（机械工程专业论文）c616卧式车床数控化改造.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论第l 页 摘要 中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机 械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业 的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些 技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展 方向。本课题是针对已报废的两台c 6 1 6 普通废旧车床进行数控化改造，其现 实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制 造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。 本课题研究过程中，首先对目前工厂所使用的常规数控机床进行了全面的调 查和分析。用户普遍反应，数控设备的限位保护功能有些欠缺，容易发生超程 等故障现象；另一方面，数控车床大多承担多品种、单件小批量生产的加工任 务，如果对每一个零件都去进行编程、输入、调试等工作，显得非常烦琐，用 户提出能不能找到一种方法，简化这手续，以提高其生产效率。 针对数控设备的限位保护功能有些欠缺，容易发生超程故障等问题，提出采 用把所有限位保护电路改为负逻辑控制，并对这一方案进行了理论分析和实 践。实际应用表明采用这一技术改造设备后，取得了很好的效果，该技术已申 请国家发明专利。 根据数控车床所承担加工任务的特点，其加工的零件类型大多分为轴类、套 类、盘类等，依据成组工艺技术的原理，我们提出首先编写各类零件成组工艺， 依据成组工艺，编写数控程序，将数控加工程序编号存入p c 机中的方法，完 成对零件的快速程序编制，提高生产效率。通过这种方法，可以变小批生产为 “大”批生产，可以有效的提高生产效率，同时降低对操作人员的要求。该技 术正在申请国家发明专利。 完成了对两台c 6 1 6 普通废旧车床的数控化改造，已投入使用两年，运行状 况良好。实际应用表明各项性能指标达到了设计改造要求。该项目通过了德阳 市科技局组织的科技成果鉴定，鉴定意见为： 该课题对两台己报废的c 6 1 6 普通卧式车床进行了数控化改造，投入使用后 各项性能指标达到了设计要求。在改造过程中，把所有限位保护电路进行创新 设计，采用负逻辑控制：同时，依据成组工艺技术的原理，编写模拟数控程序， 将模拟数控加工程序编号存入p c 机中的方法，完成了对零件的快速程序编制， 提高了生产效率。该项目的技术水平达到了国内先进水平。 关键词：机床改造；数控技术：数控机床；成组技术；负逻辑控制 a b s t r a c t c h i n ai st r a d i t i o n a l l yam e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gb i gc o u n t r y ，b u t it se q u i p m e n tl e v e l f a l1 sb e h i n d ，e s p e c i a l l yf o rt h a ts o m ee l dm a c h i n e r y 丌1 a n u f a c t u r e ss t i l lh a v eo u t d a t e dt o o lm a c h i n e sw h i c ha r eb e y o n dt h e p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s a sf o rc u r r e n ts i t u a t i o no fm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y st e c h n o l o g y ，i ti st h et r e n dt or e f o r ma n dp r o m o t et h e t r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sw i t hm o d e r nt e c h n o l o g y t h e t o p i ci s t oc a r r yo u tn u m e r i c a lc o n t r o lr e f o r mt o w a r d st w od i s c a r d e d c 6 1 6 l a t h e s t h r o u g hw h i c hp e o p l e c a ns e e ko u t av i a b l ea n d v a l u a b l e - t o e x p a n dt e c h n i c a le q u i p m e n t sr e f o r mm e t h o d ss ot h a ti tc a n s o l v et h ep r o b l e m so w l n gt ot h eo u t d a t e de q u i p m e n t sa n dp r o m o t et h e t r a d i t i o n a lm e o h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s d u r i n gt h er e s e a ic h ，i tist h ef i r s ts t e pt oc a r r y0 nt h eo v e r a l l i n q u i s i t i o na n da n a l y s ist ot h en o r m a lc n cl a t h e sc u r r e n t i vu s e di n f a c t o r i e s i ti sc o m m o nt h a tn ce q u i p m e n t sh a ss u c h s h o r t c o m i n gi n l i m i t e dd i s t a n c ep r o t e c t i o na n dm a l ：f u n c t i o n se a s i l yh a p p e n o nt h eo t h e r h a n d ，c n c1 a t h e su s u a l l yc a np r o d u c ei nm u l t j p leb r a n d so r s i n g b r a n d b u ti nm a s sp r o d u c t i o n t h e r e f o z eiti sv e r yt r i v i a lt op r o g r a ma n di n p u t a n da d j u s tf o re a c hp a r t c u s t o m e r sn e e dt of i n do u to n ew a yt os i m p l i f y t h ep r o c e s st op r o m o t ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a sf o rt h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h er e s e a r c hp u t sf o r w a r dt ot u r n a l lc i r c u i tp r o t e c t i o ni n t on e g a t i v el o g i cc o n t r o la n dh a sc a r r i e do u t t h e o r ya n a l y s i sa n dp r a c t i c e i t sa c t u a la p p l i c a t i o no b t a i n e d g o o d r e s u l ts ot h a tt e c h n i q u eh a sa l r e a d ya p p ll e df o rt h en a t i o n a li n v e n t i o n p a t e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r is t i c so fc n cl a t h e sp r o c e s sm i s s i o n ，t h e t y p e so t p a r t sc a nb ed i v i d e di n l 0s t a l k ，s e ta n dd i s h w ep u tf o r w a r d t o c o m p o s ec r a f t init sa c c o r d a n c e g r o u p s ，o nt h eb a s eo fc r a f t t e c h n o l o g yt h e o r yi ng r o u p s ，t h e nc o m p o s en u m e r i c a lg r o g r a mt h e np u t t h e mi n t op cs ot h a ti t i sf a s tt of i n i s hi n s t a n tp r o g r a m m i n gi no r d e r t op r o m o t ep