（机械电子工程专业论文）数控车床全闭环控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 数控车床全闭环控制系统的研究 机械电子工程专业 研究生金风呜指导教师邓志平 随着工业的发展，传统机床己不能满足现代生产的要求，而数控机床的特 点适应这种生产要求，市场需求增大。本文在分析了当前国内外数控研究和数 控生产的基础上，针对我国数控机床行业的实际情况，提出了开展数控改造的 重要性和必要性。 首先介绍了国内外数控车床的现状和发展趋势，将在线检测技术和数控技 术结合起来对经济型数控车床进行全闭环总体设计：基于现代检测技术，应用 c c d 传感器对正在加工的轴径进行实时在线检测，将检测值反馈，当检测值 与理论值相差在规定数值之内时继续进彳亍下一步进给车削。在线检测技术使加 工中的测量仪器与机床、刀具、工件组成一个闭环系统，工件加工过程中，实 时测量工件的尺寸，再根据测得的实际尺寸来调整刀具的进给量，从而实现全 闭环控制。把闭环控制点扩展到工件，可以使刀具的磨损量在控制闭环内，从 而提高数控车床的加工精度。根据控制理论对此系统建立了数学模型，并对系 统的动态和稳态遴行了分析；数控车床全翅环系统的研究和分析为开发赢糖度 数控机床提供了理论基础。 然后对数控车床的检测反馈装置进行了研究和设计，分析了国内外检测技 术的现状和发展趋势，论述了接触和非接触检测方法的优缺点，合理选择了适 合本系统的检测方法。比较全面地论述了现有的轴径测量方法和测量原理，以 及轴径测量中关键技术的发展和研究现状，指出了进一步提高轴径测量精度的 研究方向和方法。随着科学技术的发展，特别是近代电子技术的发展，使几何 量测量技术向着高精度、高效率、自动化、动态检测和自适应控制方向发展。 将c c d 应用于几何量测量可以实现高精度、高效率、自动化、动态检测、非 接触测量等要求，尤其对小尺寸的测量具有很强的优势。 西华大学硕士学位论文 最后介绍了图像处理的基本知识和几种边缘检测算子，应用图像处理技术 先对c c d 采集到的图像进行预处理，再进行边缘检测处理，提取出轴径的尺 寸，将测量的尺寸进行实时反馈，形成包含工件在内的全闭环控制。边缘检测 是数字图像处理中的重要内容。本文提出了一种新的亚像素边缘检测方法。此 种方法先经过传统模板算子确定边缘的大致位置，然后利用最小二乘拟合法求 出边缘的精确位置，经过粗、精两次定位，在确保测量时间的情况下获得亚像 素级的精度。 我国数控技术起步晚，经济型数控车床还占有很大比例，此装置的研究和 设计将对经济型数控机床改造有深刻的影响和重大的意义；同时对数控机床的 发展也有较好的推动与启示作用。 关键词：数控车床检测技术数控改造全闭环c c d 传感器 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n w h o l e - - c l o s e - l o o pc o n t r o ls y s t e mo f n u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gm a c h i n e m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t ej i nf e n g m i n g a d v i s o rd e n g z h i p i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h et r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l sc a r l h a r d l y r e s p o n dt ot h er e q u e s to fm o d e mp r o d u c t i o n f o r t u n a t e l y , b e c a u s eo ft h e i rs p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) m a c h i n et o o l sc a ns u i tt h e s e r e q u i r e m e n t s t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e sf o r e i g na n dd o m e s t i cc n cr e s e a r c ha n d p r o d u c t i o na n dt h ee n r r e n t t h e nt od i s s o l v et h er e m o n s t r a t i o no ft h en u m e r i c m a c h i n et o o l ，i n t r o d u c et h es e a r c hi m p o r t a n ta n d n e c e s s a r y t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ep r e s e n ts t a t o sa n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to f n cm a c h i n et o o l s c o m b i n i n go n - l i n ed e t e t i o nt e c h n o l o g yw i t l ln ct e c h n o l o g yt o d e s i g nw h o l e - c l o s e l o