现代制造业与数控技术应用.docx

摘要数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到国家工业的发展和综合国力的提宓。本文首先阐述了数控技术的特点，其次，分析了数控技术在先进制造技术中的作用，同时，还对机械制造中数控技术的发展趋势提出了自己的建议和看法，具有一定的参考价值。作为一项技术含量较高的综合性技术，数控技术在机械制造发展中起到了极为关键的作用，只有喧视机械制造中数控技术的应用，才能使机械制造满足时代发展的需要.文章针对机械制造业发展现状，探讨了数控技术的应用和发展趋势，以期更好的发挥数控技术推动机械制造业发展的作用,介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控技术的发展和产业化，在此基础上讨论发展我国数控技术及装备、提向我国制造业信息化水平和国际竞争能力的四要性，并从战略和策略两个层面分析了我国数控技术发展趋势和产业化应对策略。关键词：数控：战略：现状第1章、绪论数控技术简称CNc它是利用计翼机及数字化技术控制机床.实现自动加工过程的先进制造技术。数控机床Ur以加工复杂零件，而且精度高、生产率高、产品品质稳定、降低工人劳动强度。数控技术现已普及，并且有广阔的发展前景。数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计第机，包括计算机数字控制系统的基础.数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计即机数控技术，目前它是采用计兑机实现数字程序控制的技术。这种技术川计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采川计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装宜，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(TT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装缶的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以卜几个方面：1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、品质是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的品质和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先进技术研究会将共列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会(C1.RP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40S胸，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一：在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工.近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的钾钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可养性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精度和高柔性的饕求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80mmin,甚至更高，空运行速度可达100Wmin左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分苗代组合机床。美国C1.NC1.NNAT1.公M的HyPerMaCh机床进给速度最大达60mmin,快速为100nImin,加速度达2g,主轴转速已达60000rmin“加工一薄壁K机厚件，只用30min,而同样的零件在一般高速铳床加工需3h,在普通院床加工需8h:德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*1000rmin和1g,在加工精度方面，近K）年来，普通级数控机床的加工精度已由10Hm提高到5m.精密级加工中心则从35um,提高到1.1.5m,并且超精密加工精度已开始进入纳米级SO1.m）在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达600Oh以上，伺服系统的MTBF值达到30OOOh以上，表现出非常高的可靠性.为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、电畿电动机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.2 五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5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，不仅粗梯度高，而且效率也大幅度提高.一般认为,1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是使用立方氮化硼等超馒材料铳刀进行高速铳削淬硬钢零件时，5轴联动加I：可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5釉联动数控系统、主机结构发杂等原因，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，其制造雄度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了发台主轴头类型5轴联动机床和史合加r机床（含5面加工机床）的发展.在EMo2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现1个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加J德国DMG公司展HRMUVoution系列加工中心,可在一次装夹下5面加工和五轴联动加工，可由CNC系统控制或CADjCAM直接或间接控制。