现代先进制造技术

绪论 (2)

第一章数字控制技术及数控加工 (3)

1.1数字控制技术 (3)

1.2数控技术在先进制造技术中的作用 (3)

1.3数控机床加工 (3)

第二章数控机床的发展过程及分类 (5)

2.1数控机床的产生及发展 (5)

2.2数控技术的发展趋势 (6)

2.3数控机床的分类 (6)

绪论

从本世纪中期，特别是近40年来随着科技飞速发展、市场竞争的加剧以及社会需求的多样化，从而加速了产品的更新换代，激化了传统多品种生产的固有矛盾，如何改变传统多品种、小批量生产的落后面貌，以优质、高效、低成本完成产品的生产已成为制造业所追求的目标。先进制造技术推动了传统制造技术的发展，是实现高新科技产品的制造、尽早占领市场、增强国际间经济竞争能力的有效保证。

先进制造技术是传统制造技术与微电子、计算机、自动控制等现代高新技术交叉融合的结果，是集成了机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、管理学等最新成就于一身的新兴技术。

先进制造技术发展至今有如下特点：

1．先进制造技术不是一成不变的，而是一个动态技术；

2．先进制造技术是高科技技术，它的目的很明确，既提高制造业的综合能力，赢得激烈的国际市场竞争；

3．先进制造技术并不摒弃传统制造技术，它是在传统制造技术基础上运用科技新成果的发展与创新；

4．先进制造技术不仅限于制造过程本身，它涉及产品从市场调研、产品设计、工艺设计、加工制造、售前售后服务等产品全周期寿命设计制造的所有内容，并将它们归结成一个有机的整体；

5．先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术和现代系统工程在产品设计、制造和生产组织管理等方面的应用；

6．先进制造技术特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理三者的有机结合；

7．先进制造技术是一个利用系统工程技术将各种相关技术集成的有机整体；

8．先进制造技术强调各类学科之间的相互渗透和融合，淡化并最终消除它们之间的界限；

9．先进制造技术特别强调环境保护，即要求其产品是所谓的“绿色商品”，又要求产品的生产过程式环保型的；

数控技术是现代制造技术的基础的广泛应用，使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本性变化，下面我们针对数控加工和数控机床的制造方面谈一些我的认识和感受。

第一章数字控制技术及数控加工

1.1数字控制技术

数控技术已被世界各国列为优先发展的关键工业技术，成为当代国际间科技竞争的重点。数字控制技术（Numercrical Control），简称NC，是近代发展起来的一种自动控制技术，数字控制是相对于模拟控制而言的，数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。简而言之，用数字化信息进行控制的自动控制技术就称之为数字控制技术。

1.2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复杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面取得了广泛、深入的发展，开始时数控铣床、接着是数控车床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控线切割机床，以后是加工中心、车削中心、数控冲床数控齿轮加工机床等等。

这些都成为现代制造业的关键设备，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。

1.3数控机床加工

数控机床问世于本世纪五十年代初期，它是电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等新技术的综合。它把机床的各种动作（主轴起停、换刀、冷却液开关）、工艺参数（主轴转速、进给速度）和尺寸控制等都用数字形式表示在信息介质上，并通过电子计算机的阅读、运算和变换，发出各种指令控制机床按预定的操作顺序依次进行加工。这种用数字程序控制的机床就是我们所说的数控机床。而用数控机床对工件的加工称为数控加工。

1.3.1数控机床加工的特点

用数控机床进行加工，首先必须将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制数控加工程序。然后用适当的方式将此加工程序输入数控系统。数控系统再根据输入的加工程序进行信息处理，计算出理想轨迹和运动速度，计算轨迹的过程称为插补。最后将处理的结果输出机床的执行部件，控制机床运动部件按预定的轨迹和速度运动。

数控机床的加工过程如图1所示：

其中信息输入、信息处理和伺服执行是数控系统的三个基本工作过程，也是数控系统的三个基本组成部分。加上机床主体，数控机床必须具备信息输入、信息处理、伺服执行及机床本体四个基本组成部分。

加工一个零件所需的数据及操作命令构成零件加工程序，加工程序可以用符号或数字形式记录在输入介质上，输入数控系统；也可以通过键盘或通讯接口输入数控系统。零件程序编辑时所需的尺寸信息（长度、宽度及圆弧半径）和外形（圆弧、直线或其它）取自零件图，尺寸按每一个运动轴，如X，Y等，分别给出。切削速度、进给速度及冷却液通断、主轴旋转方向、齿轮变速等其他辅助功能均可编程输入。这样，在加工过程中，每执行一个程序段，刀具便完成一部分切削。

1.3.2数控机床加工的优点

从上面可以看出，与传统的机床相比，数控系统取代了操作人员的手工操作。传统的机加工中，操作者通过操纵手轮使切削刀具沿着工件移动进行零件加工，加工精度完全由操作者的视力及熟练程度决定，加工精度难以保证。对于外形简单且精度要求较低的零件可用手工操作方式完成，若对于是二维轮廓或三维轮廓的加工，手工操作的普通机床就无能为力了。而采用了数控机床后，原来的操作者手工完成的工作都包含在零件程序中了，所以他们只需编制简单的程序，监视机床工作，并做通常的零件更换即可，从而实现了工件的自动加工。现在在一些先进的制造企业已经采用机器人更换零件了，实现了无人化的加工车间，从而大大地减轻了操作工人的劳动强度，提

