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1、题 目 x-y 数控工作台技术发展综述学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师(职称) 完成时间 2011年11月30日 13x-y数控工作台技术的发展综述摘要：通过分析国内外数控技术与数控装备的现状，探讨了我国数控技术及工作台的发展趋势，综述了我国数控机床产业发展现状,分析我国数控产业发展中的主要问题,介绍了一些现有的较为成熟的数控技术。关键词：机床技术；数控技术；现状分析；发展方向1 前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基
2、本的装备。近年来，我国数控技术与装备的开发研制，得到了国家和企业的高度重视，取得了很大的进步，如基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，并已具备联网进线等功能。本文从国内外数控技术的发展现状开始，描述了国内外数控技术的差距，主要体现在高速度和高精度的新技术上和一些工作台的设计和定位；分析我国数控技术存在的问题，如技术创新成分低、消化吸收能力不足，技术创新环境不完善等，并根据现有的发展条件，提出了一些加快我国数控技术发展的措施；并进行了x-y工作台的研究，x-y工作台是随着数控机床的发展而发展起来的，在机床中有很重要的作用。2 国内外x-y数控工作台技术的发展现状x-y工作台是随着普通
3、机床的基础上因军事工业需求发展起来的并且随着数控技术的发展得到了提高，它综合了机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学。机床数控技术给传统的制造业带来了崭新的革命，工作台的发展也成为数控关键，数控技术发展的半个多世纪以来，随着电子科技尤其是计算机技术的发展，经历了两个阶段和六代发展。2.1 我国x-y数控工作台的展状况x-y工作台是指能分别沿着x向和y向移动的工作台。数控技术的加工系统、平面绘图仪的绘图系统等，尽管结构和功能各不相同，但基本原理相同。连香姣讲师在x-y工作台的机电一体化系统设计中所设计的x-y工作台是开环伺服系统，通过控制器控制步进电机的驱动，经传动机构带动工作台运动。在机
4、械设计中采用一级齿轮减速带动丝杠传动通过 螺母的直线移动带动工作台。此外还有辅助机械部件，如导轨、轴承等。在控制系统设计中选择了单片机因为单片机体积小、重量轻、价格便宜。工作台的定位是机械加工中非常重要的南京海空航天大学超声电机研究中心的白永明和黄卫清研究了超声波电动机的工作台精确定位系统。目前工作台的控制一般都采用步进电机或者伺服电机，它们是传统的电磁电机。20世纪80年代后，一种新型的微电机超声波电机问世，它不仅采用不同于以往电磁电机的驱动机理，而是根据超声頻域的机械振动来驱动电机。超声破电动机与传统的电动机相比，有如下优点：1） 不受磁场影响。超声波电动机由于。是根据超声振动来驱动，所以
5、它的工作不收菜场影响，并且它工作时也不会产生磁场。2） 制动性和响应快。超声波电机的定转子之间用较大的预紧力压紧，断电后有很大的自锁力，转子惯性小，响应快，机械时间常在1ms范围内，即控制性能优越。3） 低速大力矩和无噪音。超声破电动机在低速时就可以输出比较大的力矩，不要减速机构，可以直接作驱动用。超声波电动机在超声频域工作，所以不会产生噪音。基于以上的优点和超声电动技术的日趋成熟，人们越来越关心这种新型电机的使用价值。如何在生产和生活的各方面应用超声波电动机，以成为超声波研究领域的新课题。本文采用超声波电动机来驱动工作台来实现微米级定位。在使用超声波电动机的工作台可以使加工的零件更接近加工要
6、求。2.2 国外x-y数控工作台系统研究现状目前，先进的数控技术掌握在一些欧美国家，如西班牙FAGOR、德国SIEMENS、美国A一B、法国的NUM、日本OKUMA、FANUC、MITSUBISHI。其中日本的FANUC德国的S工EMENS以优越的、稳健的数控系统功能而占据着世界机床市场。日本是数控系统生产大国，同样x-y数控工作台的发展也在世界前列。FANUC年产量达到了世界总产量的一半， 1987年推出了至今仍占领先进地位的FANuC一15，先后又推出了FANuC一16、FANUC一18和FANUC一20等系统同样工作台也随着变化而加工精度也随之提高。80年代，美国制造业开始衰退，为了重新
