静止加速到工作转速需要的时间也较长，速度响应较慢。但是由于其结构简单，易于调整，工作可靠，价格较低的特点，在许多要求不高的场合还是可以应用的。

1.1.2 直流伺服系统

60～70年代后，数控系统大多采用直流伺服系统。直流伺服电机具有良好的宽调速性能。输出转矩大，过载能力强，伺服系统也由开环控制发展为闭环控制，因而在工业及相关领域获得了更加广泛的运用。但是，随着现代工业的快速发展，其相应设备如精密数控机床、工业机器人等对电伺服系统提出越来越高的要求，尤其是精度、可靠性等性能。而传统直流电动机采用的是机械式换向器，在应用过程中面临很多问题，如电刷和换向器易磨损，维护工作量大，成本高;换向器换向时会产生火花，使电机的最高转速及应用环境受到限制;直流电机结构复杂、成本高、对其他设备易产生干扰。1.1.3交流伺服系统

针对直流电动机的缺点，人们一直在努力寻求以交流伺服电动机取代具有机械换向器和电刷的直流伺服电动机的方法，以满足各种应用领域，尤其是高精度、高性能伺服驱动领域的需要。但是由于交流电机具有强耦合，非线性的特性，控制非常复杂，所以高性能运用一直受到局限。自80年代以来，随着电子电力等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，在矢量控制算法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。

1.1.4 直线伺服系统

永磁同步直线电机在推力、动态性能、定位精度方面比其他直线电机更具优

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越性，因而PMLSM越来越多的用于直线伺服系统中。但由于直线伺服系统存在很大的参数摄动和负载扰动，此外还存在“边端效应”等问题，因此，采用传统的比例(P)或比例积分(PI)位置调节器的矢量控制系统很难满足高性能伺服系统的要求。

1.2 机械传动系统

机械传动系统由数控机床的主传动系统，进给运动系统，回转工作台与导轨组成。数控机床主传动系统的作用就是产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。主传动系统由动力源：电机，传动系统：定比传动机构、变速装置，运动控制装置：离合器、制动器等，执行件:主轴。进给运动是以保证刀具与工件相对位置关系为目的，被加工工件的轮廓精度和位置精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的直接影响。进给运动是数字控制系统的直接控制对象。对于闭环控制系统，还要在进给运动的末端加上位置检测系统，并将测量的实际位移反馈到控制系统中，以使运动更准确。回转工作台的作用是：按照数控装置的指令做回转分度或连续回转进给。导轨的作用：起导向及支承作用，它的精度、刚度及结构形式等对机床的加工精度和承载能力有直接影响。为了保证数控机床具有较高的加工精度和较大的承载能力，要求其导轨具有较高的导向精度、足够的刚度、良好的耐磨性、良好的低速运动平稳性，同时应尽量使导轨结构简单，便于制造、调整和维护。数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。

在数控机床上常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。1）液体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦系数极低，多用于进给运动导轨。

2）气体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。这种导轨摩擦系数小，不易引起发热变形，但会随空气压力波动而使空气膜发生变化，且承载能力小，故常用于负荷不大的场合。

3）贴塑导轨：在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料等其它化学材料组成的塑料薄膜软带，其优点是导轨面的摩擦系数低，且动静摩擦系数接近，不易产生爬行现象；塑料的阻尼性能好，具有吸收振动能力，可减小振动和噪声；耐磨性、化学稳定性、可加工性能好；工艺简单、成本低。

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滚动导轨的最大优点是摩擦系数很小，一般为0.0025～0.005，比贴塑料导轨还小很多，且动、静摩擦系数很接近，因而运动轻便灵活，在很低的运动速度下都不出现爬行，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构比较复杂，制造成本较高。近年来数控机床愈来愈多地采用由专业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。

