數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、學生畢業(yè)設計（論文）報告畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目 數(shù)控車床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一、 選題的背景和意義：數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視。 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)

2、展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。二、 課題研究的主要內容：1 分析我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀2 分析現(xiàn)在數(shù)控機床的各部分的組成及優(yōu)劣3 當前數(shù)控機床的發(fā)展趨勢4 市場對數(shù)控機床的需求情況5 推進UM工程，研制高效精密數(shù)控機床6 例舉西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)介紹三、主要研究（設計）方法論述：本課題主要是在所掌握的關于數(shù)控車床知識的基礎之上，通過大量的資料了解數(shù)控車床的結構及相關專業(yè)知識，并了解其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。首先分析現(xiàn)在數(shù)控機床的發(fā)展情況，相比較出機床各組成部分的優(yōu)

3、劣。而后通過網(wǎng)上了解當前數(shù)控機床的發(fā)展趨勢，調查市場各個行業(yè)對數(shù)控機床的產(chǎn)品的綜合要求。深度探索數(shù)控機床的產(chǎn)品對精度的要求，發(fā)展復合加工數(shù)控機床，縮短制造過程鏈。最后例舉西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)及介紹。 四、設計（論文）進度安排：時間（迄止日期）工 作 內 容8.18.2選題，熟悉課題，明確任務要求，查找、收集、分析資料。8.38.5完成開題報告，并提交指導老師。8.68.9闡述機電一體化技術和辦公自動化的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢。8.108.13對辦公自動化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢提出實際需求8.148.17以辦公實際需求為目標將機電一體化技術應用到辦公自動化設備中8.188.21展望

4、機電一體化技術在辦公自動化設備中的應用8.228.25總結并整理所有資料，規(guī)范論文格式8.268.27在指導老師的幫助下進行修改，進一步完善初稿。8.288.30翔實相關論點、論據(jù)，準備畢業(yè)設計的答辯。五、指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日六、系部意見： 系主任簽名： 年 月 日數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目 錄第一章 緒論71.1 課題研究的目的和意義71.2 國內外數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況81.3 本課題研究的主要內容9第二章 數(shù)控機床的現(xiàn)狀92.1現(xiàn)代數(shù)控機床的兩個基本評定指標92.2 中國數(shù)控機床現(xiàn)狀102.2.1數(shù)控機床的現(xiàn)狀102.2.2 中國發(fā)展數(shù)控機床存在的主要問題11

5、2.3 分析現(xiàn)代數(shù)控機床的組成112.3.1床身和導軌112.3.2.主軸變速系統(tǒng)122.3.3.刀架系統(tǒng)122.3.4.進給傳動系統(tǒng)13第三章 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢143.1 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢143.1.1 高速、高精密化143.1.2 高可靠性143.1.3 數(shù)控車床設計CAD化、結構設計模塊化143.1.4 功能復合化143.1.5 智能化、網(wǎng)絡化、柔性化和集成化153.2 國內對到數(shù)控機床需求15第四章 數(shù)控機床發(fā)展點1741推進µm，工程研制高效精密數(shù)控機床1742發(fā)展復合加工數(shù)控機床、縮短制造過程鏈1743高效柔性化的新一代制造系統(tǒng)1844發(fā)展網(wǎng)絡化制造單元，推進企業(yè)制造

6、能力的高效柔性化1945西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)介紹19第五章 結束語21答謝詞22參考文獻23數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢摘要：從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。  隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術和現(xiàn)代設計技術的飛速進步，數(shù)

7、控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產(chǎn)加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢。關鍵詞：數(shù)控車床；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢NC Machine Tool Status Quo And Development TrendABSTRACT：From the middle of the 20th century since the emergence of CNC technology, CNC machine tools to machine manufacturing industry has brought a revo

8、lutionary change. CNC machine tools is a highly integrated mechanical and electrical products, applicable to processing multi-variety low-volume parts, the structure of more complex, high precision parts, the need for frequent modifications of the parts, the high cost of scrap key parts are not allo

