1、深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 1 页共 10 页数控机床工作原理组成和发展趋势及维护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。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。关键字：发展趋势 组成 维护前 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深圳职业技术学院毕业论文/设
2、计用纸第 2 页共 10 页性的变化。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
3、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、智能化、开放化、网络化、 、等发展趋势。（略）深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 3 页共 10 页2、数控机床的概要(一）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
4、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
5、，数控机床的出现恰恰满足了这些要求。1948 年美国帕森斯(Pns)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
6、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。 深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 4 页共 10 页（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
7、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
8、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
9、控机床发展过程大致可分为三大阶段：19581979 年为第一阶段， 】9791989 年为第二阶段 t 从 1989 年至今为第深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 5 页共 10 页三阶段。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 6070 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
10、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(1APPCAM 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。（3）数控机床的种类（1）按数控机床运动轨迹分类数控机床运动轨迹主要有三种形式：点位控制运动、直线控制运动和连续控
11、制运动。（2）按进给伺服系统控制方式分类由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。（四）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。常用深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 6 页共 10 页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
12、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
13、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
14、，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、润骨装置深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 7 页共 10 页的启停，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：采用高性能主轴及主传动部件。进给传动
15、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四、数控机床的发展趋势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)开放式为适应数控进线、联网、普及型个性化、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
16、划等。（2）基于 PC 的第六代方向基于 PC 所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（3）高速化、高效化深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 8 页共 10 页机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年
17、代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000100000r/min） 、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度 60120m/min，切削进给速度高达 60m/min） 、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的
18、高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。（4）高精度化精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工） ，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10nm） ，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣） 、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等） 。随着现代科学技术的发展，对超精密加
19、工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近 10 多年来，普深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 9 页共 10 页通级数控机床的加工精度已由10m 提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到11.5m。（5）高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工
20、作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3000 小时。MTBF 大于 3000 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，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 10：1 的话（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 10 万小时。（6）智能化随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中
21、的各个方面。应用自适应控制技术引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家系统智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。五结束语深圳职业技术学院毕业论文/设计用纸第 10 页共 10 页本文立足企业的实际情况结合目前国际上先进制造技术的发展。将实际数控机床的设计、制造、应用和虚拟设计
22、制造相结合。提出了数控机床的发展趋势。在整个设计中，结合机床的设计过程和应用状况，力图和实际相结合，为机床行业的发展提供一种思路和方法。致谢:非常珍惜三年来在深圳深圳职业技术学院的学习，感谢授课老师们四年来精心讲解，深圳职业技术学院认真负责的教学，齐全的实验设备，使我在数控技术方面有了很大的进步。在老师的指教下将所学的知识应用于实际工作中，解决了很多难题。同时感谢各位老师专家对本文的批评指正。在撰写本文的过程中，得到深圳职业技术学院老师的指教，并对本文的修改提出了宝贵的意见，谨此表示衷心感谢。参考文献：1.董淳. 数控系统技术发展的新趋势J. 可编程控制器与工厂自动化. 2006.2.唐怀斌.工业控制的进展与趋势J. 自动化与仪器仪表,1996.3.马国华 监控组态软件及其应用M. 北京：清华大学出版社，2001.34.陈洪涛主编. 数控加工工艺与编程. 北京：高等教育出版社，2003.95.刘跃南主编. 机床计算机数控及其应用. 北京：机械工业出版社，2001.66.刘雄伟主编. 数控机床操作与编程培训教程. 北京：机械工业出版社，2001.57.贾凡龙主编. 数控机床.昆明：云南科技出出版社，2013.8