7、振兴机床工业，国家制造科学中心(NCMS)与空军制定了“下一代工作站/机床控制器”体系结构的研究计划，简称NGC(Next Generation workstation/Machine Controller)，开始了开放式控制系统的研究。由于传统的控制系统是一种封闭式系统，相互兼容性不好，内部结构复杂，维修不便，更难于升级和二次开发而开放式控制系统结合先进 CAD/CAM/CAPP技术，是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统，并且适应制造业的FMs/CIMS发展要求。基于标准PC的开放式数控系统，能提供自由的设备组合、友好的操作界面、先进的通讯工具，颇受关注。研究机构如美国三大汽车公司的
8、 OMAC(Open Modular Architecture Control)项目;欧共体的“自动化系统中开放式体系结构OSACA(OpenSystem Architecture for Control within Automation Systems);日本的OSEC(Open System Environment for controller)计划等。这标志着对新一代数控系统的研究如火如茶，商业应用前景非常广阔。当然随着机床技术的突破，新型的工作台也随着产生近一步促进了工业领域的发展。2.3 我国x-y数控工作台技术与国外的差距我国x-y数控工作台和机床在产品水平、技术和品种上与国外有
9、着很大的差距, 主要体现在高速和高精度等新技术上。对于高速加工中心, 国外机床在进给驱动上, 滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在40m/min以上, 最高已达到90m/min。国内加工中心快速进给大多在30m/min左右, 个别达到60m/min。在加工精度上, 国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统,加工精度比较稳定, 而国内尚在研发中。清华大学学生孔庆忠和高钟毓设计了具有轨迹预览功能的工作台。这工作台是以pc104为控制器，步进电动机驱动的开环系统。程序用c语言编写，直线、圆及圆弧插补功能，粗插补数据集中管理，为图形显示和精插补提供数据。精插补采用直线插补算法。优点（1）这个系统有轨
10、迹预览功能，大大方便了操作人员的操作、形象、直观。（2）具有便利的人机对话功能，输入数据和修改极为便利。（3）通过轨迹的预览，便于操作人员对设备的调整，以免发生失误。（4）目前程序的运行环境为turboc2.0,若在visualC+下运行，操作界面会更好。这是在国内较先进的。2.4 x-y数控工作台系统的发展趋势2.4.1 高速、高精度、高可靠性速度和精度是数控产品的两个重要指标，它体现着零件的加工效率和质量。提高主轴转速、和进给速度、减小换刀时间、提高数据处理速度和工作台的精度等实现高速加工。高精度就是零件的精度等级达到了微米级、纳米级，从普通加工、精密加工到超精密加工，使产品满足现代工业的
11、加工精度要求。保证零件加工效率和质量，还要求数控机床有很高的可靠性，一般数控系统和工作台的可靠性要高于数控设备的一个数量级，使其平均无故障运行时间MTF在一个合适的范围上。2.4.2 复合化x-y数控工作台具有多功能复合加工能力，集车、铣、钻、锉等功能于一身，提供多轴控制和多轴联动控制，使零件加工工序或工艺集中，实现零件一次装夹后完成各种复杂曲面的全部加工，如各种机械加工中心。不仅保证了加工精度，减少了辅助时间，还提高了生产效率。2.4.3 智能化人工智能渗透到数控技术领域，利用自适应控制、神经网络、模糊控制、专家系统、前馈控制、等技术实现机械加工过程中数控装备动态的响应外界变化，使机床达到加
12、工时最佳状态。2.4.4 柔性化、集成化、网络化产品的多样化、个性化的需求要求数控机床具有模块化、可重构、可扩充的柔性化特点，如具有统一处理任何曲线的插补技术、进行二次开发的接口等，便于技术移植、系统设计研究，提高了工作台使用柔性。柔性化又要求工作台装备采用高度集成化的功能模块芯片和应用数控技术的网络化。3 我国数控产业及x-y数控工作台发展存在的问题3.1 数控化水平低近年来，我国数控机床一直保持两位数增长。2002 年产量居世界第四。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率还不到30；消费值数控化率还不到50，而发达国家大多在70左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠
13、进口。我国经济型数控车床最高转速一般在2000r/min，个别转速达8000r/min，坐标定位精度一般在0.01mm，重复定位精度在0.005mm ，工作精度圆度在0.01-0.005mm 之间，表面粗糙度Ra0.8-1.6 m。长城机床厂CK7815C 主轴最高转速3500r/min，快速行程X 轴9m/min，Z 轴12m/min，定位精度X 轴0.016mm，Z 轴0.025mm，工作精度圆度0.007mm，表面粗糙度Ra 1.6 m。德国SPINNERTC46 数控车床最高转速4500r/min，快速移动X 轴10m/min，Z 轴20m/min。该公司超精密SB/PD/UP 系列数
14、控车床，重复定位精度0.1 m，工件圆度0.3 m，可实现镜面车削，可选配第二主轴/C 轴/ 动力刀架。国产数控系统MTBF 可靠性大都超过1 万小时，但国际上先进企业数控系统MTBF 已达8 万小时。国产数控车床、加工中心MTBF 虽有少数厂达500 小时，但国际上先进水平已达800小时。对国产加工中心刀库机械手、数控车床刀架，用户仍不放心，定位精度，特别是重复定位精度也有待提高。至于外观、漏油等老问题仍与工业发达国家产品有差距。3.2 功能部件跟不上数控功能部件是指数控系统、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置、等。它们是x-y数控工作台的重要组成部分。功能部件技术水平的
15、高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着x-y工作台和数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。但功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。3.3 缺乏产业规模在一段时间里, 我国数控机床产品品种相对较少, 开发和交货周期较长, 由于没有按市场需求进行开发, 批量不大, 不能满足市场需求, 市场占有率较低; 质量不稳定(可靠性是突出的质量症结) , 性能水平与国外相对有一定差距, 竞争力不强; 软件开发投入不足, 开发的数控系统缺少共同的软件规范和支撑
16、平台, 尚未实现系列化、商品化, 没有产业规模。3.4 缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系40 多年来, 我国政府对数控机床的发展给予了大量的财力和物力支持, 在政策上也陆续出台了一些支持措施, 对数控机床的发展起了很好的促进作用。但在政策的配套及相互制约方面力度不够, 在引进外资和扩大开放的同时, 对国产数控机床的必要保护显得过于单薄。例如, 进口产品可以免除关税和进口环节税, 而国内产品却很少能享受这种待遇。同时, 数控机床的发展需要较高的零部件专业化技术配套体来支承, 而我国工业发展的总体水平尚不能满足这种体系的建立, 国家对这种配套体系的建立没有大举措出台, 也缺少相应的政策支持,
17、因而未能对数控产业的发展起到更有力的推动作用。3.5 缺乏技术创新、产品更新和产业调整的内在动力1994 年, 机床工具工业总产值(1990 年不变价) 达到176 亿元, 销售收入达到200 亿元, 机床总产量创记录地达到26 万台。普通机床、一般量刃具等的比例高达93% 以上, 但数控机床、专用机床及各种自动线所占比例却很小。在当时过热的经济增长刺激下, 各类产品均出现供不应求的现象。在普通机床销售势头良好的形势下, 机床工具行业被市场假像所迷惑, 大部分企业顾及眼前利益, 没有及时依靠壮大起来的财力进行调整, 而是一味加大普通机床产量, 放弃了已开始进行的产业调整、产品调整、组织结构调整
18、, 放松了技术创新,看不到产业的发展趋势, 从而错过了调整的最佳时机, 丧失了更进一步发展的技术基础和产品基础。3.6 面临国外强手竞争的巨大压力进入90 年代以来, 我国国内市场对数控机床和数控系统迅速增长, 成为工业发达国家竞相争夺的目标。面对强手如林的国际竞争对手, 国内数控机床和数控系统无论是性能、质量, 还是价格都难以与发达国家产品相抗衡, 面临着进口冲击的强大压力。4 我国数控产业发展的条件和战略思路4.1 稳定增长的市场需求近期, 国家为扩大内需, 通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。正在执行中的“国家财政技改专项”和“高新技术产业化项目”, 都将形成对数