9、wed to require replication precision parts, the need to shorten the production cycle of the urgent need for spare parts as well as the requirements of parts 100% inspection. The characteristics of CNC machine tools and their application into the national economy and national defense construction, an

10、d equipment development. With the manufacturing of CNC machine tools, as well as the high demand of computer technology and modern design techniques of rapid progress, the scope of application of CNC machine tools is also growing, and the continuous development of more adapted to the needs of produc

11、tion and processing. This paper analyzes the high-speed CNC machine tools, precision, complex and intelligent, open, network-based, multi-axis, and the development trend of green, and so on.Keywords：CNC Lathe；current situation；Development trends第一章 緒論1.1 課題研究的目的和意義 數(shù)控系統(tǒng)對于國家經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義，客觀地審視我國數(shù)控系

12、統(tǒng)當前的形勢，結合我國當前宏觀經(jīng)濟運行的環(huán)境和條件，正確分析行業(yè)特點和產(chǎn)業(yè)特性，采取正確的方針和措施，是我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的基礎。 客觀地審視我國數(shù)控系統(tǒng)當前的形勢，結合我國當前宏觀經(jīng)濟運行的環(huán)境和條件，正確分析行業(yè)特點和產(chǎn)業(yè)特性，采取正確的方針和措施，是我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的基礎。 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)要發(fā)展起來，不是簡單的某一家數(shù)控企業(yè)發(fā)展起來，而是中國數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)整體共同進步。用戶對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)信心不足，不是對哪一家，而是對整個國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)不認可。現(xiàn)在的狀況是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)都在低端市場殺得你死我活，而不能凝聚在一起，在中、高端市場與國外系統(tǒng)抗衡。我們認為，只有國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)企

13、業(yè)團結一致，才有實力與國外系統(tǒng)競爭。在國家提倡自主創(chuàng)新的大環(huán)境氛圍下，用戶都覺得支持國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)是自己的義務，從被動變?yōu)橹鲃拥剡x用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。有了用戶的支持，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)才可以快速發(fā)展起來。在支持民族產(chǎn)品還是使用洋品牌的問題上，國人進行著不斷的爭論。在數(shù)控系統(tǒng)方面，耳熟能詳?shù)奈鏖T子、三菱、松下、施奈德、AB等等占據(jù)著大量市場和機械制造商的大腦，信賴國際品牌，降低自己售后風險，提升自己產(chǎn)品品味依然是很多商家的思路。民族品牌在此艱險的環(huán)境中不斷慢慢壯大。在這種情況下，筆者了解了廣州正騰數(shù)控技術有限公司，這個在印刷機械數(shù)控系統(tǒng)領域起步，依托廣東工業(yè)大學自動化學院慢慢成長，依靠自己稚嫩的肩膀，從間歇

14、式（全輪轉）印刷機控制系統(tǒng)研發(fā)成功并推廣開始，就不斷與眾多世界知名品牌產(chǎn)品相抗衡至今，深深體會到在這個環(huán)境中發(fā)展自己品牌的艱辛。付出終有收獲，廣州正騰數(shù)控這個新興數(shù)控企業(yè)會不斷完善自己，向更多領域邁進，肯定會隨著民族數(shù)控業(yè)的發(fā)展而更加壯大。 數(shù)控系統(tǒng)是先進制造業(yè)機械的靈魂和大腦，對于國家經(jīng)濟發(fā)展具有超越其巨大經(jīng)濟價值的戰(zhàn)略意義。數(shù)控系統(tǒng)涉及面非常廣，從數(shù)控機床到專業(yè)數(shù)控機械，印刷、包裝、紡織、各類產(chǎn)品制造等等，如此巨大市場就是國內外數(shù)控企業(yè)不斷明爭暗斗的原因。過去數(shù)十年間我國也曾投入數(shù)億元開展數(shù)控攻關，但總體思路還是引進國外技術，而國外對我國卻一直采取技術封鎖、高檔產(chǎn)品限制、低檔產(chǎn)品傾銷的歧視

