数控机床及其发展与趋势资料.pdf

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1、数控机床及其发展与趋势 姓名 ： 邓 星 淋 班级 ： 12806 学号 ： 专 业 名 称 ：数 控 技 术 与 应 用 指 导 老 师 ： 余 俊 毕 业 学 校 ：成 都 理 工 大 学 2015 年 2 月 25 日 数控机床及其发展与趋势 摘要 数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量， 机械制造，是典型的机电一体化产品。 它的发展和应用开创了制造业 的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理方式，使世界 制造业的格局发生了巨大的变化。 本文主要讲述了数控机床国内外的 发展概况，现代数控技术的发展趋势。介绍了数控机床的特点，组成 与分类。 关键词：数控机床发展 趋

2、势 组成 分类 概述 结构 目录 前言 1 数控机床概述 . 1.1 数控机床的起源 1.2 数控机床的发展 1.3 数控机床的工作原理及组成 . 1.4 数控机床的复合化 2 国产机床的发展现状 2.1 国产机床与国际先进技术的差距在减小 2.2 国产机床的核心技术始终严重缺乏 3 国内数控机床的发展趋势 . 3.1 智能、高速、高精度化 3.2 设计、 制造绿色化 . 3.3 复合化与系统化 . 前言 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了 革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高， 生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的 现

3、代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产 品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零 件、需要频繁改型的零件、 价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精 密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100% 检验的 零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发 展的重要装备。 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）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代 的区别，不在于生产什么， 而在

4、于怎样生产， 用什么劳动资料生产” 。 制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术 又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广 泛采用数控技术， 以提高制造能力和水平， 提高对动态多变市场的适 应能力和竞争能力。 此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控 装备列为国家的战略物资， 不仅采取重大措施来发展自己的数控技术 及其产业，而且在 “高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封 锁和限制政策。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已 成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要 途径。 1 数控机床概述 1.1 1.2 数控机床的

5、起源和发展 1946年诞生了世界上第一台电子计算机， 这表明人类创造了可增强 和部分代替脑力劳动的工具。 它与人类在农业、 工业社会中创造的那 些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃， 为人类进入信息社 会奠定了基础。 6年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞 生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪 以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.1、数控（ NC ）阶段（ 19521970 年） 早期计算机的运算速度低， 对当时的科学计算和数据处理影响还 不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电 路“ 搭“ 成一台机床专用计

6、算机作为数控系统，被称为硬件连接数控 （HARD-WIRED NC），简称为数控（ NC ）。随着元器件的发展，这个 阶段历经了三代，即1952 年的第一代 - 电子管； 1959 年的第二代 - 晶体管； 1965 年的第三代 - 小规模集成电路。 1.2、计算机数控（ CNC ）阶段（ 1970年现在） 到 1970 年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移 植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC ）阶 段（把计算机前面应有的“通用“ 两个字省略了）。到1971 年，美国 INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件- 运算器和 控制器，采用大规模集成

7、电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理 器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU ）。 到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功 能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称 之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性 也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处 理器结构来解决。 由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为 计算机数控。 到了 1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已 发展到很高的阶段， 可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系 统从此进入了基于PC的阶段。

8、 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970 年的第四代 - 小 型计算机；1974 年的第五代 - 微处理器和 1990年的第六代 - 基于 PC （国外称为 PC-BASED）。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC ）了， 而我国仍习惯称数控（ NC ）。所以我们日常讲的 “ 数控“ ，实质上已是 指“计算机数控 “ 了。 1.3 数控机床的工作原理及组成 数控机床工作原理和结构简介 随着科学技术的发展， 机电产品日趋精密复杂。 产品的精度 要求越来越高、 更新换代的周期也越来越短， 从而促进了现代制造业 的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通 机

9、床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求， 从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综 合运用了计算机技术、 自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机 电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统） 的自动化机床。 该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编 码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的 刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控 制刀具与工件相对运动， 加工出所需要的零件的机床， 即为数控机床。 1. 数控机床工作原理 按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后 将加工程序输

