數控機床及其發(fā)展及趨勢

1、 數控機床及其發(fā)展與趨勢 姓 名：鄧星淋 班 級：12806學 號：專業(yè)名稱：數控技術與應用 指導老師：余俊畢業(yè)學校：成都理工大學 2015年2月25日 數控機床及其發(fā)展與趨勢 摘要 數控機床集計算機技術，電子技術，自動控制技術，傳感測量，機械制造，是典型的機電一體化產品。它的發(fā)展和應用開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產方式，產業(yè)結構，管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。本文主要講述了數控機床國內外的發(fā)展概況，現代數控技術的發(fā)展趨勢。介紹了數控機床的特點，組成與分類。 關鍵詞：數控機床 發(fā)展 趨勢 組成 分類 概述 結構 目 錄前言 . 1 數控機床概述 . 1.1數控機床的起

2、源 . 1.2 數控機床的發(fā)展 . 1.3 數控機床的工作原理及組成 . 1.4 數控機床的復合化 . 2 國產機床的發(fā)展現狀 .2.1國產機床與國際先進技術的差距在減小.2.2 國產機床的核心技術始終嚴重缺乏.3 國內數控機床的發(fā)展趨勢 .3.1 智能、高速、高精度化.3.2 設計、制造綠色化 .3.3 復合化與系統(tǒng)化 . 前言 從20世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件

3、、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 裝備工業(yè)的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度，數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產”。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是當今先進制造

4、技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1 數控機床概述1.11.2數控機床的起源和發(fā)展 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動

5、的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。 6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.1、數控（NC）階段（19521970年） 早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路搭成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，即1952年的第一代-電子管；1959年的第二代-晶體管；1965年的

6、第三代-小規(guī)模集成電路。 1.2、計算機數控（CNC）階段（1970年現在） 到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數控（CNC）階段（把計算機前面應有的通用兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件-運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 到1974年微處理器被應用于數控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理

7、器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。 到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數控系統(tǒng)核心部件的要求。數控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。 總之，計算機數控階段也經歷了三代。即1970年的第四代-小型計算機；1974年的第五代-微處理器和1990年的第六代-基于PC（國外稱為PC-BASED）。 還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數控（NC）。所以我們日常講的數控，實質上已是指計算

8、機數控了。1.3 數控機床的工作原理及組成 數控機床工作原理和結構簡介 隨著科學技術的發(fā)展，機電產品日趨精密復雜。產品的精度要求越來越高、更新換代的周期也越來越短，從而促進了現代制造業(yè)的發(fā)展。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，用普通機床進行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產要求，從而一種新型的用數字程序控制的機床應運而生。這種機床是一種綜合運用了計算機技術、自動控制、精密測量和機械設計等新技術的機電一體化典型產品。數控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數控系統(tǒng)）的自動化機床。該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令（刀具移動軌跡信息）規(guī)定的程序。具體地講，把數字化

9、了的刀具移動軌跡的信息輸入到數控裝置，經過譯碼、運算，從而實現控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件的機床，即為數控機床。 1. 數控機床工作原理 按照零件加工的技術要求和工藝要求，編寫零件的加工程序，然后將加工程序輸入到數控裝置，通過數控裝置控制機床的主軸運動、進給運動、更換刀具，以及工件的夾緊與松開，冷卻、潤滑泵的開與關，使刀具、工件和其它輔助裝置嚴格按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。 2. 數控機床結構 數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體四個部分組成。數控機床的加工過程 1）控制介質 控制介質以指令的形式記載各種加工信息，如零

10、件加工的工藝過程、工藝參數和刀具運動等，將這些信息輸入到數控裝置，控制數控機床對零件切削加工。 2）數控裝置 數控裝置是數控機床的核心，其功能是接受輸入的加工信息，經過數控裝置的系統(tǒng)軟件和邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應的脈沖，并通過伺服系統(tǒng)控制機床運動部件按加工程序指令運動。 3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服電機和伺服驅動裝置組成，通常所說數控系統(tǒng)是指數控裝置與伺服系統(tǒng)的集成，因此說伺服系統(tǒng)是數控系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)。數控裝置發(fā)出的速度和位移指令控制執(zhí)行部件按進給速度和進給方向位移。每個進給運動的執(zhí)行部件都配備一套伺服系統(tǒng)，有的伺服系統(tǒng)還有位置測量裝置，直接或間接測量執(zhí)行部件的實際

11、位移量，并反饋給數控裝置，對加工的誤差進行補償。 4）機床本體 數控機床的本體與普通機床基本類似，不同之處是數控機床結構簡單、剛性好，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠代替普通機床的絲杠和齒條傳動，主軸變速系統(tǒng)簡化了齒輪箱，普遍采用變頻調速和伺服控制。1.4 數控機床的復合化 功能復合化 復合機床的含義是指在一臺機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合加工中心、車銑復合車削中心、銑鏜鉆車復合復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助

