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【摘要】:
机床是指车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法,所谓机械加工,就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状,包含尺寸精度和几何精度两个方面。
能完成以上功能的设备都称为机床,数控机床就是在普通机床上发展过来的,数控的意思就是数字控制。
给机床装上数控系统后,机床就成了数控机床。
当然,普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单。
数控机床是由数字逻辑控制的机床,英文的全称(Computernumericalcontrolmachinetools),是一种装有数字程序控制系统的机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,从而使机床动作。
数控机床经历了一个由单一向多元发展的一个过程,数控机床的快速发展是整个人类科技、经济发展的集中表现。
数控机床在现代工业的各个领域中占据着无法替代的位置,并与我们生活的各个方面都有直接或间接的关系。
随着未来科技的发展数控机床一定会有人们无法想象的发展,世界上所有发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。
在改革开放的这些年里我国在数控机床的领域里的进歩是令人注目的。
数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。
控制系统用于数控机床的运算、管理和控制,通过输入介质得到数据,对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用;
伺服系统根据控制系统的指令驱动机床,把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动指令,使刀具和零件执行数控代码规定的运动;
检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量,并将检测结果反馈到输入端,与输入指令进行比较,根据其差别调整机床运动;
机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置;
辅助系统种类繁多,如:
固定循环(能进行各种多次重复加工)、自动换刀(可交换指定刀具)、传动间隙补偿偿机械传动系统产生的间隙误差)等等。
数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和输出部分等。
数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制三类。
点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位,然后进行定点加工,而点与点之间的路径不需控制。
采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。
直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外,还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。
采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床,以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。
连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。
为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓,数控装置具有插补运算的功能,使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线,并协调各坐标方向的运动速度,以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。
采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。
为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力,数控机床结构设计的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。
进给系统的机械传动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等,以尽量减小反向间隙。
机床采用塑料减摩导轨、滚动导轨或静压导轨,以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。
由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机,可以不用或少用齿轮传动和齿轮变速,这就简化了机床的传动机构。
机床布局便于排屑和工件装卸,部分数控机床带有自动排屑器和自动工件交换装置。
大部分数控机床采用具有微处理器的可编程序控制器,以代替强电柜中大量的继电器,提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展,数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化,具备完善的自诊断功能;
可靠性也大大提高;
数控系统本身将普遍实现自动编程。
关键词:
数控机床、现状、发展趋势、发展方向
一、数控机床的历史
世界上大多数最先进行的工业产品多是由军事工业而业。
数控机床也没能幸免,1948年,美国帕森斯公司接受美国空军委托,研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样,精度要求高,一般加工设备难以适应,于是提出计算机控制机床的设想。
1949年,该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下,开始数控机床研究,并于1952美国PARSONS公司与麻省工学院(MIT)合作试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床,它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果,可用于加工复杂曲面零件,不久即开始正式生产。
1965年,出现了第三代的集成电路数控装置,不仅体积小,功率消耗少,且可靠性提高,价格进一步下降,促进了数控机床品种和产量的发展。
60年代末,先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC),又称群控系统;
采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。
1974年,研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC),这是第五代数控系统。
第五代与第三代相比,数控装置的功能扩大了一倍,而体积则缩小为原来的1/20,价格降低了3/4,可靠性也得到极大的提高。
80年代初,随着计算机软、硬件技术的发展,出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置;