15、政策。盲目效仿國外，只會落后挨打，受制于人，中國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的唯一出路，就是走自主創(chuàng)新之路，用中國人自己的核心技術振興中國數(shù)控產(chǎn)業(yè)。創(chuàng)新的技術和產(chǎn)品，意味著新生事物，要被行業(yè)和用戶認同是一個非常艱難的過程。有很多具有非常好市場前景的創(chuàng)新科研成果，由于創(chuàng)新者沒有堅持不懈地排除科技成果轉化和產(chǎn)業(yè)化過程中的艱難險阻，最終被束之高閣。科技成果是在實驗室環(huán)境下，著重于技術功能的實現(xiàn);產(chǎn)品化則要求面對惡劣的使用環(huán)境和千變萬化的應用對象，滿足用戶對穩(wěn)定性、可靠性、實用型、宜用性和高性價比的要求;產(chǎn)業(yè)化則要求產(chǎn)品在規(guī)?；a(chǎn)過程中，建立生產(chǎn)工藝、質量保證體系和售前售后服務網(wǎng)絡，最終占領市場。1.2 國內外數(shù)控系統(tǒng)

16、的發(fā)展概況隨著計算機技術的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工

17、過程中可以自動修正、調節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機修正CAD/CAM中的設定量

18、，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，己不適應日益復雜的制造過程，因此，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為我們國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1.3 本課題研究的主要內容1分析我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀2分析現(xiàn)在數(shù)控機床的各部分的組成及優(yōu)劣3當前數(shù)控機床的發(fā)展趨勢4市場對數(shù)控機床的需求情況5數(shù)控車床的發(fā)展點第二章 數(shù)控機床的現(xiàn)狀2.1現(xiàn)代數(shù)控機床的兩個基本評定指標成本、質量、生產(chǎn)率和產(chǎn)量、交貨期是衡量企業(yè)生產(chǎn)能力和市場競爭能力的4 個要素，采用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達

19、到一定閾值的大批量的規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述4 個方面的統(tǒng)一。但在當前激烈的市場競爭環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心，企業(yè)為主導的賣方市場已轉向以市場需求為中心、用戶為主導的買方市場，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和個性化，且產(chǎn)品經(jīng)濟壽命大大縮短，這首先將形成以多品種變批量的生產(chǎn)方式為主流的生產(chǎn)環(huán)境；其次，衡量企業(yè)競爭力的首位因素也由成本轉為交貨期。為此，發(fā)展柔性結構體系的數(shù)控制造裝備及制造系統(tǒng)是實現(xiàn)在快速多變的市場環(huán)境中對用戶驅動的市場需求作出靈活、快速響應的關鍵。所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化是指當產(chǎn)品的品種的需求發(fā)生變化時，它們仍能在滿足經(jīng)濟性的前提下，實現(xiàn)及時轉換生產(chǎn)的適應能力。同時持續(xù)地提高經(jīng)濟加工精度也是適應

20、市場競爭的另一個主要目標。因而作為評定數(shù)控機床及系統(tǒng)效能的基本指標也將由傳統(tǒng)的工作精度和切削能力改為用高效柔性和高精化的程度來衡量。高效柔性化和高精化分別反映了制造業(yè)在競爭激烈的市場環(huán)境下的兩個最主要的要求，即產(chǎn)品生產(chǎn)變換的靈捷性和產(chǎn)品質量的持續(xù)提高。（1） 高效柔性化 雖然傳統(tǒng)的非數(shù)控機床也具有一定的柔性，但它不能獲得高的效能和穩(wěn)定的精度，更不適應復雜型面的加工。因此，基于數(shù)控技術的高效柔性化的制造裝備及制造系統(tǒng)需兼具下列特性：高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應性。高效的生產(chǎn)能力，包括：高生產(chǎn)率，借助于高速化和提高金屬切除率等途徑。高穩(wěn)定性，對于光機電集成的數(shù)控機床，著重要求其降低故障率，提

