1、1机电一体化毕业论文2摘要“机电一体化”，顾名思义，这是一门机械专业知识与微型电子电路相结合的综合性学科。从改革开放之初国内多所专业学府开中国之先河，设立了“机械一体化”专科，从事专业的研究与教授活动，取得了不菲的成绩，为我国的工业现代化、自动化做出了卓越的贡献。工业领域的数控系统属于机电工业的基础，也是目前所能够达到的比较先进的前沿科学，通过超大型集成电路与中央处理器的有效工作，控制机械设备精准、高效的工作，有效的解放劳动力、提高工业产品的质量与品质。关键词：机电一体化 数控系统 微电子技术3目录绪论 -4第一章 当代先进数控技术发展的特点-5一、广泛应用地微机资源-5二、小型化以满足机电一
2、体化的要求-5三、改善的人机接口，简单方便的用户使用界面-6四、提高数控系统产品的成套性-6五、研究开发智能型数控系统-7六、根据市场需要，开发适销对路的数控产品-8七、开发新的数控产品-8第 二 章 国 产 机 床 数 控 技 术 的 现 状 -9一、高档数控机床的国内供应能力不足-9二、自主创新能力不足-9三、产品质量、可靠性及服务等能力不强-10四、功能部件发展滞后-10结论-11致谢-12参考文献-134绪论数控技术是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床。从 1952 年第一台数控机床在美问
3、世，至今已有 40 多年的历史，计算机数控（CNC）从 70 年代中期出现，到现在也已有 20 多年了，数控技术日趋成熟。特别近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与 CNC 技术的紧密结合，使得开发和生产 CNC 系统的技术被越来越多的自动化装备生产厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，CNC 技术已经不再被少数几个国家的几个 CNC 系统生产厂所垄断。到 80 年代末，几乎每个工业发达的国家都有了自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售数控系统。因此，CNC 系统生产商之
4、间的竞争最为激烈，数控技术的发展进入了新的阶段。本文通过对当代国际先进数控机床系统在市场上占有的优势，与国内拥有自主知识产权的数控机床系统的发展现状的对比，阐述和分析两者在市场中各自的不足，并尝试从中可以找到切实可行的解决之道。5第一章 先进机床数控技术的现状一、广泛应用地微机资源近年来被称为个计算机（PC）的微型计算机发展很快，大规模集成电路制造技术的高速发速，使得 PC 的硬件结构做得很小。主 CPU 的运行速度越来越高。IPC386 的主频是 33MHz，IPC486、586 的主频可达 50120MHz，新近 Intel 奔腾处理器（Pentium），主频已经高达 43.0GHz。存储
5、器容量理论上已经达到无穷大，整机重量、外形体积相比上个世纪的同类产品更加轻巧。由于实现了大批量生产，制造成本直线下降，同时高精准的 SMT 制造技术大幅度提高设备稳定性与可靠性。在软件方面，操作系统的发展，特别是 Windows 的应用，使得 PC 的操作更为简便直观。CAD/CAM 的软件大量地由小型机、工作站向 PC 移植，三维图形显示技术及工艺数据库在 PC 上建立。再加上 PC 的开放性，吸引大量技术人员投入了软件的开发，使得 PC 的软件资源极为丰富。因此，更好地利用 PC 的软、硬件资源，就成为各国数控设备生产厂发展CNC 系统十分重要的一种方法。19921993 年，首先是在美国
6、及欧洲的一些小型的数控设备厂推出，例如美国的 ANILAN 公司推出的 1100、1200、1400 系列，意大利 FIDIA 公司的 10/20/30 系列，都采用了 PC 作为基板来开发自己的数控系统。现在连日本 FANUC、三菱公司，德国的 SIEMENS 公司些以生产专用 CNC设备著称的公司，也都把采用 PC 资源，作为其发展的一个重要方向。他们都强调自己系统的“开放”。日本 FANUC 公司把采用 PC 的 CNC 系统称之为开放型CNC 系统，有 150、160、180 及 210 等系列，并正发展一种将 FANUC 智能终端（一种与 IBM PC 兼容的平板式计算机）通过高速光
7、缆与 CNC 装置连接的模式。二、小型化以满足机电一体化的要求随着微电子技术的发展，大规模集成电路的集成度越来越高，体积越来越小。数控设备厂采用超大规模集成电路并采用表面安装工艺（SMT），实现了三维立体装配，将整个 CNC 装置做得很小，以适应机械制造业机电一体化的要求。6日本三菱电机株式会社，最近推出的普及型 CNC MELDAS 50 系列及实用型CNC MELDAS 520A 系列，这两个系列都采用了 32 位 RISC 微处理器，实现超小型化的 CNC 装置，较原来的 M310 及 L3、L3A，体积大为减小（H168mmW76mmD135mm），安装面积减小了一半，功能还有所提高。