1.3 数控机床加工程序的结构

数控机床程序分成的程序开始、程序内容和程序结束三部分。第一部分 程序开始部分主要定义程序号，调出零件加工坐标系、加工刀具，启动主轴、打开冷却液等方面的内容。数控程序主轴最高转速限制定义G50 S2000，设置主轴的最高转速为2000RPM，对于数控车床来说，这是一个非常重要的指令。坐标系定义如不作特殊指明，数控系统默认G54坐标系。返回参考点指令G28 U0，为避免换刀过程中，发生刀架与工件或夹具之间的碰撞和/或干涉，一个有效的方法是机床先回到X轴方向的机床参考点，并离开主轴一段安全距离。刀具定义G0 T0808 M8，自动调8号左偏刀8号刀补，开启冷却液。主轴转速定义G96 S150 M4，恒定线速度S功能定义，S功能使数控车床的主轴转速指令功能，有两种表达方式，一种是以r/min或rpm作为计量单位。另一种是以m/min为计量单位。数控车床的S代码必须与G96或G97配合使用才能设置主轴转速或切削速度。G97：转速指令，定义和设置每分钟的转速。G96：恒线速度指令，使工件上任何位置上的切削速度都是一样的。

第二部分 程序内容部分

程序内容是整个程序的主要部分，由多个程序段组成。每个程序段由若干个字组成，每个字又由地址码和若干个数字组成。常见的为G指令和M指令以及各个轴的坐标点组成的程序段，并增加了进给量的功能定义。F功能是指进给速度的功能，数控车床进给速度有两种表达方式，一种是每转进给量，即用mm/r单位表示，主要用于车加工的进给。另一种和数控铣床相同采用每分钟进给量，即用mm/min单位表示。主要用于车铣加工中心中铣加工的进给。

第三部分 程序结尾部分

在程序结尾，需要刀架返回参考点或机床参考点，为下一次换刀的安全位置，同时进行主轴停止，关掉冷却液，程序选择停止或结束程序等动作。回参考点指令G28U0为回X轴方向机床参考点，G0 Z300.0为回Z轴方向参考点。停止指令

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M01为选择停止指令，只有当设备的选择停止开关打开时才有效；M30为程序结束指令，执行时，冷却液、进给、主轴全部停止。数控程序和数控设备复位并回到加工前原始状态，为下一次程序运行和数控加工重新开始做准备。

浅析数控机床的发展进程及趋势 数控机床的发展趋势

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。数控机床正向高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等方面发展。

2.1 高速化

新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件(如电主轴、直线电机、LM直线滚动系统等)主轴转速达15,000r/min以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。

2.2 高精度化

一台机床的重复定位精度如果能达到0.005 mm(ISO 标准、统计法)，就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO 标准、统计法)以下，就是超高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已达到微米级。

2.3 功能复合化

工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度，是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的作业。产品对外观曲线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。

2.4 控制智能化

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

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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。为日本Mazak公司最新推出的E—zizith型卧式加工中心，将信息技术与制造技术融为一体。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，已形成将测量、建模、加工、机器操作四者融合在一个系统中，实现信息共享．促进测量、建模、加工、操作一体化的4M智能系统。

2.5 体系开放化

计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快地更新换代。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，并可以较容易地实现智能化、网络化。，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。

2.6 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”。

2.7 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

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力机等的需求量正在逐渐增大。

2.8 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。

2.9 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。

2.10 高可靠性

数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大;工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。

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2.11 加工过程绿色化

随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。

2.12 多媒体技术的应用

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，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的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。除此以外，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，应用于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，因此有着重大的应用价值。

浅析数控机床的发展进程及趋势 数控机床发展中所存在的问题

由于我国的技术水平和基础工业相对其他发达国家相比比较落后, 数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比差距还很大。因此, 加速进行中国数控系统的工程化、商品化攻关, 尽快建成与完善我国数控机床和数控产业成了我国的主要任务[5]。目前，我国在发展数控机床业中存在的主要问题主要有以下几点： 1)缺乏实事求是的科学精神，忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律，没有实事求是地制定数控机床发展的规划，盲目性大。

2)缺乏系统深入的科研工作难以对各种技术资料进行积累，设计方法陈旧，仅靠类比模仿进行产品设计，既缺乏机床创新的基本理论，又缺乏丰富的生产实际经验，对高效自动化机床、数控机床的刚度、振动、热变形、噪声、精度补偿等基础技术缺乏深入研究，对各类机床加工工艺、布局、结构、导轨、卡轴、卡具等应用技术又缺乏认真试验，难以创新设计出优质适销的先进产品。