r o c e s s i n ge f f i c e n c y t h r o u g ht h i sw a y ，t h es m a l lq u a n t i t y 西南交通大学硕士研究生学位论第1i | 页 p r o d u c t i o nc a nh et u r n e di n t om a s sp r o d u c t i o n o w i n gt ot h a t ，i tc a l l p r o m o t ee f f i c i e n c ye f f e c t i v e l ya n dl o w e rt h er e q u i r e m e n t so fo p e r a t o r s r i g h tn o wt h i st e c h n o l o g yi sa p p y i n gf o rn a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t a f t e rc o m p l e t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lr e f o r m a t i o no ft h et w oc 6 1 6l a t h e s t h e yh a v eb e e np u t t i n gi n t op r a t t i c ef o rt w oy e a r sa n dt h eo p e r a t i o n i sv e r yg o o d f u r t h e r m o r ei t sa c t u a la p p l i c a t i o ns i g n a l st h a tv a r i o u s f u n c t i o ni n d e xi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i sr e s e a r c h h a s p a s s e d t h ea u t h e n t i c a t i o n b yd e y a n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t t h e i ro p i n i o ni st h ef o l l o w i n g ： t h er e s e a r c hh a s c o m p l e t e dt h en u m e r i c a lc o n t r o lr e f o r mo ft w o d i s c a r d e do r d i n a r yc 6 1 6 1 a t h e sa n dt h e i rd e v o t i o nu s a g es i g n a l st h a t a 1 1 t h ef u n c t i o ni n d e x e ss a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n dd u r i n g t h ep r o c e s so fr e f o r ma l lt h e m i t e dd i s t a n c ep r o t e c t i o na r et u r n e d i n t on e g a t i v el o g i ce o n t t o a tt h es a m et i m eu s et h et h e o r yo fc r a f t t e c h n o l o g yi ng r o u p st oc o m p o s ei m i t a t ep r o g r a mt h e np u tt h e mi n t op c t h r o u g hw h i c hi ti sf a s tt oc o m p l e t ep r o g r a m m i n gt h e r e f o r ei tp r o m o t e s e f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y t h et e c h n o l o g yl e v e li nt h i sr e s e a r c hc o m e st n a d v a n c e d e v e i nc h jn a k e yw o r d s ：m a c h i n e r yt o o lr e f o r m ；c n ct e c h n o l o g y ；c n cl a t h e ：t e c h n o l o g y i ng r o u p s ；n e g a t i r el o g i cc o n t r 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 。1 数控设备与技术现状 1 1 1 数控设备 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多 的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中， 除少量机床以f m s 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部 分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2 0 0 1 年，我国机床工业产值己进入世界第5 名，机床消费额在世界 排名上升到第3 位，达4 7 3 9 亿美元，仅次于美国的5 3 6 7 亿美元，消费 额比上一年增长2 5 。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国 机床的进口额呈逐年上升态势，2 0 0 1 年进口机床跃升至世界第2 位，达 2 4 0 6 亿美元，比上年增长2 7 3 。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数 控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机 床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出 口的数控机床品种以中低档为主。 1 1 1 1 国内数控机床的特点 1 新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位 例如：全长3 3 公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家 重点建设项目，其中组成列车线的2 5 5 0 根轨道梁是整个工程的晶关键部 分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。去年年初，沈阳机床集团 机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6 个月、标的6 2 0 0 万元在磁悬浮轨 道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于8 月底将一次性验收合格的8 台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心 已加工出轨道梁1 1 0 0 根，确保了轨道粱的加工精度和速度，为实现今年 年底试车打下了良好的基础。 2 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高 2 0 0 1 年国内数控金切机床产量已达1 8 万台，比上年增长2 8 5 。 金切机床行业产值数控化率从2 0 0 0 年的1 7 4 提高到2 0 0 1 年的2 2 7 。 3 数控机床发展的关键配套产品有了突破 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北 京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式 数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡 盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地 镗铣床及数控锻压设备等3 0 多个系列1 0 0 多个品种的数控配套产品。 1 1 1 2 国外数控机床状况分析 1 国际机床市场的消费主流是数控机床 1 9 9 8 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控 化率达7 0 ，我国为6 0 。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电 加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成 套设备为主。 2 国外数控机床的网络化 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、 集成化己成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的 问题。