13智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工品质方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运兑、自动识别负载自动选定模型'自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等：还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或.剪裁结构对象（数控功能）,形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。F1.前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置.规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研尢的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。第2章我国数控技术及其产业发展的概况2.1我国数控技术的发展历程莫定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及共配套件的基础技术，丸中大部分技术已具备进行商品化开发的基地，部分技术已商品化、产业化。初步形成了数控产业基地“在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南笫一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。2.2我国数控技术水平和产业化水平虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平仃差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。技术水平上，与国外先进水平大约落后10-15年，在高精尖技术方面则更大。产业化水平上，市场占有率低，品种前盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低：外观品质相对差：可靠性不高，商品化程度不足：国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱：数控技术应用领域拓展力度不强：相关标准规范的研究、制定滞后。2.3分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、狂杂性和长期性的特点认识不足：对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够体系方面。从技术的角度关注数控产业化问逐的时候多，从系统的、产业链的珀度综合考虑数控产业化问题的时候少：没有建立完整的高品质的配套体系、完善的培训、服务网络等支掾体系。机制方面。不良机制造成人才流失，乂制约了技术及技术路线创新、产品创新，II制约了规划的仃效实施.往往规划理想,实施困难。技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。2. 4数控技术国内外现状随若计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用.目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小跑化；在智能化基础上综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理：在网络化基础匕CAD,CAM与数控系统集成为体，机床联网,实现了中央集中控制的群控加工。第3章对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑分析我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提充人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定：其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是域好的例证。3. 2发展策略分析从我国基本国情的角度出发，以国家的槌略需求和国民经济的市场需求为导向.以提高我国制造装备业粽合竞争随力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关棺技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装番业的跨跃式发展.强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以第机（如堆大面广的数控车床、铳床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、比点行业关键设备等）带动数控产业的发展。虫点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没仃规模就不会仃高可克性的产品：没仃规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品：当然，没有规模中国的数控装笛最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奥定基础。随着计弹机技术为主导的现代科学技术的发展和以“时间驮动”为重要特征的市场竞争的加剧，产品更新换代的速度加快以及人们对商品需求的多样化，传统的机械制造业正在发生极其深刻的改变，多品种小批盘生产的比重越来越大，对产品的交货质量和成本要求越来越高，要求现代制造技术具有较高的柔性，即要求机械制造业对各种外界因素的适应能力或者产品适应市场的变化能力越来越强，亦即要求空间和时间的灵活性越来越大，其关键的技术是数控技术。3. 2.1技术特点数控技术是用数字信息对机械加工和运动过程进行控制的技术。它是集传统的机械制造技术、计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、光机电技术于一体的现代制造业基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。目前它是采用计算机控制，预先编程然后利用控制程序实现对设备的控制功能。由于冲算机软件的辅助功能杵代了早期使用纯硬件电路组成的数控装置，使得输入数据的存储、处理、判断、运算等功能均由现1.场可编辑的软件来完成，这样极大的增强了机械制造的灵活性，提高设备的工作效率。3. 2.2数控技术在先进制造技术中的作用自从20世纪中期，人们将计算机技术引用到控制机床加工飞机机翼样板的更杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面取得了广泛、深入的发展，开始是数控铳床、接着是数控车床，数控钻床、数控镣床、数控磨床、数控线切割机床，以后是加工中心、车削中心、数控冲床、数控弯管机、数控折对机、板材加工中心、数控齿轮机床，数控激光加工机床,数控火焰切割机等等、等等。