数控机床与数控技术综述报告

数控机床与数控技术综述报告

【摘要】数控机床——是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床与普通机床的主要区别在于：数控机床带有数控系统（程序控制系统），可以通过编制程序来实现自动化加工。而普通机床没有该特性。本文在介绍数控机床特点的基础之上，根据我国数控技术的现状，分析了国家在数控技术领域的研究工作以及国内外机床的发展趋势

【关键词】数控机床数控研究发展趋势

引言

数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升，进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。

1.数控机床概述

1.1 数控机床的特点：

数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点：（1）适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。（2）加工精度高

（3）加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。

（4）高柔性加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统—FMS。

（5）高生产率数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 3～5 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

（6）劳动条件好机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。

（7）有利于管理现代化采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。

但与此同时，数控机床也具有一些无法避免的缺点，比如：

（1）投资大，使用费用高

（2）生产准备工作复杂由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。

（3）维修困难数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。

1.2现代数控机床的两个基本评定指标

成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的4个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定阈值的大批量的规模生产才能取得上述4个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心、用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化。

为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。

（1）高效柔性化虽然传统的非数控机床也具有一定的柔性，但它不能获得高的效能和稳定的精度，更不适应复杂型面的加工。因此，基于数控技术的高效柔性化的制造装备及制造系统需兼具下列特性：

①高度的灵活性和多品种生产的快速适应性。

②高效的生产能力，包括：高生产率，借助于高速化和提高金属切除率等途径。高稳定性，对于光机电集成的数控机床，着重要求其降低故障率，提高可靠性，以提高制造装备及系统的开动率（利用率）。

（2）高精化产品的加工精度直接影响到其工作性能、寿命、能耗和噪声等，因此，数控机床的高精化是市场需求和技术发展的必然结果。

2.我国数控机床情况概述

2.1我国数控机床的现状

从上世纪80年代起，机床制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。经过“九五”数控车床和加工中心（包括数控铣床）的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距。相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段。

2.2我国数控机床的研究和发展方向

基于以上现实，为了加速振兴我国的机床制造业，当前宜加强如下五方面的研究和发展工作：(1)以高速化为先导，提高数控机床的综合性能。(2)加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐，推进mm级精度机床工程的规划和实施。

(3)加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化。(4)对于中大批量生产、发展快速重组制造系统和可重构机床将是一个合理的解决方案。(5)发展网络制造单元以适应数字化企业的构建。

以下各节将对上述五个发展方面作扼要的叙述。

（1）以高速化为先导，提高数控机床的综合性能

数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一个重要措施。它既可提高机床的切削能力和缩短辅助时间，又能改善切屑形成过程，减少刀齿每转进给量和降低切削力，有助于提高加工精度，德国ＢＭＷ公司用硬质合金刀片加工钢件随着高速化使精度得到提高。

但主轴转速和进给速度的提高也会引起一些负面影响，使机床结构和测量系统的热变形和位置控制的跟踪误差随之增大。因此，高速化的发展不能单纯地追求转速的提高必须考虑改善各项制约因素，才能不致事倍功半。除了上述提及的热误差和控制精度，还要注意机床结构的静动态刚度、动平衡和刀具的性能等。（2）推进mm工程，研制高效精密数控机床

目前国内生产的数控机床尚缺少高效微米精度级的产品，现有的数控机床产品大多不能同时满足作为典型的支柱产业的汽车制造业对数控制造装备的高效和高精的综合要求。

为此，需研发一些能兼顾高效化和高精化的数控制造装备以适应汽车制造业加工关键零件的需求，它们的性能用图３中Ｄ区域来表示。由于这些数控制造装备的加工精度主要在微米级(mm)范围内，因此可称为“mm级制造装备及技术研究”，简称“mm工程”(Micro Precision Machine Tool Engineering)。

（3）发展复合加工数控机床、缩短制造过程链

多功能复合加工数控机床简称复合机床，或称为多功能加工或完全加工机床。复合机床的含义是在１台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间占零件整个生产周期的40%～60%，即使在信息管理良好的情况下,仍将占20%左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。