o pe c o n o m i c a ln ct u r n i n gm a c h i n es y s t e m ：b a s e do n m o d e r nd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , a p p l y i n gc c ds e n s o rt od e t e c tt h es h a f td i a m e t e r o n - l i n e ，t h e nf e e d b a c kt h es h a t td i a m e t e lc o n t i n u et h en e s tt = i l r n m gw h e nt h e d i a m e t e ri sl e s st h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u e t h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ym a k e s d e t e c t i o nd e v i c e ，t u r n i n gm a c h i n e ，c u t t e ra n dw o r k p i e c ei n t oo n ew h o l e - c l o s e l o o p s y s t e ma d j u s tt h ef b c do fc u t t e rb a d e do nt h ed e t e c t i o nd i a m e t e r , t h e r e b yr e a l i z e w h o l e - c l o s e q o o ps y s t e m t h es e g m e n to fc l o s el o o pe x t e n dt ow o r k p i e c ec a n c o n t a i na b r a s i o no fc u t l e r , t h u sc a l li m p r o v em a c h i n ea c c u r a c y t h ea u t h o rs e tu p m a t h e m a t i cm o d e lb a s e do nc o n t r o lt h e o r y , a n da n a l y s et h ed y n a m i ca n d s t e a d y - s t a t ep r o f o r m a n c eo fs y s t e m t h er e s e a r c ha n da n a l y s eo fs y s t e mp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s ef o re x p l o i t a t i o no f h i g ha c c u r a c yn cm a c h i n e s t h e nr e s e a r c ha n dd e s i g nt h ed e t e c t i o na n df e e d b a c kd e v i c e , a n a l y s et h e - l n 西华大学硕士学位论文 p r e s e n ts t a t u sa n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ti nh o m ea n do v e r s e a s ，d i s c u s st h e m e r i t sa n df a u l t so fc o n t a c ta n dn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t , e l e c tt h es u i t a b l e d e t e c t i o nm e a n s d i s c u s st h ev e s t e dd e t e c t i o nm e a n so fs h a f td i a m e t e r , d e t e c t i o n t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g y i nt h ed e t e c t i o no fs h a 丘d i a m e t e r , p o i n to u tt h e i m p r o v e m e n ta c c u r a c yf u t h e ro fs h a f td i a m e t e ro rr e s e a r c hm e t h o da n dm e a n s a l o n ew i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g y , i np a r t i c u l a rt h ed e v e l o p m e n to f t h e l a t t e r - d a y se l e c t r o n i c s ，t h em e a s u r i n gt e c h n i q u eo f g e o m e t r i c a ls e n s ed e m a n dh i g h p r e c i s i o n , h i g he f f i c i e n c y , a u t o m a t i z a t i o n ，d y n a m i