这些都成为现代制造业的最关键设备，是它们保证了现代制造业向高精度、高速度、高效率、高柔性化的方向发展。由于数控机床的出现，带动了CAD、CAM技术向实用化、工程化发展，特别是计算机技术的迅速发展，推动CAD、CAM技术向更高层次和更高水平发展，而且进一步发展了计算机辅助工艺设计(CAPP)数据库、集成制造生产系统相关信息的自动生成、自动处理、自动传输,可以说数控技术既是联系CAD、CAM的纽带、也是进一步通集成化CADCAM的桥梁。由于微电子技术的飞快发展，使数控系统的性能有了极大的提高、功能不断丰富、满足了数控机床自动交换刀具、自动交换工件（包括交换工作台、工作台立、卧式转换等）的需要；而且还进步满足了在数控机床（广2台）之间，增加自动输送工件的托盘站（APC）或机器人传输工件，构成柔性制造单元的需要：以及实现了由多台的数控机床（含加工中心、车削中心）传送带、自动导行小车（AGV-AutomatedGuideVehic1.e）.工业机器人（RobO1.）以及专用的起吊运送机等组成的柔性制造系统FMS的控制。此外，还有由加工中心，CNC机床，专用机床或数控专用机床组成的柔性制造线（FM1.）;或多条FMS配备自动化立体仓库连接起来的柔性造工厂（FMF）.随着信息技术、网络技术、自动化技术的发展、在数控技术（机械制造业中则体现在数控机床上）的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程,在计算机及其软件的支撑F，构成一个没盖整个企业的完整而有机的、以实现全局动态最优化、总体高效益、高柔性，并进而蹶得竞争全胜的计算机集成制造系统（Compuicr1.n1.egraiedManufacturingSystemCIMS）,这发展趋势至今仍然方兴未艾！仅就以上几点，虽然不是先进制造技术的全部，但足可以看出，数控技术是如此广泛、深入、系统地影响着先进制造技术，并强Tr力地支撑着先进制造技术，浪高过浪地向前蓬勃发展。3. 3机械制造中数控技术的发展趋势当代，数控技术的典型应用是FMGFMs/QM,其趋势是向高速化、高精度化、高效加工、多功能化、更合化和智能化方向发展。其主要发展动向是研制开放式全功能通用数控系统。向高速度、高精度方向发展：随着数控机床向高速度、高精度方向发展的需要，数控装置要能高速处理输入的指令数据并计算出伺服机构的位移及，而且要求伺服电机能高速度地做出反应。目前高速主轴单元（电主轴）转速已达1500（1100000rmin以上；进给运动部件不但要求高速度、且具有高的加、减速功能，其快速移动速度达60'12011Vmin以上，工作进给速度已高达60nVmin以上。微处理器芯片的迅速发展，为数控系统采用高速处理技术提供了保障。CPU已由80年代的16（如FANUC6M等）位发展为现今的32位（如FANUC-15等）以及64位CPU的数控系统，90年代还出现了精简指令集（R1.SC）芯片的数控系统（如FANUC-16等）。CPU的频率由原来的5MHz、IOMHz,提高到几百兆MHZ、上千兆MHZ,甚至更高，进步提高了系统的运算速度。由于运算速度的极大提高，当分辨率为OJum,0.01.m状况下仍能获得很高的进给速度和快速进给速度(100m-240mmin)o向基于个人计算机(PC)的开放式数控系统发展由于PC机具有良好的人机界面，软件资源特别丰富，近来CPU主频已高达100O多MHZ以上，内存128M以上，外存30GB以上已是常见之事：相应的WindowswindowsNT,界面更加友好，功能更趋完善，其通讯功能，连网功能，远程诊断和维修功能将更加普遍。更重要的是微机成木低廉，可靠性高。日本，美国，欧盟等国家正在开放式的PC(微机)平台上进行“开放式数控系统”的研究,包括标准、结构、编程、通讯、操作系统以及样机的研制等。机械结构技术：为适应数数控技术的发展，机械结构也发生了很大的变化。为缩小体积，减少占地面积，更多地采用机电一体化结构。为了提高自动化程度,而采用自动交换刀具，自动交换工件，主轴立、卧自动转换，工作台立、卧自动转换，主轴带C轴控制，万能回转铳头，以及“数控夹盘”，“数控回转_£作台，“动力刀架'和“数控夹具”等。为/提高数控机床的动态特性，伺服系统和机床主机进行很好的机电匹配。同时主机也借助计算机进行模块化、优化设计。数控编程技术：(D脱机编程发展到在线编程传统的编程是脱机进行的。由人工、计算机以及采用编程机来完成，然后再输入给数控装置。现代的CNC装置有很强的存储和运算能力，把很多自动编程机具有的功能，移机到数控装置的计算机中来，在人工操作键盘和彩色显示器的作用下，在线的以人机对话方式进行编程，并具有前台操作、后台编程的功能。(2)具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编制功能除了具有圆切削、固定循环和图形循环外，还有宏程序设计、子程序设计功能，会话式自动编程、蓝图编程和实物编程功能。(3)编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理的新阶段新型的CNC系统中装入了小型工艺数据库，使得在线程序编制过程中可以自动选择最佳切削用量和适合的刀具。结语PC机进入数控领域，极大的促进了数控技术的发展，也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供r机遇机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的揖耍标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进数控制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地，总之，数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到国家工业的发展和综合国力的提高。以数控技术为核心的机械设缶的生产和应用已经成为衡量个国家技术水平和战略地位的重要标准。因此广泛采用数控技术应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业经济大国必须要大力提倡和广泛发展的。参考文献1杨学桐，李冬茹，何文立，等.跨世纪数控机床技术发展战略研究M.北京：国家机械工业局，2000.2华茂发.数控机床加工工艺M)北京：机械工业出版社，2001.3黄金秋.茶于开放式结构的高性能数控系统的研制J1.制造技术与机床，1998.8.4梁训，王宜，周延佑，机床技术发展的新动向J世界制造技术与装备市场，2001(3):21-28.5王志平.数控机床及应用MJ.北京：高等教育出版社，2002.