(4)高效柔性化的新一代制造系统

在可重构制造(Reconfigurable Manufacturing)技术支持下，构建具有适应大批量高效生产的柔性化制造系统是一个值得注意的发展动向。为此发展了能对多变的市场需求作出合理的配置规划和易于调整的布局方式、适应重构的控制软件、开放式控制系统和规范化接口以及能快速提升系统重组后制造质量的诊断系统等技术，并取得了初步成功的应用。

(5)发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化

在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临着一个以提升竞争能力为目标的构建全企业数字化时代。作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统也将积极地向数字化制造迈进，它将成为一个信息集成和快速实施的制造单元，其主要特征可归结为3F、3I和3S，即：3F（柔性化、联盟化和新颖化）、3I（集成化、信息化和智能化）、3S（系统化、软件化和个性化）。

(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

数控机床多发的故障率一直是影响我国数控机床品质的一个重要问题。数控机床与传统机床相比，由于增加了数控系统、伺服控制单元、以及自动化功能部件和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压、气动元件和机电装置。由于元器件和装置数量的增多易于导致出现失效概率的增大。

因此，为了保证数控机床有高的可靠性，设计时不仅要考虑其功能和力学特性，还要进行可靠性设计，根据可靠性要求合理分配各组成件的可靠性指标，在配套件采购和制造过程中重视质量要求，加强全面质量管理以求可靠性的不断增长。

3.国内外数控机床的发展趋势

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、并联驱动化、、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。

（1）向高速度、高精度方向发展

速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。

加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件，提高了CNC系统的控制精度，应用了高分辨率位置检测装置，而且也在于使用了各种误差补偿技术，如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等。

在加工速度方面，以电主轴和直线电机的应用为特征，使主轴转速大大提高高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短，还要求数控系统具有足够的超前路径加（减）速优化预处理能力（前瞻处理），有些系统可提前处理5000

个程序段。

（2）向柔性化、功能集成化方向发展

数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；

在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。随着数控机床向柔性化方向的发展，功能集成化更多地体现在：工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。

（3）向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中，由于采用“进化计算”（Evolutionary Computation）、“模糊系统”（Fuzzy System）和“神经网络”（Neural Network）等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

（4）向高可靠性方向发展

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性，目前主要采取以下措施：

①采用更高集成度的电路芯片，采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。

②通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化，提高硬件的生产批量和质量。

③增强故障自诊断、自恢复和保护功能，对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加工超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。

（5）向网络化方向发展

数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力，除了具有RS232C接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。有的已配备与

工业局域网通信的功能以及网络接口，促进了系统集成化和信息综合化，使远程在线编程、远程仿真、远程操作、远程监控及远程故障诊断成为可能。

（6）向标准化方向发展

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50多年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G、M代码对加工过程进行描述，显然，这种面向过程的描述方法已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。（7）向驱动并联化方向发展

并联机床（又称虚拟轴机床）是20世纪最具革命性的机床运动结构的突破，引起了普遍关注。并联机床由基座、平台、多根可伸缩杆件组成，每根杆件的两端通过球面支承分别将运动平台与基座相连，并由伺服电机和滚珠丝杠按数控指令实现伸缩运动，使运动平台带动主轴部件或工作台部件作任意轨迹的运动。并联机床结构简单但数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此并联机床是一种知识密集型机构。并联机床与传统串联式机床相比具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用。

总结：

就我们机自专业的学生而言，数控机床无疑是我们就业的其中一个方向之一。因为随着数控机床近几年的发展，很多企业都逐渐往自动化方向发展，也逐渐地将原来的普通机床更新换代，改用数控机床以提高生产效率。但是由于成本等其他原因，在我们国家还有一部分的小企业小工厂还在继续使用普通机床来生产加工。数控机床智能化的发展前景，非常广阔，我们要往这方向考虑就业的话，就应该先学好数控机床方面的有关知识，为我们日后的就业奠定基础。

参考文献

[1]周延佑，陈长年.智能机床——数控机床技术发展新的里程碑——IMTS2006 观后感之一[J].制造技术与机床.2007,(4):43-46.

[2]单以才，李一民，刘世豪，章婷.智能机床的研究现状与发展趋势[J].工具技术，2009,43（9）：3-6.

[3]罗和平.沈阳机床轮毂柔性自动化加工单元[J].金属加工，2011（11）：26.