从另一角度来看，目前流行的e r p 即工厂信息化对于制造业来说， 仅仅局限于通常的管理部门( 人、财、物、产、供、销) 或设计、开发等 等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数 控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶 颈，所谓的e r p 就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问 题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大 提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是 所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在 工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以f a n u c 和西门子为代表的数控系统生产厂商己在几年前推出了具 有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的r s 2 3 2 接口外，还备 有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水 平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。 1 1 1 3 数控机床的发展预测 1 数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变 据预测分析，到2 0 0 5 年我国机床的数控化率为9 5 1 0 3 6 ，到2 0 1 0 年将达到1 6 5 1 9 2 7 。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续 增长，高级型的需求缓慢增长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理 数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床 的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构 成比不同于传统的机床构成比。 3 数控机床的应用由单机向单元( 系统) 方向发展 目前欧、美、日等国应用d n c 已很普遍，柔性制造单元已占数控机 床销售量的3 0 以上。而我国f m c 、f m s 和f m l 的拥有量不足5 0 套，相当 于日本8 0 年代的水平，占数控机床消费额不到5 。 4 出口前景良好 1 9 9 8 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5 亿美元左右，2 0 0 0 年上升到7 8 5 亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形 成和巩固，以及我国加入w t o ，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续 增长。预计到2 0 0 5 年出口创汇可达到1 2 亿美元。 1 1 1 4 入世对中国机械工业的结构性冲击 加入w t o 后，外资对我国机械工业的结构性冲击主要表现在以下几 点： 1 部分行业发展主导权有可能受到冲击 在以下行业将表现得更为突出：一是在国内处于市场成长期、外方 掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电 关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等； 二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行 业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工 业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、 在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配 型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器 等。 2 工程成套行业将面临更严峻的竞争 随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到 国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产 品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激 烈的竞争。 3 我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依 靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持 自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资 企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。 4 处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻 由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控 制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的 便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮 大将更困难。 1 ，1 2 数控技术 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。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数 控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗 透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领 域：( 1 ) 机械制造技术；( 2 ) 信息处理、加工、传输技术；( 3 ) 自动控制技 术；( 4 ) 伺服驱动技术；( 5 ) 传感器技术；( 6 ) 软件技术等。 1 1 21 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成 为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对 国计民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从 目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几 个方面。 1 高速、高精加工技术是装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提 高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为 此日本先端技术研究会将其列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学 会( c i r p ) 将其确定为2 1 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产3 0 万辆的生产节拍是4 0 秒辆，而且多品种 加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加 工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切 削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大 型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多 个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度 和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 目前高速加工中心进给速度可达8 0 m m i n ，甚至更高，空运行速度可 达l o o m m i n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公 司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 c i n c i n n a t i 公司的h y p e r m a c h 机床进给速度最大达6 0 m m i n ，快速为 i o o m m i n ，加速度达2 9 ，主轴转速已达6 0 0 0 0 r i i l i n 加工一薄壁飞机零 件，只用3 0 m i n ，而同样的零件在一般高速铣床加工需3 h ，在普通铣床加 工需8 h 德国d m 6 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 1 2 0 0 0 r m m 和1 9 。 在加工精度方面，近l o 年来，普通级数控机床的加工精度已由1 0um 提高到5 um ，精密级加工中心则从3 5 um ，提高到1 1 5 u m ，并且超 精密加工精度已开始进入纳米级( o 0 lum ) 。 