19、控机床新的市场需求。这将为我国数控产业发展带来新的市场机遇。4.2 现有的发展条件(1) 目前我国主要数控机床生产企业年产能力为10 000 台, 其中经济型数控机床为5 000 台以上。到“九五”末期, 数控机床生产达到15 000台。(2) 到“九五”末期, 我国数控系统生产能力为15 000套, 其中经济型数控系统约为6 500 套。(3) 我国主要数控机床配套企业已初具规模,其中, 机床数控刀架、滚珠丝杆、滚动导轨、机床电器都引进了技术, 能为主机配套。(4) 我国主要数控机床生产厂通过“八五”和“九五”期间的技术改造, 数控机床生产能力有了很大提高, 进口了一批关键加工设备, 提高了
20、关键件的加工质量和效率, 新建了一批装配调试厂房, 改善了数控机床制造的装备条件, 基本具备了产业化生产能力6 两种现有较成熟的数控技术6.1伺服驱动系统伺服系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统，作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，在很大程度上决定了数控机床的性能，研究和开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。伺服系统按照控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统、闭环系统和半闭环系统。其控制流程图分别如下三图：图1-1开环控制流程图图1-2闭环控制流程图图1-3半闭环控制流程图开环控制系统不具有位移检测和反馈装置，因此控
21、制精度低，但结构简单，稳定性好，成本低适用于小型和经济性数控机床。闭环控制系统具有位移检测装置，可以补偿误差，控制精度高，但稳定性差，结构复杂，维护较难，多适用于大型精密数控机床。半闭环控制系统不同于闭环控制的测量工作台的实际位移量，而是检测电机的转角，抛开了一些如传动系统刚度和摩擦阻尼等非线性因素，系统调试比较简单，稳定性较好且采用高分辨率的元件，也可以得到比较满意的精度，因此，广泛应用于中小型数控机床上。6.2 数控工作台常用伺服电机步进电机近30年来，数字技术、计算机技术和永磁技术的迅速发展推动了步进电动机的迅猛发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的空间。步进电动机是一种数字控制电动机，可
22、以直接使用数字信号驱动，不需要数模转换，在数控机床行业得到了广泛的应用。6.2.1 步进电动机的分类（1）步进电动机的分类步进电动机主要包括三类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混和式步进电动机。1）反应式步进电动机，简称VR。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有电阻，结构简单，成本低，步距角可以做的很小，并且可以传递大扭矩，但动态性能差。2）永磁式步进电动机，简称PM。它的转子是由永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，转子的级数与定子的级数相同，步距角一般较大。输出转矩大，动态性能好，需供给正负脉冲信号。3）混合式步进电动机，简称HB。它综合了反应式和永磁式两者的优点，输出转矩大，动态
23、性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。6.2.2 步进电动机的振荡和失步 影响步进电动机正常运行的主要是振荡和失步。振荡主要发生于低频区、共振区、步进电动机突然停车时。在低频区，步进电动机单步运行，到达平衡点时，转子由于惯性不能停在平衡点而反相，造成振荡。在共振区，步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡频率或分频和倍频时，由共振原理知震荡加剧。失步主要有两种原因：转子的转速慢于旋转磁场的速度和转子的平均速度大于旋转磁场的速度。6.2.3 消除振荡消除振荡主要通过增加阻尼的方法来实现：1) 多相励磁法。多相励磁会产生电磁阻尼，削弱振荡。如三相步进电动机的六拍方式。2) 变频变压法。主要是采用