8、采用了超薄型显示器（9.5in 的 EL 及 10.4in 的彩色 LCD）。这个系统的微小线段加工能力提升至 64m/min，最大快速进给速度为 240m/min，其同步攻螺纹精度较M310 提高了 3 倍，主轴定位时间缩短了 30%。德国 SIEMENS 公司最新推出的SINUMERIK 840D 主控组件选用 386DX 或 486DX，具有 14 个通道，可实现直线及圆弧插补、螺旋线插补、5 轴螺旋线插补及样条插补、圆柱插补等，共可控制 32 个轴，并有多种校正及补偿功能，体积仅为 50mm316mm207mm。三、改善的人机接口，简单方便的用户使用界面为了使操作者能很容易地掌握数控机
9、床的操作，数控设备生产厂努力地改善人机接口，简化编程，尽量采用对话方式，使用户使用方便，如西班牙FAGOR 公司生产的 FAGOR 8050 系列，采用交互式编辑程序指导系统，简化程序的编辑，用简要的表格编辑程序，利用蓝图建立程序。其 8050TC 型数控系统，被称为高档傻瓜式数控系统（FAGOR800 系列 CNC 系统），其操作面板使用了符号键，用户可以根据所需加工零件，选择加工程序，输入图形数据后，即可实现半自动或全自动加工。如果面板上的各种自动操作都没有被选上，则该 CNC系统只显示坐标轴的位置值和主轴转速，操作者可以用摇柄或电子手轮对机床的各个轴进行手动操作，使用极为方便。四、提高数
10、控系统产品的成套性数控系统包括 CNC 装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关的。为了满足机床用户厂的需要，数控设备生产厂都非常重视数控产品的成套性，使系统的各个环节都能很好地匹配，使用户获得最好的使用效果。7例如，日本 FANUC 公司开发了经济型的 O-TD、O-MD CNC 装置，与之相适应也开发了经济型的 C 系列的效流伺服电动机及控制系统。日本大隈（OKUMA）公司，是一个传统的机床厂，现在也开发、生产并销售数控系统，作为一个机床厂生产数控系统，所以更重视机电一体化及产品成套性。该公司生产
11、数控系统在软件上更结合机械加工的工艺要求，硬件上还自行开发了绝对位置编码器、无刷伺服电动机、交流主轴电动机、光栅尺等元件，同时还提供机床控制面板及控制柜、自动编程装置，为用户提供交钥匙工程。五、研究开发智能型数控系统所谓智能型的数控系统，早在 80 年代初期已经开始研究。当时 FANUC 公司推出的 FS15 系列，就称之为 AI（人工智能）CNC 系统，主要是在故障诊断方面采用了专家系统。系统利用所谓的推理软件，根据存储在系统中的知识库的经验，分析及查找故障原因。最近 FANUC 公司又在开展被称为面向 21 世纪的课题IMS（Intelligent Manufacturing System
12、s），将无缝地（Seamless）把世界范围熟练工人的技术窍门（Know how）组合进生产系统中去。随着工业技术发展，要求制造过程更快、更容易，以适应生产需要，一种被称为智能闭环加工（Intelligent Closed-Loop Processes ICLP）技术被采用。这种技术是利用传感器获得适时的信息，以增强制造者取得最佳产品的能力。下图为智能闭环加工模型。智能闭环加工模型（图片载自：机床数控系统的发展趋势 ）8六、根据市场需要，开发用户需要的数控产品高新技术是数控系统发展的一个方向，另一方面开发适销对路的数控产品也是适应市场发展的需要。我国是发展中国家，经济型数控系统在我国有着广阔的
13、市场。因此，开发性能优良、价钱便宜的数控系统，满足我国市场需要是很有意义的。目前，我国的经济型数控机床每年需要量约为 800010000 台。虽然有几十个厂家在生产，价格也很便宜，但是多年来技术发展不快，性能及可靠性方面还存在一些问题，不能满足市场的需求。德国 SIEMENS 公司在我国建立的合资企业西门子数控（南京）有限公司，在 1997 年推出了 SINUMERIK 802S。这种系统除采用 G 代码编程外，还有图形循环支持功能，通过软件键来进行转换。采用 15.24cm（6in）彩色液晶显示，并采用两台步进电动机作为驱动单元，驱动力矩为 3.512N.m，价格在 3 万元左右。这是西门子
14、公司为占领中国市场所做的努力。七、开发全新概念的数控产品随着机械加工技术的发展，对数控机床的性能要求越来越高，迫切地需要开发一些新的机电一体化数控产品来适应及满足这些要求。例如，铝合金材料的大量采用，要求进行高速切削，以实现高的精度及低的表面粗糙度的要求，数控车床及加工中心主轴转速要求提高到1000020000r/min，这对采用传统的机械传动是很难实现的。因此，将电动机的电枢直接与机床的主轴做成一体的“电动主轴”，就成为生产中急需的产品。目前，日本的 FANUC 公司、NSK 公司，瑞士的 IBAG 公司，意大利的 GANFIOR 公司都在开发生产这种新产品。同样，为了实现高速移动，要求开发