10、入到数控装置， 通过数控装置控制机床的主轴运动、进 给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开， 冷却、润滑泵的开与关， 使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和 参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。 2. 数控机床结构 数控机床主要由控制介质、 数控装置、伺服系统和机床本体四个部分 组成。 数控机床的加工过程 1 ）控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零 件加工的工艺过程、 工艺参数和刀具运动等， 将这些信息输入到数控 装置，控制数控机床对零件切削加工。 2）数控装置数控装置 是数控机床的核心， 其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的 系统软件和逻辑电

11、路进行译码、运算和逻辑处理， 向伺服系统发出相 应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。 3）伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说 数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系 统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给 速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系 统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实 际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 4）机床 本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结 构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条

12、传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。 1.4 数控机床的复合化 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成 品的多种要素加工。 根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型 两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车 削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面 多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加 工，减少了工件装卸、 更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产 生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产 效率和制造商的市场反应能力， 相对于传统的工序分散的生产方法具 有明显的优势。

13、 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发 展。 2 国产机床的发展现状 2.1 国产机床与国际先进技术的差距在减 小 1 ）标准 看一台机床水平的高低， 要看它的重复定位精度， 一台机床的重复 定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准. 、统计法 ), 就是一台高精度 机床，在 0.005mm(ISO标准.、统计法 )以下，就是超高精度机床，高 精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。 谈到数控机床的“精度”时，务必要弄清标准、指标的定义及计算方 法。 日本机床生产商标定“精度”时，通常采用JISB6201 或 JISB6336 或 JISB6338 标准。JISB6201 一般用于通用

14、机床和普通数控机床， JISB6336 一般用于加工中心， JISB6338则一般用于立式加工中心。 上述三种标准在定义位置精度时基本相同，文中仅以JIS B6336作为 例子，因为一方面该标准较新，另一方面相对于其它两种标准来说， 它要稍稍精确一些。 欧洲机床生产商，特别是德国厂家，一般采用VDI/DGQ3441 标准。 美国机床生产商通常采用NMTBA(National Machine Tool Builders Assn)标准( 该标准源于美国机床制造协会的一项研究，颁布于1968 年，后经修改 )。 上面所提到的这些标准，都与ISO标准相关联。 加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为

15、例对比国内外的水平， 国内大致为 0.0080.010mm ，而国际先进水平为0.002 0.003mm. 我国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，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与技术发展，仍存在较大差距， 大部分处于技术 跟踪阶段 . 超精密加工目前是指尺寸和位置精度为0.010.3 m ，形状和轮廓 精度为 0.003 0.1m ， 表面粗糙度钢件 Ra0.05m 、 铜件 Ra 0.01 m 。国内研制的超精密数控车床、数控铣床已投入生产使用。当前 在品种上需发展超精密磨床和超精密复合加工机床，同时要进一步提

16、升超精密主轴单元、超精密导轨副单元、超精密平稳驱动系统、超精 密轮廓控制技术及纳米级分辨率数控系统的性能并加快其工程化。 超精密机床主要用于解决国内高新技术和国防关键产品的超精密加 工，虽然需求量不很大，但它是一项受国外技术封锁的敏感技术。另 一方面，超精密加工技术的深化研究， 它的成果的下延将有助于需要 量大的加工精度在亚微米级的高精密机床的研发和产业化。 2 ）国产机床的进步 近两年，我国重型数控机床发展最快，如重型数控龙门镗铣床， 重型落地镗铣床， 重型立、卧式车床等的年产量和市场消费量已居世 界第一。重型机床发展之快速是我国电力、船舶、石化和矿山等重型 设备制造大量需求直接拉动的反映。