21、高可靠性，以提高制造裝備及系統(tǒng)的開動率（利用率）。制造裝備及其系統(tǒng)高效柔性化的具體指標的內涵如表1所示基本指標指標組成項目影響因素高效高的機床利用率高生產(chǎn)效高金屬切除率高速強力切削高功率空載快速運動高機床剛度和抗振性縮短輔助時間高運行穩(wěn)定低的故障率和短的修復時間可靠性增長技術和健壯性設計智能化和適應控制技術無人環(huán)境下的連續(xù)工作能力柔性短的新產(chǎn)品上市期多品種生產(chǎn)變換的敏捷性經(jīng)濟可承受性縮短調整和試切周期擴大加工零件族（組）的能力技術準備和生產(chǎn)安排的及時性低重構成本品種變化所需調整和運行時間工夾刀具供應的快速性制造設備及系統(tǒng)的重構技術大批量定制化生產(chǎn)技術優(yōu)化工和物流及信息流表1 高效柔性化指標的內

22、涵（2） 高精化產(chǎn)品的加工精度直接影響到其工作性能、壽命、能耗和噪聲等，因此數(shù)控機床的高精化是市場需求和技術發(fā)展的必然結果。分析汽車的某些關鍵件的精度需求，如發(fā)動機的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿、化油器、制動器、減震器的閥體、泵體、盤類以及模具等在近十幾年內有明顯的提高，如表2 所示。20世紀70-80年代20世紀90年代尺寸精度/mmIT7-IT8級IT-IT6級圓度/mm0.015-0.0200.005-0.010同軸度/mm0.020-0.0300.015-0.020孔距精度/mm0.030-0.0500.010-0.015車銑加工表面粗糙度Ra/um1.6-3.20.8-1.2表2

23、汽車零件關鍵配合部位的精度提升統(tǒng)計自上世紀80 年代至2002 年國內外先進水平數(shù)控機床的工作精度提高的過程，平均每年提升10% ，即每隔8年誤差約減小一半。2.2 中國數(shù)控機床現(xiàn)狀2.2.1 數(shù)控機床的現(xiàn)狀目前，中國機床工業(yè)廠多人眾。2000年，金切機床制造廠約358家(20.6萬人)，成形機床制造廠191家(約6.5萬人)，共計549家(27.1萬人)。其中生產(chǎn)數(shù)控金切機床的約150家，生產(chǎn)數(shù)控成形機床的約30家，共計約180家，占廠家總數(shù)的1/3。2001年金切機床產(chǎn)量19.2萬臺，內數(shù)控金切機床17,521臺，約占9%。 總的來說：數(shù)控機床產(chǎn)量不斷增長，2001年為1991年

24、的3.6倍；進口量增長較快，達29倍，出口量有所增加，但數(shù)目較小，為4.8倍；數(shù)控機床消費量增加較快，達7.9倍。產(chǎn)量滿足不了社會發(fā)展的需求。從金額上看，2001年數(shù)控機床進口17,679臺，計14.1億美元，出口2,509臺，計0.44億美元，進口額為出口額之32倍。進口大、出口小。2.2.2 中國發(fā)展數(shù)控機床存在的主要問題 中國於1958年研制出第一臺數(shù)控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在19581979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數(shù)控機床特點、發(fā)展條件缺乏認識，在人員素質差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現(xiàn)欠

25、佳，無法用於生產(chǎn)而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先後引進數(shù)控系統(tǒng)技術，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區(qū))引進數(shù)控機床先進技術和合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，數(shù)控機床開始正式生產(chǎn)和使用，并逐步向前發(fā)展。在20余年間，數(shù)控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供