cd e t e c t i o n ，a d a p t i v ec o n t r o l ，e t c t h em e a s u r i n gs y s t e mw i t hc c dh a sa na d v a n t a g eo nt h eg e o m e t r i c a ls e i - l s e m e t e r a g e ，s u c ha sh j i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y , a u t o m a t i z a t i o n , n o n c o n t a c t , e t c i ta d a p t st om e a s u r em i n i s i z ee s p e c i a l l y i nt h ee n d ，i n t r o d u c et h ei m a g ep r o c e s s i n ga n ds e v e r a le d g ed e t e c t i o no p e r a t o r , d oi m a g ep r e - p r o c e s sf r o mc c da n de d g ed e t e c t i o n , t h e ne x t r a c tt h ed i m e n s i o no f s h a f td i a m e t e r , f e e db a c kt h ed i a m e t e rr e a l - t i m e ，f o r m a tw h o l e - c l o s e l o o pc o n t r o l s y s t e mi n c l u d ew o r k p i e c e t h ee d g ed e t e c t i o ni si m p o r t a n ti ni m a g ep r o c e s s i n g t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dan e ws u b - p i x e lm e a s u r i n gm e t h o d , w h i c hc o n f i r m st h e a p p r o x i m a t ep o s i t i o no fe d g eb yc o n v e n t i o n a lt e m p l a t ea r i t h m e t i c ，a n dt h e ng e t s t h ep r e c i s ep o s i t i o no fe d g eb yl e a s ts q u a r e sf i tt h e o r y t l l i sm e t h o dc a l lo b t a i n s u b - p i x e l l o ca n da c i n gp r e c i s i o nw i t h o u tt h es a c r i f i c eo ft h en e e d e ds p e e db yt h e c 0 8 1 暑ep r e c i s el o c a t i o n t h er e s e a c ho f n ct e c h n o l o g yi sl a t e ri no u rc o u n t r y , e c o n o m i c a ln ct u r n i n g m a c h i n ei si nb i gp r o p o r t i o n t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ed e v i c ew i l li n i t i a t e p r o f o u n di n f l u e n c ea n di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rr e t r o f i to fe c o n o m i c a ln c t u m i n gm a c h i n e ，a tt h es a m et i m e ，h a v eb e t t e rp u s he f f e c ta n de n l i g h t e n m e n te f f e c t f o rd e v e l o p m e n to f n cm a c h i n et o o l s k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gm a c h i n e ，d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，r e t r o f i to f t h en u m e r i cm a c h i n et o o l ，w h o l e - c l o s e l o o p ，c c ds e n s o r i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所作的任何贡献均已在论文 中作了明确地说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期问在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者妣。