数控装置愈趋小型化,可以直接安装在机床上;
数控机床的自动化程度进一步提高。
我国第一台数控机床于1958年,由清华大学研制最早的样机。
1966年我国诞生了第一台用直线——圆弧插补的晶体管数控系统。
60年代数控机床进入了商品化生产。
由于数控系统处于电子管、晶体管时代,后期出现了集成电路,但系统设备庞大复杂,成本高,可靠性低。
70年代出现了微处理器,给数控机床的发展注人了新的活力,开创了计算机数控(CNC)的新时期。
80年代之后,数控机床进入了成熟和普及期。
在20余年间,数控机床的设计和制造技术有较大提高,主要表现在三大方面:
培训一批设计、制造、使用和维护的人才;
通过合作生产先进数控机床,使设计、制造、使用水平大大提高,缩小了与世界先进技术的差距;
通过利用国外先进元部件、数控系统配套,开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床,供应国内市场的需求,但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。
至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑,不能独立发展,基本上处於从仿制走向自行开发阶段,与日本数控机床的水平差距很大。
存在的主要问题包括:
缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引;
严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人;
缺少深入系统的科研工作;
元部件和数控系统不配套;
企业和专业间缺乏合作,基本上孤军作战,虽然厂多人众,但形成不了合力
从1952年美国生产出用于军事工业的数控铣床后世界各国数控机床的发展非常迅速。
世界上的一些机床生产强国如美国、德国、日本它们的政府都对机床工业非常重视不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费,且网罗世界人才,从多方面对这项事业作了大量的投入日本还专门制定了法规。
中国在1958年研制出第一台数控机床,发展过程大致可分为两大阶段。
在1958~1979年间为第一阶段,从1979年至今为第二阶段。
第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识,在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下,一哄而上又一哄而下,曾三起三落、终因表现欠佳,无法用於生产而停顿。
主要存在的问题是盲目性大,缺乏实事求是的科学精神。
在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术,从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产,解决了可靠性、稳定性问题,数控机床开始正式生产和使用,并逐步向前发展。
二、数控机床的现状
20世纪中期,随着电子技术的发展,自动信息处理地、数据处理以及电子计算机的出现,给自动化技术带来了新的概念,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制,推动了机床自动化的发展,于是便产生了数控机床运个新的加工设备。
(一)、从技术发展水平来看,目前世界高档数控机床制造业以美国、日本德国等工业强国为主要生产国,这些国家掌握着该制造领域的主要核心技术。
美国在数控机床的主机设计、制造技术方面基础扎实。
虽然美国生产机床比英国晚50年,但在制造技术方面很快超过英国,跃居世界第一。
美国的机床主要应用于汽车工业、航空工业、建筑业和医疗设备制造业等,技术水平世界领先。
美国著名机床公司Cincinnati/G&
L/Hardinge/Gleason/Ingersoll公司长期以来均生产高精、高效、高自动化数控机床供应美国市场需求,不仅可以生产宇航领域使用的高性能数控机床,也可为中心企业生产廉价实用的数控机床。
由于拥有领先的技术和优质的产品,使美国成为全球高挡数控机床的出口大国,其出口的最重要市场为中国、墨西哥等国和地区。
(二)、德国政府一贯重视机械工业,特别是机床工业的发展。
德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、出口遍及世界,尤其是大型、重型、精密数控机床,主要出口地为中国、美国和俄罗斯。
此外,德国还重视数控机床主机配件的先进实用性,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件在质量、性能上居世界前列。
德国拥有多家世界知名企业,如世界最大的数控钣金制造商—快通集团;
德马吉;
西门子公司的数控系统更是世界闻名。
(三)、日本下政府通过规划和制订法规,提出日本数控机床行业的发展方向,并提供充足的研发经费,鼓励科研机构和企业大力发展数控机床。
日本在机床部件配套方面学习德国,在数控技术和数控系统方面学习美国,并改进和发展了两国的成果,取得了较好的效果。
日本在发展数控机床的过程中,特别发展关键技术,开发核心产品。
日本政府重点扶植发那科公司开发数控机床的数控系统,该公司生产线的数控系统占全球近一半的市场份额;
其它厂家则重点研发机械加工部分,较为著名的生产线企业有马扎克、天田、大偎、森精机等。
(四)、除上述三个国家外,意大利、瑞士等国的高档数控机床产业也位居世界前列;
瑞士的中小型精密机床长期独步世界,许多高精度车床、磨床、齿轮机床、电加工机床、加工中心、小型组合机床、刀具磨床等质量超群。
(五)、2003年开始,中国就成了全球最大的机床消费国,也是世界上最大的数控机床进口国。
目前正在提高机械加工设备的数控化率,1999年,我们国家机械加工设备数控华率是5-8%,目前预计是15-20%之间。
尽管如此,进口机床的发展势头依然强劲。
国内数控机床制造业企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显,70%以上此类设备和绝大多数的功能部均依赖进口。
由此看出国产数控机床的研发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人员缺乏。
由于中国技术水平和工业基础还比较落后,数控机床的情能、水平和可靠性与工业发达国家相比,差距还是很大,尤其是数控系统的控制可靠性还比较差,数控产业尚未真正形成。
中国数控机床的核心技术90%需要从国外进口。
所有的核心技术都被国外掌握。
国内能做的中、高端数控机床,更多处于组装和制造环节。
国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口,国内真正大而强的企业不多。
国内只有华中数控、航天数控。
国内的数控系统刚刚起步、水平质量一般,高档的系统便进口。
华中数控近几年发展迅速,软件水平相当不错,但在电器硬件方面还需进一步提高。
国内一些大厂还没有采用华中数控。
国外的许多企业看中了中国巨大的市场,许多世界著名的机床企业在中国开办工作。
韩国斗山大宇集团通过与中国的汽车集团及其供应商合作成为市场占有率第一的好成绩。
日本山崎马扎克株式会社在2000年5月在中国宁夏银川合资建成一座同样先进的智能化工厂“小巨人机床”即世界第二座智能化机床工厂。
日本大畏株式会社是世界是最大的数控机床之一,它在上海外高桥保税区设有大畏机床(上海)有限公司及与北京第一机床厂控股的子公司北一数控机床有限公司成立北一大畏(北京)机床有限公司。