26、應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處於從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統(tǒng)的科研工作；元部件和數(shù)控系統(tǒng)不配套；企業(yè)和專業(yè)間缺乏合作，基本上孤軍作戰(zhàn)，雖然廠多人眾，但形成不了合力。 2.3 分析現(xiàn)代數(shù)控機床的組成2.3.1 床身和導軌1.床身機床的床身是整個機床的基礎支承件，是機床的主體，一般用來放置導軌、主軸箱等重要部件。床身的結構對機床的布局有很

27、大的影響。按照床身導軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但床身下部空間小，排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結構，再配置上傾斜的導軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結構在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應用，是因為這種布局形式具有以下特點：(1) 容易實現(xiàn)機電一體化；(2) 機床外形整齊、美觀，占地面積

28、?。?3) 容易設置封閉式防護裝置；(4) 容易排屑和安裝自動排屑器；(5) 從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導軌上影響導軌精度；(6) 宜人性好，便于操作；2.導軌車床的導軌可分為滑動導軌和滾動導軌兩種。滑動導軌具有結構簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導軌和新型塑料滑動導軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。導軌剛度的大小、制造是否簡單、能否調整、摩擦損耗是否最小以及能否保持導軌的初始精度，在很大程度上取決于導軌的橫截面形狀。車床滑動導

29、軌的橫截面形狀常采用山形截面和矩形截面。山形截面。這種截面導軌導向精度高，導軌磨損后靠自重下沉自動補償。下導軌用凸形有利于排污物，但不易保存油液。矩形截面，這種截面導軌制造維修方便，承載能力大，新導軌導向精度高，但磨損后不能自動補償，需用鑲條調節(jié)，影響導向精度。2.3.2 主軸變速系統(tǒng)經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調

30、速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。主軸電機在額定轉速時可輸出全部功率和最大轉矩。2.3.3 刀架系統(tǒng)數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平。隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀具結構形式也在不斷翻新。刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，所以，刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù)控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證有較高的重復定位精度。此外，刀架的設計還應滿足換刀時間短、結

31、構緊湊和安全可靠等要求。按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。2.3.4 進給傳動系統(tǒng)數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅動控制單元、驅動元件、機械傳動部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。

32、半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內，后者則完全置機械傳動部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內。開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結構簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機械傳動部件在控制環(huán)內，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅動裝置的結構和參數(shù)，而且還與機械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關系，故必須對機電部件的結構參數(shù)進行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。

33、因此全閉環(huán)系統(tǒng)對機床的要求比較高，且造價也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。交流伺服電機由于具有可靠性高、基本上不需要維護和造價低等特點而被廣泛采用。第三章 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢3.1 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)

34、代發(fā)展的大趨勢。當前數(shù)控車床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。3.1.1 高速、高精密化高速、精密是機床發(fā)展永恒的目標。隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，機電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質量的要求也愈來愈高。為滿足這個復雜多變市場的需求，當前機床正向高速切削、干切削和準干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉動慣量，提高了主軸動態(tài)響應速度和工作

35、精度，徹底解決了主軸高速運轉時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。采用電主軸結構可使主軸轉速達到10000r/min以上。直線電機驅動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應特性和跟隨精度。用直線電機作伺服驅動，省去了滾珠絲杠這一中間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運動慣量小，系統(tǒng)剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高了伺服精度。直線滾動導軌副，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發(fā)熱可忽略不計，有非常好的熱穩(wěn)定性，提高了全程的定位精度和重復定位精度。通過直線電機和直線滾動導軌副的應用，可使機床的快速移動速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高達120

36、m/min。3.1.2 高可靠性數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質量的一項關鍵性指標。數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關鍵取決于其可靠性的高低。3.1.3 數(shù)控車床設計CAD化、結構設計模塊化隨著計算機應用的普及及軟件技術的發(fā)展，CAD技術得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、計算、預測及優(yōu)化設計，可以對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設計成本

