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1、第 1 章 概论1.1 研究背景数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。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，不仅大力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。因此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。数控技术应用非常广泛，在工业当中，典型的应用领域为数控机床。数控机床相比普通机床能较好地解决复杂、精密、小批、多
2、变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量 80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。数控技术在逐步地深入制造工业当中，未来数控技术将在工业领域当中占据着主导的地位。1.2 数控系统发展简史1、硬件链接数控（NC）阶段（1952 年1970 年）早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件链接系统，简称数控（NC） 。随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代：1952 年起的第一代 电子管数控机床;1959 年起的第二代 晶体管数控机床;1965 年起的第三代 集成电
3、路数控机床。 2、计算机数控（CNC）阶段（1970 年现在）1970 年，通用小型计算机已出现并投入批量生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控（CNC）阶段。这个阶段也经历了三代：1970 年起的第四代 小型计算机数控机床；1974 年起的第五代 微型计算机数控机床；1990 年起的第六代 基于 PC 平台的数控机床。随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也不断更新，发展非常迅速，几乎每 5 年更新换代一次，其在制造领域的加工又是逐渐体现出来。1.3 国内外数控机床状况分析1.3.1 国内数控机床的发展我国的数控技术起步较晚，普通机床众多，且机床数控化率并不
4、高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需求的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的影响。直接购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本很高，同时大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床。由于普通机场加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，生产的自动化程度不高。从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。而如今，我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较
5、为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟产品走向市场。同时，我国也已进人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。我国现有数控机床生产厂家 100 多家，生产数控产品几千种以上。产品主要分为经济型、普及型和高档型三种类型。这既体现了中国机床市场的需求趋势，也反映了中国在数控机床产业化方面取得了突破性进展。表 1-1 和表 1-2 列出近年来我国不同档次的数控机床年产量比例的变化和市场销售情况。表 1-1 各技术档次数控机床占年产量比例按技术水平归类2004 年2006 年2008 年高档1.5%5%13.5%中档（
6、普及型）43.5%52.5%60%低挡（经济性）55%42.5%26.5%表 1-2 进口数控机床的数量和金额占市场消费的比例市场消费量比例市场消费金额比例按技术水平归类国产进口总量国产进口总量高档1%25%26%2.5%55%57.5%中档（普及型）24%20%44%21%18%39%低挡（经济性）30%30%3.5%3.5%1.3.2 国外数控机床的发展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
7、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。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、Fa dal 公司等)。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。在发展大量大批生产自动化的基础上，於 1956 年研制出第一
8、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。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
9、，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。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。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。1.4 数控系统的发展趋势数控技巧的利用不但给传统制作业带来了革命性的变更，使制作业成为工业化的象征，而且随着数控技巧的不断发展和利用领域的扩大，他对国计民生的
10、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，因为这些行业所需设备的数字化已是现代发展的大趋向。从目前世界上数控技巧及其设备发展的趋向来看，有以下几个方面：1、高速、高精加工技巧及设备的新趋向效率、质量是先进制作技巧的主体。高速、高精加工技巧可极大地前进效率，前进产品的质量和档次，缩短生产周期和前进市场竞争能力。2、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展。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,而且效率也大幅度前进。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,特别是应用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削
11、淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比3 轴联动加工施展更高的效益。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，加之编程技巧难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的涌现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制作难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此增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。3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的重要趋向：21 世纪的数控设备将是具有必定智能化的系统，智能化的内容包含在数控系统中的各个方面；为寻求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工
12、过程的自适应把持，工艺参数主动生成；为前进驱动性能及应用连接轻易的智能化，如前馈把持、电机参数的自适应运算、主动辨认负载主动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的主动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、轻易系统的诊断及维修等。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，通过转变、增长或剪裁结构对象（数控功效） ，形成系列化，并可轻易地将用户的特别利用和技巧诀窍集成到把持系统中，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
13、的系统结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功效库以及数控系统功效软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控设备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控设备的网络化将极大地满足生产线、制作系统、制作企业对信息集成的需求，也是实现新的制作模式如迅速制作、虚拟企业、全球制作的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制作公司都在近两年推出了相干的新概念和样机，如在 o2001 展中，日本山崎马扎克（mazak）公司展出的“cyber production center” （智能生产把持中心，简称 cpc） ；日本大隈（okuma）机床公司展出“it plaza” （信息技巧广场，简称
14、 it 广场） ；德国西门子（siens）公司展出的 open manufacturing environment（开放制作情形，简称 ome）等，反响了数控机床加工向网络化方向发展的趋向。1.5 机床数控化改造的必要性1.5.1 微观看改造的必要性1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现
15、自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化” 。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配” 。4、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC(柔性制造单元)、FMS
16、(柔性制造系统)以及 CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.5.2 宏观看改造的必要性从宏观上看，数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。同时现在大多数企业从国外购买的数控车床已经远超过了服役期 ，但这些设备价值不菲，单价在几百万元甚至上千万元。如果直接购买新的数控机床，就等于是说要让以前的普通机床报废，从而构成两方面的浪费。而且从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使大多数企业心有余而力