德国德马吉公司也在上海建立工厂,这是它在亚洲的第一家工厂,为国内的中小企业及多元化的市场提供经济型数控产品,同时也将其优质产品出品国际市场。
诞生于1890年的美国哈挺公司是一个在世界机床工具行业中居主导地位的供应商。
1996年在上海成立独资公司:
哈挺(上海)有限公司。
目前,国内汽车工业、水利工程、模具行业等行业总产值达到上万亿,所需的机械偏向于高精度、高效率、高速化铣削设备、虚拟轴机床、复合加工机及慢走丝切割机等。
国产数控机床市场占有率下滑即将有转机。
巨大的市场,使世界各国著名厂商来我国建厂说明我们国家的机床业还有巨大的发展空间和前途。
三、数控机床的未来
数控系统是数控机床的核心,是数控机床的大脑。
更快更强的数控系统使得数控机床具备了更加强大的运算和处理能力,能够完成更为复杂和精细的加工。
近日,全球知名数控系统生产商均推出了新型的数控系统,如西门子公司推出了840Dsl和828D系统,日本发那科FANUC公司开发了用于高档复合化机床的多通道多轴纳米CNC,三菱公司研制了M700V系列CNC。
这些新开发的数控系统采用了最新的自动化技术和产品,均具有模块化、开放、灵活而又统一的结构,提供了可视化界面和网络集成功能,具备多通道多数控轴功能,适用于所有工艺。
此外,采用最新芯片技术的超高速处理器等高端硬件和光纤传输技术在新型的数控系统中得到应用,大幅度提高了数控系统的性能。
高速高精度并不仅仅是指数控机床对工件的加工速度要高要快,生产的产品精度更高,还要求数控机床在工件加工的整个过程中都要高速运转、精确定位,以减少工件在准备、加工、转运、收储等各个环节占用的时间,综合提高工厂的生产效率,降低生产成本。
更高精度的机械产品在实际使用中会带来更多的益处,如减少运转过程中的摩擦和发热,降低能源损耗,使整机运转更加平稳可靠,减少故障出现的几率等。
为了实现高速高精度的目标,自动化产品厂商们加大了技术投入和开发力度,研发了更多的自动化产品应用于数控机床,如直线电机、电主轴、伺服系统、更高线数的编码器、精度更高更稳定的光栅尺等,这些自动化产品为数控机床实现高速高精度功能提供了强有力的支持。
当今的机械加工更趋向于高精度、多品种、小批量、低成本、短周期和复杂化的加工,复合加工是数控机床的一个重要技术发展方向。
复合功能使数控机床显著提高了工件成品的生产速度,能够大大消除散列工序加工过程中的运输、装夹及等待时间,使加工周期大大缩短并降低加工车间的在制品数量。
工件在机床上只有一次装夹定位,既减少了加工辅助时间,又提高了工件的加工精度。
显然,复合加工机床对自动化产品的要求更高。
复合功能的实现依赖于针对工件和刀具的实时检测与智能判断、数据运算、刀具管理及系统控制。
高灵敏度的探针、高速处理芯片、体积更小、响应速度更快的传感器和执行器等自动化产品和技术在机床上将会得到更为广泛的应用。
数控机床应具备并实现语音、图形、视频和文本的通信功能。
通过网络信息的共享,生产计划调度部门可以实时监控机床工作状态和加工进度,向网络信息的其他使用部门传递共享信息,在网络上观察加工过程、统计报表、跟踪生产进度、查看故障报警、在线诊断及帮助排除故障。
宁夏小巨人公司引进了日本山崎马扎克Mazak公司的信息网络技术,创建了国内第一座智能网络化机床制造工厂。
这将是我国在数控机床的信息化和网络化进程中的一个样板,也是我国数控机床信息化和网络化发展的开端和出发点。
高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。
(一)、个性化是市场适应性发展趋势
当今的市场,国际合作的格局逐渐形成,产品竞争日趋激烈,高效率、高精度加工手段的需求在不断升级,用户的个性化要求日趋强烈,专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。
(二)、个性化的发展趋势
1.复合化
数控机床的功能复合化的发展,其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序,从而提高了机床的效率和加工精度,提高生产的柔性。
2.高速化、高精度化、高可靠性
高速化:
提高进给速度与提高主轴转速。
高精度化:
其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级(高可靠性:
一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,因为商品受性能价格比的约束。
3.智能化
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质量方面的智能化;
为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化;
简化编程、简化操作方面的智能化;
还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等,以及智能诊断、智能监控等方面的内容,方便系统的诊断及维修。
4.柔性化、集成化
当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:
从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。
柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。
(三)、开放性是体系结构的发展趋势
新一代数控系统的开发核心是开放性。
开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统,采用模块化,层次化的结构,并通过形式向外提供统一的应用程序接口。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究,数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
目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究的核心。
网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。
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。
国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。
数控技术的问世已有40多年的历史,它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。
技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。
参考文献
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黑龙江出版社2002
2、数控机床未来解析。
中国废旧物资网2011
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机床技术发展的新动向J.世界制造技术与装备市场2001
4、林送,田建军现代数控机床北京:
化学工业出版社2003
5、XX文库数控机床的历史现状及其发展趋势2
致谢
感谢我的指导老师---薛小雯老师,这篇论文的每个细节都离不开您细心的指导。
通过这篇论文的写作使我清楚的了解数控机床的起源、使我们了解了世界各个设备强国的情况,也让我们清楚的了解到我国数控机床的发展状况。
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