“u 乱誊 tj vf 导师签名： 叮霉 日 日 ，d，d 月 月 、o 6声净 一刀 西华大学硕士学位论文 1 1 课题的意义及来源 1绪论 先进的技术装备与先进的制造技术在国民经济中起着重要的作用。随着科 学技术的迅猛发展，特别是机械制造与微机技术的紧密结合，使现代制造技术 和制造系统向着高度的自动化、集成化和智能化的方向发展。 机械工业是基础工业，机械制造技术是机械工业为国民经济各部门提供产 品和技术装备的重要手段。因此，机械工业技术装备的提高对制造质量、劳动 效率和经济效益都有直接影响。 机械制造技术发展的长远目标是：不断提高产品的制造质量，提高加工效 率，降低成本。现代机械制造技术发展的趋势可以归纳为以下几点； 向更高精度的方向发展； 向高速度、高效率、自动化、特别是向数控化j 柔性化和集成化的方向 发展； 向少切削和非传统加工的方向发展。 为了适应现代化机械制造技术的发展趋势，实现加工制造过程高度自动 化、柔性化和集成化，数控技术在生产各个部门得到了广泛应用。 随着科学技术的飞跃发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通 加工设备已难以适应市场对产品多样性的要求，难以适应市场竞争的高效率、 高质量的要求。而以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础， 将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感测量技术、信息处理技术以及网 络通信技术有机结合在一起，构成高度信息化、高度柔性化、高度自动化的制 造系统。 近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存和发展，各生产 企业不仅要提高产品的质量，而且必须频繁的改型，缩短生产周期，以满足市 场上不断变化的需求。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔 性及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可 以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，它在很大程度 上决定企业在市场竞争中的成败d 1 。特别是在相继出现了柔性制造系统 两华大学硕士学位论文 f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、智能制造系统i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 等，这进一步说明数控技术已经成为现代制造技术的基础，其水平的 高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。专家们预言：2 i 世纪机械 制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争阍。 数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，商效率发展的 趋势。结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展 的极其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本， 高效益的途径。对经济型数控车床加工工件进行在线检测并进行反馈，形成包 括工件在内的闭环控制是提高经济型数控车床加工精度的有效措施之一，其关 键是加工件的在线检测装置的设计和对检测信号进行处理、分析和反馈。 总体上讲，本课题的意义在于通过在线测量，在加工机床上设置在线测量 装置和闭环控制，可以大大提高劳动生产率，减少废品率，从而降低加工成本。 将测量闭环控制有机地融入工艺系统中，这样不仅可以纠正加工方法，而且还 可以对一些工艺参数的变化进行适时地监测，使这些参数通过在不同阶段进行 反馈和适时控制，使被加工的工件保持在预定的最佳范围内。其具体意义在于： 保证加工系统的安全运行； 保证加工工件质量； 保证加工设备避免受到损坏； 减少加工的辅助工作时间，提高生产率； 对资源进行优化使用。 本课题来源：重点学科项目 1 2 课题的研究现状及应用发展 1 2 1 数控机床的发展与应用 1 9 4 9 年美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足 日益复杂的飞机叶片自动加工，于是由帕森公司首先提出了机床数字控制的概 西华大学硕士学位论文 念。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院( m i t ) 研制出基于电子管和继电器的数控装置， 用于控制铣床，它标志着第一代数控系统电子管数控系统的诞生。2 0 世 纪5 0 年代末，完全由固定布线的晶体管元器件电路所组成的第二代数控系统 晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管 控制装置。随着数控系统的发展，对数控系统的实用性、柔性、易维修性、控 制装置的功能及对任意机床类型的适应性这些来自应用者方面的要求不断提 高，要满足这些要求，对固定布线的晶体管元器件所组成的晶体管数控系统而 言，耗资巨大。随着集成电路技术的发展，1 9 6 5 年出现了第三代数控系统 集成电路数控系统后，使这些问题的解决难度稍稍减轻了一些。当以计算机作 为数控系统的核心组件后，才为这些复杂的问题提供了一种简单的、经济的解 决方法。