高了零件加工的加工效率。

所以，与其它加工方法相比，数控机床具有以下优点：

1）具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工零件。

2）在切削速度和进给行程的全范围内均可保持精度且一致性好。

3）生产周期较短。

4）可以用于复杂形状的零件。

5）易于调整机床，与其它制造方法相比，所需调整时间较少。

6）操作者有空闲时间，可以照料其他加工。

第二章数控机床的发展过程及分类

2.1数控机床的产生及发展

随着电子技术的发展，1946年世界上第一台电子计算机问世由此掀开了信息自动化的新篇章。1948年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机的框架及直升飞机的转动翼时，提出了采用电子计算机对加工轨迹进行控制和数据处理的设想，后来得到美国空军的支持，并与美国麻省理工学院合作，于1952年研制出第一台三座标数控铣床。1954年底，美国本迪克斯公司在帕森斯专利的基础上生产出了第一台工业用的数控机床。这是第一代数控系统。

1959年晶体管出现，电子计算机应用晶体管元件和印刷电路板，从而使机床控制系统跨入了第二代。而且1959年由克耐·杜列克公司在数控机床的基础上设置刀库，并在刀库中装有丝锥、钻头、绞刀等刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上以缩短刀具的装卸时间和减少零件的定位装卡时间。人们把这种数控机床称为加工中心（Machining Center简称MC）。20世纪60年代，出现了集成电路，数控系统发展到第三代。在该阶段，点位控制的数控机床得到大的发展，有资料统计到1966年，实际使用的6000台数控机床中，85%是点位控制的数控机床。以上三代都属于硬逻辑数控系统（称为NC系统）。

随着计算机技术的飞速发展，小型计算机应用于数控机床中，由此组成的数控系统成为计算机数控（CNC）,由此数控系统进入第四代。20世纪70

年代初，微处理机出现，美、日、德等国都迅速推出了以微处理机为核心的数控系统，这样组成的数控系统，称为第五代数控系统。自此，开始了数控机床大发展的时代。

2.2数控技术的发展趋势

当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIM，其趋势是向高速化、高精度化、高效加工、多功能化、复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及数控机床。

2.2.1数控装置正在向着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量，而且要求伺服电机能高速度地作出反应。目前高速主轴单元的主轴转速已达到15000～100000转/分以上，其快速移动速度达到60～120m/min以上。CPU已由80年代的16位发展为现今的32位以及64位CPU的数控系统。并配置多种遥控接口和智能接口，系统除配有RS232接口外，为了适应网络技术的需要，许多数控系统还带有与工业局域网络通讯的功能，以及专家制造系统。

2.2.2伺服系统是数控技术的重要组成部分，与数控装置相配合，

伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度，定位精度和加工精度。其主要新发展技术有前馈控制技术、机械静摩擦的非线性控制技术、采用高分辨率的位置检测装置、补偿技术得到了发展和应用。

2.2.3为适应数控技术的发展，机械结构也发生了很大的变化。为

减小体积，减少占地面积而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、卧自动化转换，工作台立、卧自动转换，主轴带C轴控制，万能回转头，以及“数控夹盘”，“数控回转工作台”，动力刀架和数控夹具等。

2.3数控机床的分类

在数控机床的发展进程中，人们从不同的角度分类、评价数控机床，以便充分发挥数控机床的作用，目前常见的有以下几种分类方法：

2.3.1按运动方式分类

按数控机床的运动方式可分为点为控制系统、直线控制系统合轮廓控制系统三大类，其中轮廓控制系统是数控系统最复杂，最具灵活和成本最高的

控制形式。它既有点位控制的功能，同时也具有直线控制的功能。它多用于铣床上加工任意曲线和型腔，如凸轮、模具等。

2.3.2按控制方式分类

按数控机床的控制方式可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统，开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，控制精度较低故适用于精度要求不高的场合使用，闭环控制系统的控制精度较高，但由于结构较复杂，调试不易，成本较高，它一般用于对精度要求较高或大型的数控机床。

半闭环控制系统精度不及闭环系统高，但由于在反馈环节中排除了工作台这个惯性较大的元件，系统比较稳定，故在生产中得到广泛应用。常见的测量装置有光电编码盘，旋转变压器，圆感应同步器，圆光栅，圆磁尺等。

2.3.3按工艺方法分类

按加工工艺方法的不同，数控机床可分为金属切削类机床，如数控车床、数控钻床、数控磨床、数控镗床、以及加工中心等和金属成型类及特种加工类数控机床，如数控弯管机、数控线切割机床、数控电火花机床数控冲床、数控三坐标测量机等。

参考文献：

[1]程耀东，机械制造学，中央广播电视大学出版社，1995年

[2]颜景平，机械制造基础，中央广播电视大学出版社，1995年

[3]王永章，杜君文，程国全，数控技术，高等教育出版社，2003年

[4]华楚生，机械制造技术基础，重庆大学出版社，2003年