37、，提高市場競爭能力。通過對機床部件進行模塊化設計，不僅能減少重復性勞動，而且可以快速響應市場，縮短產(chǎn)品開發(fā)設計周期。3.1.4 功能復合化功能復合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現(xiàn)磨削加工。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的C X 2 5 Y數(shù)控車銑復合中心，該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸用內藏式電主軸結構，通過數(shù)控系

38、統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。·21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內容，以方便系統(tǒng)技術的診斷及維修等。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近年來機床發(fā)展的一個熱點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造

39、企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線(F M C、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，注重加強單元技術的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機床及

40、其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。3.2 國內對到數(shù)控機床需求未來幾年，我國數(shù)控機床市場需求量將繼續(xù)按年平均增長率10-15%增長，到2010年，全國需求數(shù)控機床將達10萬臺以上，消費將超過60億美元，主要體現(xiàn)在以下一個方面：1汽車產(chǎn)業(yè)將成為機床工具行業(yè)的主要用戶。隨著我國向全面小康社會目標邁進和經(jīng)濟不斷發(fā)展、人民生活水平進一步提高，汽車的需求量將繼續(xù)保持一定增長，汽車工業(yè)尤其是汽車零部件產(chǎn)業(yè)仍將得到新的發(fā)展，該產(chǎn)業(yè)必將繼續(xù)成為機床工具行業(yè)第一重要用戶。2高新技術產(chǎn)業(yè)和國防軍工行業(yè)的快速發(fā)展將增加對高檔

41、機床工具產(chǎn)品的需求。信息產(chǎn)業(yè)、新材料、新能源、自動化等高新技術產(chǎn)業(yè)將成為我國經(jīng)濟發(fā)展中增長速度最快的先導產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的新亮點。為了滿足國防現(xiàn)代化需要，國防軍工行業(yè)將快速發(fā)展。高新技術產(chǎn)業(yè)和國防軍工行業(yè)對高檔機床工具產(chǎn)品的需求不斷增加，需要大量高速、復合、精密、智能、多軸、自動化的高檔機床。 3傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需求增勢明顯。入世后，我國融入全球經(jīng)濟一體化的進程加快，國內外市場競爭進一步加劇。機械、紡織、冶金等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為了提高國際競爭實力，都力圖通過加強國際合作、采用先進技術和裝備，加速產(chǎn)品結構的調整，以品牌、質量、價格來參與競爭，爭奪市場。企業(yè)新一輪技術改造的熱潮正在形成。原來對普通機床和經(jīng)濟型數(shù)控機

42、床的大量需求將逐漸上升到對普及型數(shù)控機床和高檔數(shù)控機床的需求。4東北等老工業(yè)基地改造、西部大開發(fā)等重大建設工程項目的實施，將為機床工具行業(yè)打開新的市場?！笆晃濉逼陂g，老工業(yè)基地改造和西部大開發(fā)等將深入發(fā)展，對數(shù)控機床的需求日益增長。國家將出臺一系列優(yōu)惠政策，促進我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)數(shù)控機床的市場空間將得到進一步擴大。5國際市場將進一步得到拓展。隨著國內外市場一體化以及我國機床工具產(chǎn)品水平的提高，出口產(chǎn)品結構將進一步改善。數(shù)控機床、大型機械壓力機、樹脂磨具、涂附磨具、超硬磨具以及高強度精密鑄件等具有一定技術附加值的商品，將逐漸進入國際市場。我國普通機床和中低檔數(shù)控機床已具有一定競爭優(yōu)勢，