1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控 系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性价比 渗透各个行业，1 9 7 4 年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了， 应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统称为计算机数控 系统( c n c ) 旧。 综上所述，由于微电子技术和计算技术的不断发展，数控机床的数控系统 也随着不断提高，发展非常迅速，几乎5 年左右时间就更新换代一次。 现今数字化时代已进入到一个新的历史阶段。数字化技术是指以计算机硬 件、软件、信息存储、通讯协议、周边设备和互联网等为技术手段，以信息科 学为理论基础的科学技术集合。数字化技术和制造业技术相融合形成了数字化 制造技术，该技术是以制造工程学为理论基础的重大制造技术革新，是先进制 造技术的核心，有广阔的应用前景“”。数控技术是先进制造技术( 如柔性制造 系统、计算机集成制造系统等) 的基础。数控机床在整个现代制造系统中处于 基础性的、核心的地位。而计算机数控系统( c n c s ) 则是数控机床的控制中枢。 计算机数控系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的机床数控系统采 用的是专用的计算机加多单片机多控制回路的封闭式并行结构，此类控制器在 高速、高精度和多轴同步运动控制等方面存在着难以逾越的技术瓶颈。 数字控制( n u m e f i e f lc o n t r o l 缩写为n c ) 简称为数控，是指用数字指令来 控制一台或多台设备的动作嘲。它所控制的量有以下几种： 动作顺序的程序控制； 两华大学硕士学位论文 主轴、坐标进给速度、更换刀具、开闭冷却液等辅助功能控制； 有关部件位移量和相对位置关系的坐标控制。 数控技术是与机床的控制密切结合而发展起来的，通常把采用数控装置来 实现自动化和高效率加工的机床统称为数控机床。在实现加工合理化及高效率 方面，数控机床与普通机床相比具有许多优势，它突出地表现为： 数控加工是用机械加工多品种，小批量生产的一种自动化手段。自动化 程度高、加工速度快是数控机床的突出特点； 数控加工能保持加工条件不变，而使产品质量稳定。由于加工所需的条 件( 吃刀深度、迸给量、主轴转速、刀具等) 都己事先由指令规定，所以无论由 谁来操作都能达到同一加工质量； 数控加工极大地提高外形复杂零件的加工效率和加工精度； 通过数控加工的零件，由于提高了工件与基准面相关尺寸的加工精度， 有可能大大提高零件装配的互换性，而提高装配质量和效率； 由于加工时间固定，有利于管理，更迸一步促使加工定量化，以达到生 产管理的合理化、标准化。这为实现计算机管理生产乃至建立计算机集成制造 系统都打下了坚实的基础； 由于操作技术被数据化后，熟练工人就可以减少： 可以大幅度减少人为的操作失误，而降低废次品率； 可以不问断地连续加工，从而缩短了加工周期； 由于工装夹具的标准化，减少了工装夹具的需用量。 正是由于数控机床的这些特点，从本世纪五十年代以来，随着电子、计算 机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控机床也在迅速 发展和演变。世界上的第一台数控机床是由美国在五十年代开发研制的，使用 电子管元件，体积庞大。到六十年代，由于半导体晶体管的开发应用。数控系 统的可靠性提高、价格下降。七十年代随着中小规模集成电路的应用并伴随着 纸带传输系统的出现，大大提高了机床的加工效率及使用的灵活性，也使数控 机床日趋完善。八十年代以来，微处理器的发展与应用，数控技术也迎来了计 算机数字控锘l j ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 缩写为c n c ) 时代，随着微处理器的 运算速度的不断提高，数控机床的功能和应用范围也在不断的发展与扩大。从 这些年数控机床的发展可以看出，它正向着高精度、多功能、高速化、高效率、 西华大学硕士学位论文 智能化的方向迈进，在系统硬件及操作软件上也向个人计算机靠拢。其特点明 显表现为： 1 、高精度化 。 当代工业产品对精度的要求越来越高，如中等规格的普通加工中心的定位 精度，八十年代为0 0 1 2 ，3 0 0m m ，到了九十年代初，己提高到全程 0 0 0 2 0 0 0 5m m 。航天工业是当今高精度数控机床发展的典型受益工业部门 之一，惯性器件、伺服机构等高精度仪表零件的关键部位的尺寸精度均在0 1 u m - o 2u m ，与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技 术得到了应用和发展，机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、温度影响 小的新型材料，如：花岗岩、精密陶瓷等，使得数控机床的各项精度越来越高。 2 、高速度化 提高生产效率是机床技术发展的永恒主题，这也表现在提高机床主轴的转 速上。数控车床采用电主轴( 内装式主轴电机) “”，可使主轴转速达到 1 0 0 0 0 r n u n 以上，最高转速达2 0 0 0 0 0 r m j n ；另一方面，坐标轴的快速移动速 度的提高，换刀时间和托盘交换时间等非切削时间的缩短，也使机床的加工效 率大幅度提高。 3 、高柔性化 当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求。如铣削 加工中心可以铣削、钻孔、攻丝等。这种将各种加工功能在一台机床上进行集 成，均是为了在一台机床上实现一次装夹就能完成对零件的不同加工要求，这 充分展示了机床加工的柔性，并有利于提高加工精度。 