1、 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 数控机床的发展与趋势 摘 要（中外文） 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（ PL
2、C）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 ma
3、nufacture, 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
4、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 programmabl
5、e 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 proc
6、ess, has referred colleagues 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
7、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 6 3.国产数控机床的发展现状 8 3.1 国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 8 3.2 国产数控机床存在的问题 9 3.3 核心技术严重缺乏 9 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 10 3.6 缺乏先进的管理机制 10 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 11 4.3 复合化与系统化 11 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
8、数控系统向软数控方向发展 12 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 13 4.4.5 数控系统向高可靠性方向发展 13 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 14 5. CNC 装置的工作原理 14 5.1 输入 14 5.2 译码 14 5.3 插补 15 5.4 进给速度处理 15 5.5 刀具补偿 15 5.6 位置控制 15 5.7 显示 15 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 16 6.2 位置控制
9、部分包括位置控制单元和速度控制单元 17 7.新型功能部件 17 8.结束语 17 致谢 18 参考文献 19 34 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
10、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
11、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
12、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34 术得到利用与开发，同时在实践技能上
13、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 )
14、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：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 )； 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
15、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
16、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。 34 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
17、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
18、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
19、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
20、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34 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
21、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
22、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
23、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34 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
24、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： 采用高性能主轴及主传动部件。 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。 具有完善的刀具自动交换和 管理系统。 机床本身具有很高的动、静刚度。 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
25、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 TW4L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(
26、)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
27、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，34 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
28、，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
29、、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。 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。 FMCC， FMSS web bad 即 d制造及无图纸制造技术。 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。 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。 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