43、出口將出現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。此外，合資企業(yè)產(chǎn)品出口的潛力也很大。預計“十一五”期間我國機床工具產(chǎn)品出口將有較大發(fā)展。6國家宏觀調控將對機床工具市場產(chǎn)生深遠影響。當前，為了保證國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長，國家做出了加強宏觀調控、堅決遏制投資膨脹的重要決策。制止部分行業(yè)的過度投資行為，對調整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，避免國民經(jīng)濟大起大落具有重要意義。這些決策的進一步落實，會對普通機床市場產(chǎn)生影響，今后幾年普通機床的市場需求增長將趨于緩慢，甚至會出現(xiàn)下降趨勢。第四章 數(shù)控機床發(fā)展點4.1 推進µm，工程研制高效精密數(shù)控機床目前國內生產(chǎn)的數(shù)控機床尚缺少高效微米精度級的產(chǎn)品，圖3示出了汽車零件加工需求與國產(chǎn)加工

44、中心，CNC銑床,車削中心和CNC車床等滿足度現(xiàn)狀的比較。從圖3中可看出現(xiàn)有的數(shù)控機床產(chǎn)品（見圖中A、B、C區(qū)）大多不能同時滿足作為典型的支柱產(chǎn)業(yè)的汽車制造業(yè)對數(shù)控制造裝備的高效和高精的綜合要求圖3 備差距比較為此,需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備以適應汽車制造業(yè)加工關鍵零件的需求,它們的性能用圖3中D區(qū)域來表示。由于這些數(shù)控制造裝備的加工精度主要在微米級(um)范圍內，因此可稱為“um 級制造裝備及技術研究”，簡稱“um 工程”(Micro Precision Machine Tool Engineering)。4.2 發(fā)展復合加工數(shù)控機床、縮短制造過程鏈多功能復合加工數(shù)控機床簡

45、稱復合機床，或稱為多功能加工或完全加工機床。復合機床的含義是在1臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工.從20 世紀70 年代以來，出現(xiàn)了以旋轉刀具作主切削運動的主要用于鏜銑加工的加工中心和以工件旋轉作主運動的主要用于車加工的車削中心，這兩類多功能的數(shù)控機床在推進數(shù)控機床的工序集中的工藝方法上發(fā)揮了重要的作用。但對于這較復雜的零件它的功能范圍尚不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工，因而還不能充分提高在單件和中小批量生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)效率，且由于工件在多臺機床間的轉移增加了安裝誤差，也不利于加工精度的穩(wěn)定性。為此，加快復合數(shù)控機床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度，使加工過程鏈集約化，可以提高多

46、品種單件和中小批量加工的工效。復合數(shù)控機床可以減少在不同數(shù)控機床間進行工序的轉換而引起的待工以及多次上下料等時間。通常這些時間占零件整個生產(chǎn)周期的40% 60%， 即使在信息管理良好的情況下,仍將占20%左右。因此復合數(shù)控機床具有明顯的技術效果。復合數(shù)控機床根據(jù)其結構特點，可以分為如下兩類：（1） 跨加工類別的工藝復合數(shù)控加工機床 該類機床主要體現(xiàn)為刀具回轉加工、工件回轉加工或特種加工等多類功能的復合。因而在機床結構上要體現(xiàn)對不同加工方式的需求。目前常見的有車銑中心、銑車中心和銑削激光加工機床等。（2） 多面多軸聯(lián)動加工的工序復合數(shù)控機床。4.3 高效柔性化的新一代制造系統(tǒng)在可重構制造(Rec

47、onfigurable Manufacturing)技術支持下，構建具有適應大批量高效生產(chǎn)的柔性化制造系統(tǒng)是一個值得注意的發(fā)展動向。目前常用的FMS/FML 其制造裝備的功能儲備通常較多在大批量生產(chǎn)條件下，往往僅能應用其中20%左右的功能，因此用擴大功儲備以備不時之需的做法，既是對資源的浪費，也是增大投資的不經(jīng)濟之舉。另一方面，當加工的產(chǎn)品由于市場需求的變化要作較大的調整時，往往既費時又耗費資金。為此美國Y.Koren 教授于1995 年提出了發(fā)展可重構制造系統(tǒng)(RMS)的構想。我國從1997 年起在國家自然科學基金和“十五”863 計劃資助下，對可重構制造技術以及構建快速重組制造系統(tǒng)（RRM