4 、高自动化 自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定 的任务。传统的自动化往往与大批量生产联系在一起，使用大量的专用设备和 组合机床。而目前可以通过数控机床和机械加工中心，既可在大批量生产中实 现自动化，也可在小批量、多品种产品生产中实现自动化加工。 5 、造型宜人化 好的数控机床不仅功能齐全、操作安全可靠、性能良好，而且要成为外观 宜人和符合操作人体学的一件艺术品。 6 、操作简单化 5 西华大学硕士学位论文 从l e d 显示到t f t 液晶显示，操作从按大量的按钮到菜单选择甚至对话 框操作使操作越来越简单，显示信息越来越多、越来越明快。 7 、高可靠性 大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。同时，数控 机床的这些特点也使得机床的数控化不仅从传统的铣、镗、车、钻一类切削机 床，日益广泛地向磨床、压力机等塑性j n t 机床、绘图机、气割机等特殊加工 设备方面发展，也向柔性制造系统( f m s ) ，高速机床、专业机床发展，应用范 围日益扩大。 但是，数控机床毕竞是一种高自动化的设备，技术复杂、成本较高，从其 使用的经济效益出发，在目前阶段，特别是在我国，仍多用于精度高、形状复 杂的批量零件的加工。相信在不远的将来，随着数控技术的发展，以数控机床 为核心的柔性制造系统、无人工厂必将逐步取代现有的生产模式，成为机加行 业的主导力量。 1 2 1 1 国外数控机床概况 进入2 1 世纪，世界机床技术快速向前发展，在精度、效率、自动化、智 能化、网络化、集成化方面，都出现了新的飞跃。在2 0 0 6 年9 月6 - 1 3 日美国 举办的i m t s 2 0 0 6 展览会上，日本m a z a k 公司第一次展出了智能机床，这 是一个重大突破。在今后一段时间内，这种类似的综合性智能化机床将引领世 界机床技术进入一个新的发展领域。 在上世纪8 0 年代，美国曾提出研究发展? 适应控制”机床，但由于许多自 动化环节如自动检测、自动调节、自动补偿等没有解决，虽有各种试验，但进 展较慢。后来在电加工机床( e d m ) 方面，首先实现了“适应控制”，通过对放电 问隙、加工工艺参数进行自动选择和调节，以提高机床加工精度、效率和自动 化。日本m a z a k 公司2 0 0 6 年9 月首先展出的智能机床，向未来理想的“适 应控制”机床方面大大前进了一步。日本这种智能机床具有六大特色： 有自动抑制振动的功能。众所周知，在高速加工过程中，机床容易出现 振动，刀具也易于磨损。该机能自动抑制振动，大大提高了加工精度； 能自动测量和自动补偿，减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响，使 机床加工精度大大提高； 两华大学硕士学位论文 有自动防止刀具和工件碰撞的功能，能大大减少突发事故，提高机床工 作的可靠性： 有自动补充润滑油和抑制噪音的功能，能大大改善工作条件； 数控系统具有特殊的人机对话功能，在编程时能在监测画面上显示出刀 具轨迹等，进一步提高了切削效率； 机床故障能进行远距离诊断。 机床技术发展的前景和目标，是能够实现装备制造业的全盘自动化，由单 机自动化向f m c ，c e m ，c m l s 发展，提高加工精度、效率，降低制造成本， 为人类创造更多的财富。在实现全盘自动化过程中，需要解决的技术问题异常 复杂，不仅要解决代替体力劳动的问题，更要解决代替脑力劳动问题，它包括 工艺、刀具、物流、联网、信息存储、控制等。如何用智能化代替人的手工和 脑力劳动是最关键的核心问题。 智能机床的出现，为未来装备制造业实现全盘生产自动化创造了条件。首 先，通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪 音等，可提高机床的加工精度、效率。其次，对于进一步发展集成制造系统来 说，单个机床自动化水平提高后，可以大大减少人在管理机床方面的工作量。 人能有更多的精力和时间来解决机床以外的复杂问题，更能迸一步发展智能机 床和智能系统。第三，数控系统的开发创新，对于机床智能化起到了极其重大 的作用。它能够收容大量信息，对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调 节、优化、控制。它还具有重要功能，如：工夹具数据库、对话型编程、刀具 路径检验、工序加工时间分析、开工时间状况解析、实际加工负荷监视、加工 导航、调节、优化，以及适应控制。 智能机床的开发，是在纳米化、高速化、复合化、五轴联动化等浪潮之后 的一个新的发展，为今后进一步研究开发适应控制、f m s 、c 订、c 订s 创造 了更多有利的条件，为将来发展工厂自动化具有很大的影响和促进作用。 人类从创造出复杂生产工具一机床以来，为减少体力劳动，不断努力提 高机床的自动化程度。迄今为止，有三大阶段：即1 9 3 0 1 9 6 0 年从手动机床 向机、电、液高效自动化机床和自动线发展为第一阶段，主要解决减少体力劳 动问题。1 9 5 2 , - , 2 0 0 6 年数字控制机床发展是第二阶段，它解决进一步减少体力 和部分脑力劳动问题。2 0 0 6 年开发出智能机床以后，可作为第三阶段，有可 西华大学硕士学位论文 能逐步形成热潮。加速发展智能化机床，将进一步解决减少脑力劳动问题。 2 1 世纪，数控机床将在现有技术基础上，由机械运动的自动化向信息控 制的智能化方向发展。其发展速度和高度将取决于人才、科研、创新、合作四 者。2 0 0 6 年展出的这个世界第一台智能机床，还需要进一步不断完善、提高。 如在机、电、液、气、光元件和控制系统方面，还有许多科研课题，路程还很 长。要达到成熟的“适应控制”机床水平，还需要进行许多深入研究工作。