在可靠性方面，国外数控装置的m t b f 值已达60 0 0 h 以上，伺服系统 的m t b f 值达到3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到 了快速的发展，应用领域进一步扩大。 2 5 轴联动加工和复合d n t 机床快速发展 采用5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台5 轴联动机 床的效率可以等于2 台3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料 铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比3 轴联动加工发挥更 高的效益。但过去因5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要 比3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5 轴联动 机床的发展。 当前出于电主轴的出现，使得实现5 轴联动加工的复合主轴头结构大 为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此 促进了复合主轴头类型5 轴联动机床和复合加工机床( 含5 面加工机床) 的发展。 新日本工机的5 面加工机床采用复合主轴头，可实现4 个垂直平面的 加工和任意角度的加工，使得5 面加工和5 轴加工可在同一台机床上实现， 还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国d m g 公司展出d m u v o u t i o n 【系列加 工中心，可在一次装夹下5 面加工和5 轴联动加工，可由c n c 系统控制或 c a d c a m 直接或间接控制。 3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 2 l 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，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，如 加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接 方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识另负载自动 选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自 动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方 便系统的诊断及维修等。 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，如美国的n g c ( t h en e x t g e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧共体的o s a c a ( o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、同本 的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t ，f o rc o n t r o l l e r ) ，中国的o n c ( o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已经成为数控系统的未 来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台 上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功 能) ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明 个性的名牌产品。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丌发工具等足当 前研究的核心。 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，如在e m 0 2 0 0 1 展中，日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智能生产控制中心，简称c p c ) ； 日本大隈( o k u m a ) 机床公司展出“i tp l a z a ”( 信息技术广场，简称i t 广场) ；德国西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e nm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称o m e ) 等，反映了数控机床加工向网 络化方向发展的趋势。 4 重视新技术标准、规范的建立 ( 1 ) 关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更 好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施 战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范( o m c 、o s a c a 、o s e c ) 的研究和制定，世界3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计 划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2 0 0 0 年也开始进行中国的o n c 数控系统的规范框架的研究和制定。 ( 2 ) 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数 控技术诞生后的5 0 年问的信息交换都是基于i s 0 6 9 8 3 标准，即采用g ，m 代码描述如何( h o w ) 加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他己越 来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制 定一种新的c n c 系统标准1 s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - - n c ) ，其目的是提供一种不依 赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模 型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 s t e p n c 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发 展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，s t e p n c 提出一种崭新的 制造理念，传统的制造理念中，n c 加工程序都集中在单个计算机上。而 在新标准下，n c 程序可以分散在互联网上，这f 是数控技术开放式、网 络化发展的方向。其次，s t e p n c 数控系统还可大大减少加工图纸( 约7 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ) 、加工程序编制时间( 约3 5 ) 和加工时间( 约5 0 ) 。 目前，欧美国家非常重视s t e p n c 的研究，欧洲发起了s t e p n c 的 i m 8 计划( 1 9 9 9 1 1 2 0 0 1 1 2 3 1 ) 。参加这项计划的有来自欧洲和同本的 2 0 个c a d c a m c a p p c n c 用户、厂商和学术机构。美国的s t e pt o o l s 公 司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机 床加工信息交换的超级模型( s u p e rm o d e l ) ，其目标是用统一的规范描述 所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了s i e m e n s 、f i d i a 以及欧洲o s a c a n c 数控系统的原型样机上进行了验证。 5 数控设备更注重安全性、操作性 数控设备是集机电一体化的产品，由于其自动化程度高，所以对其安 全性和可操作性有了更高的要求。 1 1 2 2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 1 我国在数控技术方面所取得的成绩 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“，l 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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。 2 从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计 ( 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；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，对竞争前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；相关标准规范的研究、制定滞 后。 