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论数控技术的发展与应用3班-陈霞-b09020338摘要：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，随着科学技术的飞速发展，数控技术日趋智能化、 开放式、 网络化。文中主要介绍了现代数控技术的现状及发展趋势，以及数控技术在现代制造系统中的重要作用。关键词： 数控技术；发展趋势；智能化；网络化；1引言在以计算机技术为核心的现代科学技术飞速发展的当代,产品更新换代的速度和产品的多样化已让人们深深地领会到科技带来的魅力, 传统的机械制造业也面临着巨大的变革,人们对产品的质量和成本方面与日俱增的要求,使得提高现代制造技术的通用性、实效性成为迫切的任务,传统机械制造业对于外界的适应力或产品适应市场的变化力要增强,同时时间和空间的灵活性变强,其关键就在于数控技术.数控技术简称CNC,它是利用计算机及数字化技术控制机床, 实现自动加工过程的先进制造技术。随着计算机技术和现代设计技术的飞速发展以及装备制造业对数控机床的大量需求， 数控机床的应用范围在不断扩大并不断发展以更适应生产加工的需要。数控机床可以加工复杂零件,而且精度高、生产率高、产品品质稳定、降低工人劳动强度。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业最基本的装备。 2数控机床的发展史及现状1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心(MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。现在，数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控机床是当代机械制造业的主流装备，它的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中，五轴(坐标)联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于2 台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，国际强手对中国限制的五轴联动加工中心、五轴数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面。近年来，在微电子技术，计算机技术，信息工程和材料工程等高新技术的推动下，传统的制造技术得到了飞速的发展，迅速发展成为一门新兴的制造技术。对比传统的制造技术，其重要的特征就是数控加工技术得到了广泛的应用，这一发展的原动力来自于制造业对产品制造效率的强烈追求。在这一背景下，以制造业为主要服务对象的数控技术发展迅速。大量高速、高效、柔和、复合、环保的数控加工新技术不断涌现，使传统的切削加工技术发生了根本的变化。进入21世纪，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机，控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。3数控技术的发展趋势数控技术水平高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。从目前世界上数控技术发展的方向与趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：3.1高速化、高精度提高生产率一直是数控技术发展的一个基本目标。为满足高生产率的需要，高速化是现代机床技术发展的重要方向之一。机床高速化既表现在主轴转速上，也体现在工作台快速移动和进给速度的提高，以及刀具交换、托盘交换时间的缩短上。目前一些超高速数控立式铣床，主轴最高转速达100000r/min，换刀时间可达0.9s， 这些数据的进步都大大的提高了加工效率，也显示出数控机床的发展方向。高精度加工实际上是高速加工技术和数控机床的广泛应用的必然结果。随着计算机硬盘、高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高0.0001mm，加工精度进入了亚微米的世界。提高数控设备的加工精度，除通过提高机械设备的制造精度和装配精度外， 还可通过减小数控系统的控制误差和采用补偿技术来达到。在采用补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距补偿误差和刀具误差补偿等技术外，近年来设备的热变形误差和空间误差综合补偿技术的研究已成为设计范围的研究热点。研究结果表明， 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%。3.2高效能、高自动化、高可靠性为了减少机床辅助时间，提高机床效率，除了在结构上采取一系列措施外，在数控技术上采用脱机编程、图形模拟等技术，然后后台输入修改编程程序，前台加工缩短新的加工程序在机调试时间， 使机床的高效能不断得到提高。自数控装置发展到以微处理器为主体组成 CNC系统后，系统的功能得到不断扩大，因此数控机床的自动化程度也不断提高。新型数控系统大量采用大规模和超大规模集成电路， 还采用专门片，提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了元器件数量和它们之间的连线和焊点数目，从而大大降低系统的故障，使数控不断地向高可靠性方向发展。在国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性1个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品, 受性能价格比的约束。对于每天工作2班的无人工厂而言,如果要求在16h内连续正常工作, 无故障率P(t)99%的话,则数控机床的平均无故障运行时间 MTBF就必须大于3 000h。