特别 是在加工工艺参数的自动收集、存储、调节、控制、优化方面；在智能化、网 络化、集成化后的可靠性、稳定性、耐用性等方面，都还需要深入研究。 数控机床智能化的发展前景，非常广阔。它是世界制造技术进一步提高效 率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标，也是在今天数字控制机床 技术基础上向更高阶段发展的努力方向。预计在2 1 世纪前半期，有可能在现 有机床技术上实现单台机床的“适应控制”，并逐步向制造系统发展；在后半 期，有可能建立不同程度智能化技术水平的c n 讧、c n v i s ，其发展时间的快慢， 将取决于人类的努力和科学技术水平的提高。 1 2 1 2 我国数控机床概况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，一直到6 0 年代中期处于研制、开发阶 段。1 9 6 5 年。国内开始研制晶体管数控系统。6 0 年代末到7 0 年代初研制成功 x 5 3 k 一1 g 数控铣床、c j k 一1 8 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从7 0 年代 开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开， 数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水 平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能得到广泛 推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模 具加工中得到了推广。 8 0 年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技 术，并于1 9 8 1 年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的 基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联 动数控系统、分辨率为o 0 2u m 的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单 元配套的数控系统等等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出 了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用“”。 西华大学硕士学位论文 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，近5 0 年的发展历程大致可分为3 个阶段： 第一阶段从1 9 5 8 年到1 9 7 9 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技 术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国 家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建 立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发 环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面 都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实 施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化 取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达5 0 ， 配国产数控系统( 普及型) 也达到了1 0 。 纵观我国数控技术近5 0 年的发展历程，特别是经过4 个5 年计划的攻关， 总体来看取得了以下成绩。 ( 1 ) 奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已 基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术， 其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 ( 2 ) 初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上， 建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州 电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济 南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业 基地。 ( 3 ) 建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术 的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我 国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现 实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比( 与国 外对比) 不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖 的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。 