12、時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。2 國產機床的發(fā)展現狀2.1 國產機床與國際先進技術的差距在減小 1）標準 看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機床的重復定位精度如果能達到0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法),就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。談到數控機床的“精度”時，務必要弄清標準、指標的定義及計算方法。日本機床生產商標定“

13、精度”時，通常采用JISB6201或JISB6336或JISB6338標準。JISB6201一般用于通用機床和普通數控機床，JISB6336一般用于加工中心，JISB6338則一般用于立式加工中心。上述三種標準在定義位置精度時基本相同，文中僅以JIS B6336作為例子，因為一方面該標準較新，另一方面相對于其它兩種標準來說，它要稍稍精確一些。歐洲機床生產商，特別是德國廠家，一般采用VDI/DGQ3441標準。美國機床生產商通常采用NMTBA(National Machine Tool Builders Assn)標準(該標準源于美國機床制造協會的一項研究，頒布于1968年，后經修改)。上面所提

14、到的這些標準，都與ISO標準相關聯。加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度為例對比國內外的水平，國內大致為0.0080.010mm，而國際先進水平為0.0020.003mm.我國機床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏，但對數控技術和數控機床一直給予較大的關注，已具有較強的市場競爭力。但在中、高檔數控機床方面，與國外一些先進產品與技術發(fā)展，仍存在較大差距，大部分處于技術跟蹤階段.超精密加工目前是指尺寸和位置精度為0.010.3m，形狀和輪廓精度為0.0030.1m，表面粗糙度鋼件Ra0.05m、銅件Ra0.01m。國內研制的超精密數控車床、數控銑床已投入生產使用。當前在品種上需發(fā)展超精密磨床和超精密復合加工機

15、床，同時要進一步提升超精密主軸單元、超精密導軌副單元、超精密平穩(wěn)驅動系統(tǒng)、超精密輪廓控制技術及納米級分辨率數控系統(tǒng)的性能并加快其工程化。超精密機床主要用于解決國內高新技術和國防關鍵產品的超精密加工，雖然需求量不很大，但它是一項受國外技術封鎖的敏感技術。另一方面，超精密加工技術的深化研究，它的成果的下延將有助于需要量大的加工精度在亞微米級的高精密機床的研發(fā)和產業(yè)化。 2）國產機床的進步 近兩年，我國重型數控機床發(fā)展最快，如重型數控龍門鏜銑床，重型落地鏜銑床，重型立、臥式車床等的年產量和市場消費量已居世界第一。重型機床發(fā)展之快速是我國電力、船舶、石化和礦山等重型設備制造大量需求直接拉動的反映。一批

16、新產品如數控雙龍門鏜銑床、龍門車銑復合加工機床、動梁可交換工作臺可換銑頭五面體龍門加工中心等研制成功；關鍵技術，如靜壓導軌和靜壓軸承技術、同步控制和運動補償技術、五軸聯動技術、大功率雙擺角銑頭和重型回轉工作臺的技術攻關相繼突破，標志著我國重型機床發(fā)展達到新的高度。 北京第一機床廠開始制造國內單機產值最大（8700萬元/臺）的超重型數控龍門鏜銑床，目前一批世界之最的超重型機床陸續(xù)投入研制，將引導我國進入世界重型機床制造強國之列。 武漢重型機床集團制成XKD型超重型數控雙龍門鏜銑床，并投入自用。該機床為雙龍門移動式，4銑頭，龍門寬度6.8m,加工長度57m.雙龍門移動式4銑頭結構屬于國內首創(chuàng)。 齊

17、重數控裝備有限公司試制成功BVDM3155MC型立式銑鉆中心，該機床采用雙柱龍門框架結構，雙刀架雙24刀庫，中心主軸出水功能，轉速達到5000r/min,靜壓導軌回轉工作臺C軸功能，工作臺直徑3150mm,定位精度5，最大加工直徑3150mm,工件重20t,該機床用于大型風電軸承加工，填補國內空白。 齊齊哈爾二機床集團公司試制成功XK2127型五軸數控動梁龍門鏜銑床。該機床采用長跨距重載滾珠絲杠及輔助裝置，全自動附件交換裝置，主軸浮動夾刀裝置，橫梁液壓比例平衡等新技術，工作臺8000mm3000mm,主軸轉速52000r/min,伺服電動機功率24kW,可實現多軸控制，五軸聯動。 沈陽機床（集