MTBF大于3000 h,对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别巨大,我们只对1台数控机床而言,如主机与数控系统的失效率之比为10：1(数控系统的可靠比主机高1个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于 33 333 . 3h,而其中的数控装置, 主轴及驱动等的 MTBF就必须大于 10万h 。当前国外数控装置的 MTBF值已达6 000h以上,驱动装置达 30 000 h以上。3.3多轴联动加工和复合加工机床快速发展。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。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。3.4智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21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品质方面的智能化,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、自动识别负载自动选定模型、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。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,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开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。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。3.5柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点 (数控单机,加工中心和数控复合加工机床), 线(FMC,FMS,FTL,FML)向面(工段车间独立制造岛,FA),体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、 实用化为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓和完善;CNC单机向高精度,高速度和高柔性方向发展;数控机床及其柔性制造系统能方便地与CAD/CAM/CAPP/MTS联结,向信息集成方向发展;网络系统向开放、集成和智能化方向发展。4数控技术在传统机械制造业中的应用(1)数控技术在传统机床中的应用.传统机械工业的主体是机床,现代工业加工出来的产品如何才能达到高效高质, 答案只有一个,只有让传统机床真正实现机电一体化.数控技术为传统的机械制造行业提供了良好的机床控制能力,相当于把计算机作为一种控制装置,即利用数控技术对传统机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机床。 数控机床是名副其实的机电一体化产品, 它以数字化的信息实现对机床控制。控制大体包括机床主电机与所有伺服电机的启动和停止、工件与刀具的相对位置、主轴变速、装夹系统、刀库的操作、冷却泵等,操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上,通过各种指令控制机床伺服系统或其它执行机构,使机床自动加工。 第一台数控机床是1952年由美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功的, 它具有信息存储和处理功能,为了适应航空航天等工业制造复杂零件的生产需求,随着计算机技术的发展,数控机床也步入一个更新换代的时代.(2)数控技术在工业机器人中的应用.工业机器人可以在改善劳动条件、保证生产安全、提高产品质量和生产率方面起重要作用.工业机器人系统由执行机构、动力部分和控制部分等组成.执行机构由伺服驱动装置和机械结构等组成,能模仿人臂的动作;动力部分向执行机构的驱动装置提供动力,使执行机构在驱动元件的作用下实现动作;控制部分由微机数控系统组成,是工业机器人的指挥系统,它控制机器人按规定的程序运动,并可记忆各种指令信息,如动作顺序、运动轨迹、运动速度等,向驱动装置发出指令,使工业机器人完成规定的动作;必要时还可对工业机器人的动作进行监视,当动作出错或发生故障时发出报警信号;对于较高级的工业机器人还有检测传感系统和感觉系统的作用.发展工业机器人对国民经济和科学研究有重要作用.(3)数控技术在汽车工业中的应用.数控技术在汽车领域的应用使得近20年来汽车工业的发展变化很迅速,其中以零部件加工技术的发展尤为显著. 数控机床在汽车零部件加工过程中的特点是:可靠性好,不易出现故障;操作控制逐渐实现人性化;带有完善的主动测量及强大的补偿系统;对上下料实现高效自动化. 这些特点很好地解决了机械加工柔性和高效率的矛盾.另外数控加工技术中的快速成形制造技术、虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等,都使得汽车复杂部位零件加工中的智能化、高效化轻易地实现.步入科技飞速发展的21世纪,各个国家的汽车工业都已经离不开数控加工技术的应用,国外数控技术在汽车制造业的应用已经非常成熟和广泛,他们对于汽车数控制造工艺流程的不断开发,使得汽车新产品的工业化投放周期明显缩短,而我国在汽车工业方面的数控技术比起国外来讲仍然是低层次,对于大批量变速箱,底盘,发动机等主要零部件的加工,在整线自动化设计、建立自身的零部件制造工艺、正线设备的开发等能力方面仍然有待提高和改进.(4)数控技术在煤矿开采上的应用.煤矿开采属于高危行业,在煤矿的开采中,开采能力取决于这个矿