从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 ( 1 ) 技术水平上，与国外先进水平大约落后1 0 - 1 5 年，在高精尖技术方面 则更大。 ( 2 ) 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产； 西华大学硕七学位论文 功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差：可靠性不高，商 品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 ( 3 ) 可持续发展的能力上，对数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数 控技术应用领域拓展力度不强：相关标准的研究、制定滞后。 数控技术与装备基本上是“洋货”一统天下，尽管我国机床产量位居世界 前5 名之列，而档次却居二、三流地位，作为数控机床核心部件的数控系统不 得不依靠进口。特别是中高档数控机床的数控系统基本上是被国外厂家所垄 断，国外五轴以上联动的高端数控系统则限制对中国出口。 据考证：1 9 9 5 年青岛前哨英柯发测量设备有限公司研制并生产出基于p c d s p 的三坐标测量机数控系统；1 9 9 6 年，清华大学研制的p c d s p ( t m s 3 2 0 c 5 0 定点d s p ) 主从式控制器，成功应用于光盘机高速数字伺服 控制系统”1 ；南京四开电子公司与清华大学共同研制的基于3 2 位c p u ( 传统的 单片机技术) 和通过计算机主从式s k y 数控系统实现了全国化，且于1 9 9 9 年 3 月2 4 日通过江苏省科委组织的科技成果鉴定：“已达到9 0 年代中后期国际 先进水平。；广州数控设备厂d a 9 8 型数字式交流伺服系统控制线路采用了 d s p 技术；1 9 9 9 年，武汉华中理工大学利用t m s 3 2 0 f 2 4 3 定点d s p 芯片设计 了一款p c - - d s p 主从式多轴运动控制器，该控制器通过c a n 总线与c n c 系 统中的上位p c 机及其它一些具有不同功能的硬件模块进行通讯。1 ；2 0 0 0 年， 武汉华中理工大学研制成功了一种基于t m s 3 2 0 c 2 0 3 定点d s p 的数值插补和 通讯管理控制器“；2 0 0 1 年，合肥工业大学利t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心芯片设 计了一款用于经济型三坐标数控铣床的数控系统。 目前，我国已有自主版权的数控系统，但是绝大多数的数控机床还采用国 外的c n c 系统。从机床的整体来看，无论可靠性、精度、生产效率和自动化 程度，距国际水平还有一定的差距。所以对我国现有的经济型数控机床进行数 控研究和改造显得尤为重要。 1 2 2 检测技术 检测技术是现代制造业的基础技术之一，是保证产品质量的关键。随着现 代制造业的发展，许多传统的检测技术已不能满足其需要，表现在：现代制造 西华大学硕+ 学位论文 产品种类有很大的扩充，现代制造强调实时、在线、非接触检测，现代产品的 制造精度大大提高。现代加工工业正在向高速、精密、自动化、大批量生产的 方向发展，传统的制造技术及生产管理模式正发生巨大变革。 六十年代到七十年代，加工精度在1 1 0u m 内，而到九十年代，加工精 度己经达到1 0 - g i n 的纳米级超精密加工技术时代，在一、二十年的时间里，加 工精度提高了l - 2 个数量级。目前，在工业发达的国家里，一般工厂能稳定掌 握l u r e 的加工精度，通常将加工精度在o 1 l u m 的加工方法称为精密加工， 而将o 1 u m 的加工方法称为超精密加工。由于精密加工和超精密加工技术是固 体电子元件、航天机械、激光用光学元件、核聚变装置零件等加工的主要技术， 许多工业发达国家都极为重视精密和超精密加工技术的发展，如英国成立了纳 米技术战略委员会，日本把纳米技术列为六大先进技术的探索课题之一。在我 国，精密加工与超精密加工技术越来越受到重视，同时，制造过程中的自动化 与高速化程度也越来越得到提高，这就要求与之相适应的高精度、高速度的自 动化检测设备和先进的检测手段。 我国机械行业中测量技术大部分限于静态测量，缺乏动态检测技术，尤其 在大、微、特殊形状、特殊位置的测试上与国际先进水平相差较大。如东芝机 械的空气轴承的回转精度，在半径方向为0 0 2u m ，轴向为0 0 2u r n ；德国 p e r t h o m e t e rs s p 及英国t a l ys u r i s 轮廓计可测粗糙度等各种参数，测量结果数 字显示并可绘图记录，显示范围为0 0 0 1 1 2 5u n l ，国内生产的轮廓仪可测 量参数较少，最高测到r ao 0 5 加0 2 5u m ；德国克林贝格公司制造的p n c 6 5 型齿轮测量中心，可适应d i n 。a g m a , i s o 及自定义的评定标准，该机是直接 在机上自动校调三维测头，使测量元件绝对位置精确，具有较高的机械精度和 良好的稳定性。由此可见，我国在测量方面综合利用新技术、新原理、新方法 上不如先进的国家，为了赶超国际先进水平，我国的不少科研机构和院校都在 积极地探索先进的检测原理和方法，如由天津大学和南京依维柯汽车有限公司 联合研制的“依维柯白车身三维激光视觉检测系统”采用激光技术、c c d 技 术，利用基于三角法的主动和被动视觉检测技术实现