48、S）的理論與方法進行研究，其核心為制造系統(tǒng)能物理組態(tài)，即根據(jù)加工對象的變化方便地進行調整。為了能在制造系統(tǒng)的設計與規(guī)劃集成與整合以及運動與決策等3方面實現(xiàn)組態(tài)，需要解決圖4 所示外圈的6個關鍵技術，使其兼具專用生產(chǎn)線的高效性能和適用的柔性所取得的經(jīng)濟性。為此發(fā)展了能對多變的市場需求作出合理的配置規(guī)劃和易于調整的布局方式、適應重構的控制軟件、開放式控制系統(tǒng)和規(guī)范化接口以及能快速提升系統(tǒng)重組后制造質量的診斷系統(tǒng)等技術，并取得了初步成功的應用。圖4 RRMS的6項基礎原理及其對物理組態(tài)的作用4.4 發(fā)展網(wǎng)絡化制造單元，推進企業(yè)制造能力的高效柔性化在信息化技術蓬勃發(fā)展的推動下，制造業(yè)正面臨著一個以提升

49、競爭能力為目標的構建全企業(yè)數(shù)字化時代。作為主要制造裝備的數(shù)控機床及其組成的制造系統(tǒng)也將積極地向數(shù)字化制造邁進，它將成為一個信息集成和快速實施的制造單元，其主要特征可歸結為3F、3I和3S，即：3F：柔性化、聯(lián)盟化和新穎化3I：集成化、信息化和智能化3S：系統(tǒng)化、軟件化和個性化當前，國內外一些機床和數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)在從分布式網(wǎng)絡化聯(lián)盟制造的角度出發(fā)研究相適應的制造單元，它將能與企業(yè)ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成進而通過與客戶關系管理（CRM）和供應鏈管理（SCM）的聯(lián)系作出智能決策，實施并行工程、可視化監(jiān)控等以提高機床利用率，實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。4.5 西門子SINUMERI

50、K 840D數(shù)控系統(tǒng)介紹SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)。它保持西門子前兩代系統(tǒng)SINUMERIK 880和840C的三CPU結構：人機通信CPU（MMC-CPU）、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互為支持。在物理結構上，NC-CPU和PLC-C P U合為一體，合成在N C U（Numerical Control Unit）中，但在邏輯功能上相互獨立。相對于前幾代系統(tǒng)，SINUMERIK840D具有以下幾個特點：（1）數(shù)字化驅動在SINUMERIK 840D中，數(shù)控和驅動的接口信

51、號是數(shù)字量，通過驅動總線接口，掛接各軸驅動模塊。（2）軸控規(guī)模大最多可以配31個軸，其中可配10個主軸。（3）可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動SINUMERIK 840D可以實現(xiàn)X、Y、Z、A、B五軸的聯(lián)動加工，任何三維空間曲面都能加工。（4）操作系統(tǒng)視窗化SINUMERIK 840D采用Windows95作為操作平臺，使操作簡單、靈活，易掌握。（5）軟件內容豐富功能強大SINUMERIK 840D可以實現(xiàn)加工（Machine）、參數(shù)設置（Parameter）、服務（Services）、診斷（Diagnosis）及安裝啟動（Start-up）等幾大軟件功能。（6）具有遠程診斷功能如現(xiàn)場用PC適配器、MODEM卡，通過電話線實現(xiàn)SINUMERIK 840D與異域PC機通信，完成修改PLC程序和監(jiān)控機床狀態(tài)等遠程診斷功能。（7）保護功能健全SINUMERIK 840D系統(tǒng)軟件分為西門子服務級、機床制造廠家級、最終用戶級等7個軟件保護等級，使系統(tǒng)更加安全可靠。（8）硬件高度集成化SIN