3)没有合理地运用资源这主要表现在两点，第一，对于所涉及到的研究所、厂房等没有综合应用、取长补短，往往见到的是他们孤军作战，而且各单位忙于生存，普遍缺乏深入系统的科研工作，更没有做到生产一代、研制一代、预研一代等可持续的发展；第二，机床行业人员素质低，缺乏各方而人才，而且各研究单位、企业、人才流失严重，科研、设计力量十分虚弱，往往呈现低效运行状态。

4)我国制造业大环境的制约。由于没有在全国范围内发展大量大批生产自动化，对高效自动化机床的卞机设计的基本功较差，而机床的品种结构发展，全靠主机设计本领加以变化，因此，依靠引进和合作生产来发展各类卞机，至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品，基本处于仿制阶段。5)缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，高速、柔性、精密机床配套技术的自主研发能力低。

6)对国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出。“消化”在整个资金投入中所占的比例相对其他工业发达国家来讲太低。

浅析数控机床的发展进程及趋势 数控机床的发展策略

从上世纪80年代起, 我国机床制造业对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。但是由于我们的数控技术与其他工业发达国家差距较大，与国外一些先进产品相比，仍存在着很大劣势, 使得我们总是处于技术跟踪阶段。面对这种情况，为了加速振兴我国的机床制造业，提高我国的数控机床技术，应当加强以下几个方面的研究工作：

1)以高速化为先导，提高数控机床的综合性能

数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一个重要措施。分析中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以得出，作为表征其切削运动高速化的主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地以每10年增长1倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度(指以滚珠丝杠和旋转伺服电机驱动)和自动换刀/工作台转位速度，基本上以每12～15年翻一番的速度增长，1993年后逐步推广用直线电动机直接驱动的新技术，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了1倍。

高速化的发展还要多注意2个问题：从先进适用出发确定高速范围；高速化要和机床的结构和控制性能相匹配。2)推进μm 工程，研制高效精密数控机床

目前国内生产的数控机床尚缺少高效、高可靠性且加工精度达微米级的产品。为此，需研发一些能兼顾高效化和高精化的数控制造装备以适应汽车制造业加工关键零件的需求。由于这些数控制造装备的加工精度主要在微米级（μm）范围内，因此可称为μm级制造装备及技术研究，简称“μm 工程”。3)发展复合加工数控机床、缩短制造过程链

加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的稳定性。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间占零件整个生产周期的40%～60%，即使在信息管理良好的情况下，仍将占20%左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。

为了避免复合机床因功能的扩展而过多地引起结构的复杂化和成本的增加，还需要探求两个问题：通过创新技术扩大功能部件的适用面来简化结构；发展模

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块化和可重构化的复合机床。4)高效柔性化的新一代制造系统

1995年开始研究的在可重构制造技术支持下，构建具有适应大批量高效柔性化生产的可重组制造系统(RMS)是一个值得注意的发展动向。其核心为制造系统能物理组态，即根据加工对象的变化方便地进行布局和设备配置的调整，发展了能对多变的市场需求做出合理的配置规划和易于调整的布局方式、适应重构的控制软件、开放式控制系统和规范化接口以及能快速提升系统重组后制造质量的诊断系统等技术，使其兼具专用生产线的高效性能和适用的柔性以取得更佳的经济性，已在生产中取得了初步成功的应用。

5)发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化

当前，国内外一些机床和数控系统制造企业在从分布式网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，强化其自治管理能力，能与企业的资源计划（ERP），产品数据管理（PDM）和计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程（CAD/CAPP/CAM）的信息集成，进而通过与客户关系管理(CRM)和供应链管理(SCM)的联系做出智能决策，实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。

6)开展可靠性设计，加强全面质量管理，保证数控机床的可靠性增长

为了保证数控机床有高的可靠性，设计时不仅要考虑其功能和力学特性，还要进行可靠性设计，根据可靠性要求合理分配各组成件的可靠性指标，在配套件采购和制造过程中重视质量要求，加强全面质量管理以求可靠性的不断增长。7)提高技术人员的综合素质。

