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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3
1.3数控机床加工程序的结构4
2数控机床的发展趋势6
3数控机床发展中所存在的问题10
4数控机床的发展策略11
5结束语13
参考文献14
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。
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。
1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（NumericalControl）和计算机数控CNC（ComputerNumericalControl）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
机床进给伺服系统，一般是上位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。
但在习惯上，通常是将位置控制部分与数控装置做在一起，而且也不包括机械传动机构。
因此，习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分。
而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。
按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：
开环、闭环、半闭环及混合闭环。
而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。
为了提高数控机床的性能，对机床用进给伺服系统提出了很高的要求。
由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下四个方面。
（1）高精度为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。
因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如5µ
m、1µ
m等；
而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小。
（2）快响应为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小。
（3）宽调速范围它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。
对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在0～24m/min下都能正常工作。
（4）低速大转矩根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，既要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。
为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件－－伺服电动机也提出了相应的要求，它们是：
（1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。
（2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。
（3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。
（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。
1.2机械传动系统
机械传动的作用：
机械传动的作用是传递运动和力，常用机械传动系统的的类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系等。
齿轮传动：
齿轮传动是依靠主动齿轮依次拨动从动齿轮来实现的，其基本要求之一是其瞬时角速度之比必须保持不变。
齿轮传动的分类：
齿轮传动的类型较多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类。
直齿圆柱齿轮轮齿的初始接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。
斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。
在直齿圆柱齿轮中，接触是平行于回转轴线的。
在斜齿轮中，该线是跨过齿面的对角线。
它是齿轮逐渐进行啮合并平稳的从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。
斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。
当轴向力变的大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使人字齿轮。
双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。
他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。
当两个或者跟多个单向斜齿轮在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。
蜗轮蜗杆传动：
蜗轮蜗杆传动是用于传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力。
涡轮与交错轴斜齿轮相似。
小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于他们完全缠绕在节圆柱上，因此它们被称为螺纹齿。
与其相配的齿轮叫做涡轮，涡轮不是真正的齿轮。
蜗杆和涡轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。
涡轮不是斜齿轮，因此其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成先接触而不是点接触。
然而蜗杆涡轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。
带传动：
带传动是通过中间挠性件（带）传递运动和动力。
带传动主要用于两轴平行而且回转方向相同的场合，这种传动称为开口传动。
链传动：
链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，以链条作中间挠性件，靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。
链传动与带传动相比的主要特点：
没有弹性滑动和打滑，能保持准确的传动比；
需要张紧力较小，作用在轴上的压力也较小；
结构紧凑；
能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。
链传动与齿轮传动相比，其主要特点：
制造和安装精度要求较低；
中心距较大时，其传动结构简单；
瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。
1.3数控机床加工程序的结构
数控车程序可以分成程序开始、程序内容和程序结束三部分内容。
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。
主轴最高转速限制定义G50S2000，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G28U0，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G0T0808M8，自动调8号左偏刀8号刀补，开启冷却液。
主轴转速定义G96S150M4，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，G0Z300.0为回Z轴方向参考点。
停止指令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。
2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。
为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。
（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。
a.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；
主轴转速：
b.进给率：
在分辨率为0.01?
m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型的进给率：
精确加工；
c.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运算速度：
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0.1?
m、0.01?
m时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；
d.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，高的已达换刀速度：
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。
a.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，使系统控制精度：
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0.01?
m/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
2b.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采用误差补偿技术：
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%；
c.采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度通过仿真预测机床的加采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度:
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，数控机床的智能化程度在不断提高。
具体体现在以下几个方面：
a.加工过程自适应控制技术：
通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的加工过程自适应控制技术：
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；
b.加工参数的智能优化与选择：
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；
c.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智能故障自诊断与自修复技术：
现故障的快速准确定位；
d.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，对数控机床智能故障回放和故障仿真技术：
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；
3e.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智能化交流伺服驱动装置：
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；
f.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、快速数控系统：
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
a.向未来技术开放：
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；
b.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向用户特殊要求开放：
足特殊应用要求；
c.数控标准的建立：
国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准数控标准的建立：
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，混联式数控机床可以将并联机构和传统机床的串联机构的优点集于一身，是一类很有前途的数控机床。
虽然已开发了不少型式的机床，还有很多理论和技术问题有待进一步研究，为了使并联机床能够达到它的理论上的高性能，为了并联和串联结合得更科学，以使机床获得更好的综合技术指标，除了运动学、动力学等理论及方法研究之外，还应该进一步进行基础元件技术研究。
以下列举几个方面：
（1）混联式机床的方案创新设计技术混联式机床方案的创新余地很大，虽然混联机床总体方案创成方法已有研究，也已开发出不少型式的混联机床，但如何获得最佳的并联、串联组合，形成混联式机床方案创系统还有很多技术尚待进一步研究。
（2）关节技术应用了并联机构的机床，其性能之所以尚达不到理论上的高度，主要原因是由于关节而产生的。
（3）主电动机及电主轴目前混联或并联机床的主轴大多安装在动平台上，或者用交流伺服主电动机驱动，或者直接用电主轴。
（4）高精度检测元件并联机构的采用，将带来众多的被动关节。
3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。
4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
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