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数控机床毕业论文
湖北科技职业学院
毕业论文
论文题目：
中国数控机床的发展
__×××
学号：
×××
专业__×××
指导×××
二〇一五年四月
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〔Computernumericalcontrolmachinetools〕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与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
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
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,以与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：
NumericalControl〔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、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〞期间以与"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,以与各方面环境的改善,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、以与各类数控机床、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20##的51,861.00台增长至20##的209,287.00台.20##,我国数控金属切削机床行业产量呈现增长态势,比20##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、热变形以与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位以与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.
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、破损状态与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；
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；
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,与时进行报警、自动补偿或更换刀具,确保产品质量.
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〔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.
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与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：
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与混合式集成电路,可以减少元器件的数量,有效地提高可靠性.
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、通用化与系列化,提高硬件的生产批量和质量.
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与网络接口,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、远程监控与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与其零部件制造业、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与垄断,必须突破高档数控机床与相应高性能功能部件的关键技术.我国数控机床的发展需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、制造与数控系统基础扎实,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、基础工艺技术研究与应用软件开发,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；有快速交换与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与其专业化生产,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.
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与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.
参考文献
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