中国机床工业的振兴，数控机床的加速发展，归根到底，取决于人员素质的提高、工业文化水平的提高、人才的加速培养，有效的深化改革、改组、改制，切切实实加强科学管理，提高工作质量、生产率、劳动生产率。进入21世纪知识经济时代，科学知识及作为重要生产要素的机床，其作用将更加突出。

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参考文献

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读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚。——高尔基

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18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根

第五篇：数控机床技术发展现状及趋势

数控机床技术发展现状及趋势

赵 学 明

（广东工业大学，广东 广州 510006）

摘要：现在世界上很多发达的工业化国家在生产中广泛应用数控机床。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，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的发展起着越来越重要的作用。随着科学技术的发展，世界先进技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。当今数控机床正在不断采用最新成果，朝着高速化、超精度化、多功能化、智能化、系统化、网络化、高可靠性与环保等方向发展。

关键字：数控机床、技术、现状、发展趋势

引言

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。1 数控机床的简单介绍

车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。数控系统是由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界上最大的三家厂商是：日本法拉克、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西

班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控等。从目前来看，我们国家机床业最薄弱的环节就在数控系统。国内的数控系统刚刚才开始，产业化、质量、技术水平一般，故障率比较高，质量精度一般。因此，高档次的数控系统全都是依赖进口，每年国家需要在此方面花费大量的外汇。给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装数控系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。我们一般所说的数控设备，主要是指数控车床和加工中心。我国数控机床的机遇与挑战

近6年来我国数控机床产量一直处于持续地以年均增长超过30％快速发展，据初步统计2004年数控机床的产量为51860台，同比年增长40.8％，数控机床的消费量约70000余台，同比年增长约30％。数控机床需求的旺盛也促进了2004年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。但是，另一方面进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机床的消费额的增长趋势更快。2004年数控机床的进口数量同比年增长30％，而进口消费额的增长却达52％，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例已不足30％。之所以出现这一现象，其主要原因在于国内市场对技术和附加值高的高效精密数控机床和高性能大重型数控机床需求增长，要依靠进口解决。大量的高档数控机床的进口，主要由于以下三个领域发展的需求：高新技术和国防工业领域；重大基础装备制造领域。国民经济支柱产业领域等。因此，对于高速超精密数控机床，国内还是欠缺的，主要依赖进口。

但是最近几年国家也加大了对数控机床研发的大力支持。科技部将为数控机床专项研发投入2亿元，主要围绕数控设备支撑技术和航天、交通、能源等方面需要的超大型超精密加工设备。第一个建立在企业的数控机床国家重点实验室已经进入审批阶段。科技部还将组织重大专项研究，在关键功能部件等配套技术和产品研发上取得核心技术。国家的政策支持，产业扶持，这是数控机床业的春天，将会促进我国数控机床朝向世界顶级技术迈进。3 数控机床技术发展的趋势高速度与超精度化

速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量。高速度、超精度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。特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求；另外，这两项技术指标又是相互制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000转/分(有的高达10万转/分)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为l微米时，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率为0.1um时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

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10um 提高到5um，精密级加工中心则从3～5um，提高到1～1．5um,并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0．01um)。2 高可靠性

随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在l6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。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为l0：1(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33333．3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于l0万小时。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。多功能化

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，因此数控机床实现了一机多能，以最大限度地提高设备利用率。另外前台加工、后台编辑的前后台功能，充分提高其工作效率和机床利用率。数控机床还具有更高的通讯功能，现代数控机床除具有通信口，DNC功能外，还具有网络功能。多轴化

随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，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，由于在加工自由曲面时，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，而在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与切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。

数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的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。数控机床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，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。机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有“人性化”。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。柔性化、智能化

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：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，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；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。

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。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的智能化，如自适应控制，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、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。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。

21世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。结束语

总之，数控(NC)机床技术已成为制造技术的发展基础。数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。为了满足制造技术不断发展的需要，NC机床将朝着智能化、网络化、集成化、数字化的方向发展。今后，随着计算技术、测试技术、微电子技术、计算机技术、材料和机械结构等方面的研究和科技的进步，也必将面临着新的挑战。可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用 制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。

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