24、高低频使绕组在低频时电流减小。3) 细分步法。 是将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干等级，每进一步，电流升一级，同时，相对的提高步进频率，使步进过程平稳。4) 反相阻尼法。顾名思义，即在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平横惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。6.2.4步进电机的发展上海交通大学的李峻、李学全、胡德金研究的步进电机的运动控制系统是基于DSP的步进电机运动控制。系统采用了闭环控制系统方式提高了系统的控制精度、品质，同时采用CPLD简化硬件提高系统的稳定性和可靠性，整个系统在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高。采用DSP作为系统控制微处理器，并结合复
25、杂可编程逻辑器件CPLD，设计了步进电机的数字运动控制系统。整个系统选用器件少，在实时性和灵活性等性能上都有很大的提高，有利于步进的电机的运动控制。步进电机运动控制系统采用DSP作为控制系统的微处理器，并结合采用CPLD，使整个系统具有如下特点：（1） 系统采用器件少，硬件结构简单。（2） 采用数字控制的方式，提高了整个控制系统的稳定性及可靠性。（3） 所用的DSP的中断处理速度高，计算速度快，系统的跟踪信号频率大于400kHz。（4） 采用定步法计算步进电机的控制脉冲时间常数，并对控制信号线性化处理，大大减小了计算量，使的步进电机可以不失步地在高速情况下跟踪主轴的转速和位置，跟踪误差为0.7
26、5（5） 本系统也可用作经济型数控机床的控制系统，同时还用于物流系统中物料自动定位、运输等工业自动化领域。哈尔并工业大学李晓菲研究了步进电机加减速控制规律并提出了新优化方法:电机的加减速趋势采用理论计算得到啊指数加减速曲线趋势，上升和下降的台阶数分别去相应的理论优化曲线的一半，然后每个上升台阶走5步，每个下降台阶走3步这样就可以保证电机正常运行，而且有较快的速度，同时减少了运动的台阶数，使曲线更简单，同时即使负载有少量的变化，电机也可以正常运行，使系统的鲁棒性更好。这个做法从根本上来说对于步进电机的减速过程，其实是加减速过程与运动时间之间的辩证关系，加减速趋势越好，时间越短；同时，影响因素还包
27、括电机所取每步的速度差距的大小，以及加速过程的长短。在x-y工作台的半闭环控制系统设计中吉林省民航机场集团公司的王文杰和宋扬提出了基于AT89C51单片机的x-y半闭环控制系统软硬件设计方案及及一些注意的问题，由于是开放性设计，使之具有很强的可移植性和使用性。该技术已经运用到车床、铣床的数控化改造技术上，效果良好。实际运用中还应该注意其抗干扰设计7 小结数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、智能化、复合化等的基础。随着科学技术的发展，数控技术发展也会越来越快，这也意味着它所需要考虑和处理的技术与非技术问题越来越多。中国的数控系统已经历了40 年的发展。数控技术发展应根据我国
28、的实际情况，制定符合国情的总体发展战略，朝着高可靠稳定、高速度、高精度化、智能化、数控编程自动化、网络化方向发展。参考文献1 盛伯浩.数控机床的现状与发展.装备维修与改造，2004，（1）. 2 李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策.中国制造业信息化，2002，（7）.3 周祖德,魏仁选,陈幼平.开放式控制系统的现状、趋势及对策. 中国机械工程,1999 ,1 (10):10901093.4 周凯.数控技术与产业发展途径探讨.中国机械工程，2001，（5）.5 胡兴军,屈平. 我国数控机床产业发展现状综述J. 精密制造与自动化, 2004 (2) : 4 - 6.7 梁训瑄. 我国机床工业已跨入世界行列第一方阵J. 锻压装备与制造技术, 2003 (4) : 11 - 14.8 杨永. 现代数控系统的动向J.广东技术师范学院学报,2003 (6) : 45 - 47.9 朱晓春. 数控技术.北京：机械工业出版社,2006.4 .10 王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002，181214.