3 存在差距的主要原因 ( 1 ) 认识方面对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点 认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足； 对我国数控技术应用水平及能力分析不够。 ( 2 ) 体系方面从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统 的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高 质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 ( 3 机制方面不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创 新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 ( 4 ) 技术方面企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程 化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 1 1 3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 1 1 3 1 战略考虑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的 转移，即要掌握先进制造核一1 3 技术，否则在新一轮国际产业结构调整中， 我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得 到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”， 而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业 的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先 从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅 可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定； 其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物 质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的 例证。 1 1 3 2 发展策略 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场 需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标， 用系统的方法，选择能够主导2 l 世纪初期我国制造装备业发展升级的关 键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容， 实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机( 如量大面 广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点 行业关键设备等) 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部 件( 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等) 的可 靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不 会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终 难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终, e t pi 抢紧密结 合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实旖攻关，以解 决国家之急需。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产 权的技术和产品，为我国数控产业、装各制造业乃至整个制造业的可持续 发展奠定基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 2 设备数控化改造的现状 目前，关于设备改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现 在： 1 根据用户的需求可以选择不同的数控系统。 2 根据要求可以进行经济性数控化改造，也可以进行智能化数控设 备改造。 不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需 求。但目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程 中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对 系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类设备存在的问 题，比如：现在的设备普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生电 路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。针对目前同类数控 设备使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造设备时 所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报 警，防止意外事故发生；设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位 置不能换刀，保证了生产安全。这一技术己经申请了国家发明专利。 另外，我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件 的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场 竞争能力的4 个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闽值的大 批量的规模生产才能取得上述4 个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争 环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场己转向以市场需求为中心、 用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命 大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境； 其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。 为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多 变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓 制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们 仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续 地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。 因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精 度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的 两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。 如何达到上述要求，进一步提高其生产的柔性化，达到操作的简便易 行，在改造过程中利用成组技术，来把单件多品种生产转变成变品种的批 量生产，设计共用化的程序存入系统，减少编程的麻烦，提高了加工效率。 这- - 仓, l 新思路是目前市场上没有的，该技术已申请专利。同时采用无级变 速方式，使其转速提高到2 0 0 0 r m i n ，实现了高速化。 1 3 成组技术的发展现状 随着人类生活水平的提高和社会的进步，人们追求个性化、特色化 的思想日益普遍。作为提供人的同常生活所需各种产品的制造业中，大批 量的产品越来越少，单件小批量的产品生产模式越来越多，约占各类机器 生产的( 7 6 8 5 ) 。 随着我国经济的高速发展，社会对机械产品需求多样化的趋势也越 来越明显。传统的针对小批量生产的组织模式会存在一些矛盾，如造成生 产计划、组织管理复杂化；零件从投料到加工完成的总生产时间较长；生 产准备工作量大；产量小，使得先进制造技术的应用受