18、團）有限責任公司研制成功GMC2060u橋式龍門五軸加工中心。機床在X向雙向驅動的同步控制及調整技術、五坐標聯動誤差補償技術、機床總體結構和拓撲優(yōu)化有所突破，在高速、高精度和高剛度方面有所進展。機床參數：XYZ:6300mm2500mm1000mm;主軸轉速24024000r/min,快速移動30m/min,A軸 95110，C軸360。該機床在軍工業(yè)廣泛應用。 大連機床集團有限責任公司制成VX3260動梁可交換工作臺可換頭五面體龍門加工中心，工作臺長200012000mm,寬16003000mm,承重30t,XYZ:7600mm4700mm1000mm,采用滾動直線導軌、電主軸和數控雙擺角銑

19、頭。機床在關鍵技術設計制造上有新突破。 秦川機床集團公司2008年開發(fā)出VTM260型龍門式銑車復合加工中心，機床具有七軸五聯動功能，復合化程度較高，可一次裝夾實現車、銑鏜、鉆、攻螺紋和車螺紋等功能。工作臺直徑2600mm,最大車削直徑3600mm,車削主電動機功率90kW,工作臺車轉速1100r/min,工作臺銑轉速02r/min,銑軸電動機功率37kW,主軸轉速1500r/min,C軸定位精度20。 3）國產機床與國際先進水平的差距 盡管我國重型機床行業(yè)在最近幾年來有了長足進步，取得可喜的發(fā)展。但是絕大部分中、高檔重型數控機床還是依靠進口，其中德國和意大利的產品較多，它們代表著世界先進水平

20、。國內產品與國外產品在結構上的差別并不大，采用的新技術也相差無幾，但在先進技術應用和制造工藝水平上與世界先進國家還有一定差距。新產品開發(fā)能力和制造周期還滿足不了國內用戶需要，零部件制造精度和整機精度保持性、可靠性尚需很大提高，尤其是在與重型機床配套的數控系統(tǒng)、功能部件，如刀庫、機械手和兩坐標銑頭等部件，還需要境外廠家配套滿足。國內重型機床制造企業(yè)的制造能力很強，但大而不精，其主要原因還是加工設備落后，數控化率很低，尤其是缺乏高精水平的加工設備。同時，國內企業(yè)普遍存在自主創(chuàng)新能力不足，因為重型機床單件小批量的市場需求特點，決定了對技術創(chuàng)新的要求更高。國內重型數控機床產品與發(fā)達國家著名企業(yè)相比仍存

21、在一定差距，產品水平的差距主要體現在：（1）主軸轉速國外先進水平已發(fā)展到最高達30004000r/min,而國內主要徘徊在8001500r/min. （2）快速進給國外先進水平達2000030000mm/min,而國內主要在600010000mm/min. （3）精度國外先進水平定位精度0.015/1000mm,重復定位精度0.0030.007mm;國內產品定位精度0.025/1000mm,重復定位精度0.010.015mm. （4）其他機床的可靠性、精度的穩(wěn)定性、復合多功能、柔性化、智能化方面不如國外廠家，外觀質量也有明顯的差距。 國內廠家盡管技術略遜于國外先進水平，但在制造能力和價格上有很

22、大的優(yōu)勢，尤其是超重型機床已達到當代國際先進水平。我們相信，我國重型機床制造隨著科技進步與艱苦奮斗的努力，一定會也正在逐步縮小與世界先進水平的差距。2.2 國產機床的核心技術始終嚴重缺乏數控機床的核心是：1.制造精度；2.自動化程度；主要是這兩點，目前我國的數控機床設備只有華中數控和廣數及沈數比較好點，其它的廠家都受制造技術難題的困擾；（數控系統(tǒng)多為日本法蘭克和西門子居多）在制造精度上更無法與歐美國家相比，有些國家把高精密的數控機床列為國家級戰(zhàn)略設備，封鎖對我國的技術輸出。有些雖然賣給我們可拆卸（哪怕移動位置）機床類都有密碼自鎖功能，使我們根本無法使用。 國產機床不管是制造精度還是自動化程度都

23、沒有國際先進水平那么好，甚至差很多。所以國產機床的核心技術始終嚴重缺乏。 3 國內數控機床的發(fā)展趨勢 3.1智能、高速、高精度化新一代數控機床為提高生產效率，向超高速方向發(fā)展，采用新型功能部件(如電主軸、直線電機、LM直線滾動系統(tǒng)等)主軸轉速達15,000r/min以上。計算機技術及其軟件控制技術在機床產品技術中占的比重越來越大，計算機系統(tǒng)及其應用軟件的復雜化，帶來了機床系統(tǒng)及其硬件結構的簡化，數控機床的智能化程度日趨提高。一臺機床的重復定位精度如果能達到0.005mm(ISO標準、統(tǒng)計法)，就是一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標準、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床。高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。隨著電腦輔助制造(CAM)系統(tǒng)的發(fā)展，精密度已達到微米級。3.2設計、制造綠色化綠色設計是一種綜合考慮了產品設計