1、 网络教育学院本 科 生 毕 业 大 作 业题 目：浅析数控机床的发展进程及趋势 学习中心： 陕西 层 次： 专科起点本科专 业： 机械设计制造及其自动化年 级： 2011 年 春 季 学 号： 学 生： 指导教师： 王沙沙 完成日期：2013 年 01 月 22 日浅析数控机床的发展进程及趋势I内容摘要本文以数控机床为研究对象，首先阐述了数控机床的发展历程，尤其对其进给伺服系统和机械传动系统的发展过程进行了详细描述，接下来对我国数控机床的发展现状与发展趋势进行了介绍，并分析了其存在的问题，最后提出了针对我国数控机床的发展策略。关键词：数控机床；进给伺服系统；机床加工程序浅析数控机床的发展进程
2、及趋势II目 录内容摘要 .I前 言 .11 数控机床的发展进程 .21.1 进给伺服系统 .31.1.1.按用途和功能分 .31.1.2.按使用的执行元件分 .31.1.3.按控制原理分 .41.2 机械传动系统 .51.3 数控机床的加工程序 .61.3.1 数控程序编制的基本流程 .71.3.2. 数控程序编制的方法 .72 数控机床现行技术分析 .82.1 数控系统体系结构 .82.1.1基于 PC 的体系结构生命力旺盛 .82.1.2采用多 CPU 结构是高档数控系统的必然 .82.1.3 总线结构是数控系统实现高速的保证 .92.2 高性能运动控制技术 .92.3 五轴加工技术 .
3、92.3.1RTCP 功能 .92.3.2 倾斜面加工 .102.4CADCAM 集成技术 .102.4.1对话式编程 .102.4.23D 防碰 .102.4.3多通道协同控制 .102.5 图形化界面功能和水平进一步提高 .112.6 在线测量功能集成 .113 数控机床发展中所存在的问题 .12浅析数控机床的发展进程及趋势III3.1 对我国数控技术及其产业发展的基本估量 .123.2 对我国数控技术和产业化发展的思考 .133.3 数控机床发展主要制约因素 .134 数控机床的发展策略 .154.1 以高速化为先导，提高数控机床的综合性能 .154.2 推进 m 工程，研制高效精密数控
4、机床 .154.3 发展复合加工数控机床、缩短制造过程链 .154.4 高效柔性化的新一代制造系统 .164.5 发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化 .164.6 开展可靠性设计，加强全面质量管理，保证数控机床的可靠性增长 .164.7 提高技术人员的综合素质 .17参考文献 .18浅析数控机床的发展进程及趋势1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
5、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 1。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。浅析数控机床的发展进程及趋势21 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（Numerical Control）和计算机数控 CNC（Computer Numerical Control）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 5
6、0 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
7、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。浅析数控机床的发展进程及趋势31.1 进给伺服系统数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测
8、反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。 1.1.1.按用途和功能分(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。 进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。 (2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。 1.1.2.按使用的执行元件分 （1）电液伺服系统 其伺
9、服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。 （2）电气伺服系统 其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高。其中， 1）直流伺服系统 其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点是结构简单、
10、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。浅析数控机床的发展进程及趋势41.1.3.按控制原理分 （1）开环伺服系统 系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。 开环伺服系统的特点： 1. 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 2. 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。 3. 结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数
11、控机床。（2）闭环伺服系统 系统中有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测；能得到更高的速度、精度和驱动功率。 闭环伺服系统的特点： 1. 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。从理论上讲，机床运动精度只取决于检测装置的精度，与传动链误差无关。但实际对传动链和机床结构仍有严格要求。 2. 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。 （3）半闭环伺
12、服系统 系统的位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。 半闭环伺服系统的特点： 1. 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 浅析数控机床的发展进程及趋势52. 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除, 因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 3. 由于半闭环伺服系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代 CNC机床中得到了广泛应用。1.2 机械传动系统通常来说，用于步进、伺服电机驱动的机械传动机构，一般
13、有以下几类：机构 特点滚珠丝杠(直接连接)用于距离较短的高精度定位。电机和滚珠丝杠只用联轴节连接，没有间隙。滚珠丝杠(减速)选择减速比，可加大向机械系统传递的转矩。由于产生齿轮侧隙，需要采取补偿措施。齿条和小齿轮用于距离较长的(台车驱动等)定位。小齿轮转动一圈包含了 值，因此需要修正。同步皮带(传送带)与链条比较，形态上的自由度变大。主要用于轻载。皮带轮转动一圈的移动量中包含 值，因此需要修正。浅析数控机床的发展进程及趋势6链条驱动多用于输送线上。必须考虑链条本身的伸长并采取相应的措施。在减速比比较大的状态下使用，机械系统的移动速度小。进料辊将板带上的材料夹入辊间送出。由于未严密确定辊子直径，在尺寸长的物件上将产生误差，需进行 补偿。如果急剧加速，将产生打滑，送出量不足。转盘分度转盘的惯性矩大，需要设定足够的减速比。转盘的转速低，多使用蜗轮蜗杆。主轴驱动在卷绕线材时，由于惯性矩大，需要设定够的减速比。在等圆周速度控制中，必须把周边机械考虑进来研究。1.3 数控机床的加工程序通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面 、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔以及铰孔等工作。车