15、“直线电动机”，用以直接带动工作台直线运动。日本 FANUC 公司生产的直线电动机，移动速度可以达到100m/min。日本的 THK 公司，德国的 INDRAMAT 公司、SIEMENS 公司都在开发及生产这类产品。9第 二 章 国 产 机 床 数 控 技 术 的 现 状长 期 以 来 ， 国 产 机 床 数 控 技 术 始 终 处 于 低 档 迅 速 膨 胀 ， 中 档 进 展 缓 慢 ，高 档 依 靠 进 口 的 局 面 ， 特 别 是 国 家 重 点 工 程 需 要 的 关 键 设 备 主 要 依 靠 进 口 ，技 术 受 制 于 人 。 究 其 原 因 ， 国 内 本 土 机 床 数
16、控 系 统 开 发 企 业 大 多 处 于 “粗放 型 ”阶 段 ， 在 产 品 设 计 水 平 、 质 量 、 精 度 、 性 能 等 方 面 与 国 外 先 进 水 平 相比 落 后 了 5-10 年 ； 在 高 、 精 、 尖 技 术 方 面 的 差 距 则 达 到 了 10-15 年 。 同时 中 国 在 应 用 技 术 及 技 术 集 成 方 面 的 能 力 也 还 比 较 低 ， 相 关 的 技 术 规 范 和 标准 的 研 究 制 定 相 对 滞 后 ， 国 产 的 机 床 数 控 系 统 还 没 有 形 成 品 牌 效 应 。 同 时 ，中 国 的 机 床 数 控 产 业 目
17、前 还 缺 少 完 善 的 技 术 培 训 、 服 务 网 络 等 支 撑 体 系 ， 市场 营 销 能 力 和 经 营 管 理 水 平 也 不 高 。 更 重 要 原 因 是 缺 乏 自 主 创 新 能 力 ， 完 全拥 有 自 主 知 识 产 权 的 数 控 系 统 少 之 又 少 ， 制 约 了 数 控 机 床 产 业 的 发 展 。 国 外 公 司 在 中 国 数 控 系 统 销 量 中 的 80 以 上 是 普 及 型 数 控 系 统 。 如 果我 们 能 在 普 及 型 数 控 系 统 产 品 快 速 产 业 化 上 取 得 突 破 ， 中 国 数 控 系 统 产 业 就有 望 从
18、 根 本 上 实 现 战 略 反 击 。 同 时 ， 还 要 建 立 起 比 较 完 备 的 高 档 数 控 系 统 的自 主 创 新 体 系 ， 提 高 中 国 的 自 主 设 计 、 开 发 和 成 套 生 产 能 力 ， 创 建 国 产 自 主品 牌 产 品 ， 提 高 中 国 高 档 数 控 系 统 总 体 技 术 水 平 。一、高档数控机床的国内供应能力不足尽管我国数控行业近年来取得了长足的发展，机床数控化率稳步提高，但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。目前，国内对数控中高档机床的需求量逐渐超过低档手工操作机床。但国产数控机床以低档为主，高档数控机床绝大部分依赖进口。 二、自主
19、创新能力不足长期以来，我国机床制造业的基础、共性技术研究工作主要在行业性的研究院所进行。能力薄弱，技术创新投入不足，引进消化吸收能力差，低水平生10产能力过剩，自主创新能力不高，缺乏优秀技术人才。虽然国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对基础共性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，企业的市场响应速度慢。 三、产品质量、可靠性及服务等能力不强国产机床数控系统在稳定性、通用性、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。在质量方面，国产数控系统的可靠性指标 MTBF 与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、加工中心的 MTBF 与国
20、际上先进水平也有较大差距。在交货期方面，绝大多数企业由于任务重拖期交货。服务体系不健全，在市场开拓、成套技术服务、快速反应能力等方面不能满足市场快节奏和个性化的要求。 四、功能部件发展滞后机床是由各种功能部件（主轴单元及主轴头、滚珠丝杠副、回转工作台和数控伺服系统等）在床身、立柱等基础机架上集装而成的，功能部件是数控机床的重要组成部分。数控机床整体技术与数控机床功能部件的发展是相互依赖、共同发展的，所以功能部件的创新也深深地影响着数控机床的发展。我国数控机床功能部件已有一定规模，电主轴、主轴单元、数控系统等也有专门的制造厂家，其中个别产品的制造水平接近国际先进水平。但整体上，我国机床功能部件发展缓慢、品种少、产业化程度低，精度指标和性能指标的综合情况还不过硬。目前，滚珠丝杠、数控刀架、电主轴等功能部件仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高档数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件等还依赖进口。