17、一批新产品如数控双龙门镗铣 床、龙门车铣复合加工机床、 动梁可交换工作台可换铣头五面体龙门 加工中心等研制成功；关键技术，如静压导轨和静压轴承技术、同步 控制和运动补偿技术、 五轴联动技术、 大功率双摆角铣头和重型回转 工作台的技术攻关相继突破，标志着我国重型机床发展达到新的高 度。 北京第一机床厂开始制造国内单机产值最大（8700 万元/ 台）的超 重型数控龙门镗铣床，目前一批世界之最的超重型机床陆续投入研 制，将引导我国进入世界重型机床制造强国之列。 武汉重型机床集团制成XKD型超重型数控双龙门镗铣床， 并投入自 用。该机床为双龙门移动式，4 铣头，龙门宽度 6.8m,加工长度 57m.

18、双龙门移动式 4 铣头结构属于国内首创。 齐重数控装备有限公司试制成功BVDM3155MC 型立式铣钻中心， 该机床采用双柱龙门框架结构，双刀架双24 刀库，中心主轴出水功 能，转速达到 5000r/min, 静压导轨回转工作台C轴功能，工作台直 径 3150mm, 定位精度 5，最大加工直径3150mm, 工件重 20t, 该机床 用于大型风电轴承加工，填补国内空白。 齐齐哈尔二机床集团公司试制成功XK2127型五轴数控动梁龙门镗 铣床。该机床采用长跨距重载滚珠丝杠及辅助装置，全自动附件交换 装置， 主轴浮动夹刀装置，横梁液压比例平衡等新技术， 工作台 8000mm 3000mm, 主轴转速

19、 52000r/min, 伺服电动机功率 24kW,可实现多轴 控制，五轴联动。 沈阳机床（集团）有限责任公司研制成功GMC2060u 桥式龙门五轴 加工中心。机床在 X向双向驱动的同步控制及调整技术、五坐标联动 误差补偿技术、机床总体结构和拓扑优化有所突破，在高速、高精度 和高刚度方面有所进展。机床参数：XYZ:6300mm 2500mm 1000mm; 主轴转速 24024000r/min, 快速移动 30m/min,A 轴 95 110，C轴360。该机床在军工业广泛应用。 大连机床集团有限责任公司制成VX3260动梁可交换工作台可换 头五面体龙门加工中心，工作台长200012000mm

20、, 宽 16003000mm, 承重 30t,X YZ:7600mm 4700mm 1000mm, 采用滚动直线导轨、电 主轴和数控双摆角铣头。机床在关键技术设计制造上有新突破。 秦川机床集团公司 2008年开发出 VTM260 型龙门式铣车复合加工中 心，机床具有七轴五联动功能， 复合化程度较高， 可一次装夹实现车、 铣镗、钻、攻螺纹和车螺纹等功能。工作台直径2600mm, 最大车削直 径 3600mm, 车削主电动机功率90kW,工作台车转速 1100r/min, 工作 台铣转速 02r/min, 铣轴电动机功率37kW,主轴转速 1500r/min,C 轴 定位精度 20。 3 ）国产机

21、床与国际先进水平的差距 尽管我国重型机床行业在最近几年来有了长足进步，取得可喜 的发展。但是绝大部分中、 高档重型数控机床还是依靠进口，其中德 国和意大利的产品较多， 它们代表着世界先进水平。 国内产品与国外 产品在结构上的差别并不大， 采用的新技术也相差无几， 但在先进技 术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。新产品开发 能力和制造周期还满足不了国内用户需要，零部件制造精度和整机精 度保持性、可靠性尚需很大提高， 尤其是在与重型机床配套的数控系 统、功能部件，如刀库、机械手和两坐标铣头等部件，还需要境外厂 家配套满足。 国内重型机床制造企业的制造能力很强，但大而不精，其主要原 因

22、还是加工设备落后， 数控化率很低， 尤其是缺乏高精水平的加工设 备。同时，国内企业普遍存在自主创新能力不足，因为重型机床单件 小批量的市场需求特点， 决定了对技术创新的要求更高。国内重型数 控机床产品与发达国家着名企业相比仍存在一定差距，产品水平的差 距主要体现在： （1）主轴转速国外先进水平已发展到最高达30004000r/min, 而国内主要徘徊在8001500r/min. （2）快速进给国外先进水平达2000030000mm/min, 而国内 主要在 600010000mm/min. （3）精度国外先进水平定位精度0.015/1000mm,重复定位精 度 0.0030.007mm;国内产

23、品定位精度0.025/1000mm,重复定位精度 0.010.015mm. （4）其他机床的可靠性、精度的稳定性、复合多功能、柔性 化、智能化方面不如国外厂家，外观质量也有明显的差距。 国内厂家尽管技术略逊于国外先进水平，但在制造能力和价 格上有很大的优势， 尤其是超重型机床已达到当代国际先进水平。我 们相信，我国重型机床制造随着科技进步与艰苦奋斗的努力，一定会 也正在逐步缩小与世界先进水平的差距。 2.2 国产机床的核心技术始终严重缺 乏 数控机床的核心是： 1. 制造精度； 2. 自动化程度； 主要是这两点，目前我国的数控机床设备只有华中数控和广数及 沈数比较好点，其它的厂家都受制造技术难

24、题的困扰；（数控系统多 为日本法兰克和西门子居多） 在制造精度上更无法与欧美国家相比，有些国家把高精密的数控 机床列为国家级战略设备， 封锁对我国的技术输出。 有些虽然卖给我 们可拆卸（哪怕移动位置）机床类都有密码自锁功能，使我们根本无 法使用。 国产机床不管是制造精度还是自动化程度都没有国际先进水平 那么好，甚至差很多。所以国产机床的核心技术始终严重缺乏。 3 国内数控机床的发展趋势 3.1智能、高速、高精度化 新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展， 采用新型 功能部件 (如电主轴、直线电机、 LM直线滚动系统等 )主轴转速达 15,000r/min以上。计算机技术及其软件控制技术

25、在机床产品技术中 占的比重越来越大， 计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床 系统及其硬件结构的简化， 数控机床的智能化程度日趋提高。一台机 床的重复定位精度如果能达到0.005 mm(ISO 标准、统计法 ) ，就 是一台高精度机床，在0.005mm(ISO 标准、统计法 ) 以下，就是超 高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助 制造(CAM) 系统的发展，精密度已达到微米级。 3.2 设计、制造绿色化 绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个 生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲 产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开

26、发、制造及其活动 对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最 小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计；可 拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设 计等。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模 式，通过绿色生产过程生产出绿色产品。数控机床在制造时要考虑： 节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环保型工艺设计等。随 着世界经济的迅速发展，尤其是国内改革开放以来工业化程度的加 快，所带来的环境污染问题越来越严重，环境保护的呼声越来越高， 环保问题已经成为各国经济可持续发展的制约因素之一。数控机床作 为装备制造业的核心， 能否顺

27、应环保趋势， 加大绿色设计与制造的研 制，将是影响经济发展的重要要素之一。 3.3 复合化与系统化 工件一次装夹， 能进行多种工序复合加工， 可大大地提高生产效 率和加工精度，是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对 制造速度的要求也相应提高， 机床也朝高效能发展。 机床已逐渐发展 成为系统化产品， 用一台电脑控制一条生产线的作业。产品对外观曲 线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复 合化已是不可避免的发展趋势。 结论 虽然经过多年的发展，我国数控机床技术取得较大的进步， 在世界市场上也占有比较重要的地位，但是我们也应该清晰地看到， 在中、高档数控机床的可靠性和数控机床的配套设施方面以及数控机 床的一些先进产品与技术， 与国外发达国家相比仍有一定的差距，因 此，还应做好以下几个方面：1）数控技术创新； 2）加大数控专业人 才的培养； 3）积极消化国外先进数控技术；4）建立健全数控技术的 产学研体系。只有这样我国数控机床水平才能处于世界领先水平。