关于数控加工技术的现状及其发展前景的分析

Companynumber：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】关于数控加工技术的现状及其发展前景的分析关于我国数控加工技术的现状及其发展前景的分析孙晓娜郝明月（辽宁工程技术大学机械工程学院加工06-1班，辽宁阜新123000）摘要：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（汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。本文将从振兴我国数控机床市场占有率的角度着重剖析数控机床及由其组成的制造系统（生产线）的技术现况及发展趋势，并初步探讨使其能适应变批量，多品种、高质量、低成本以及具有快速响应的柔性和符合环保的未来生产模式的解决，以期抛砖引玉。关键词：数控加工技术；数控机床；现状；对策；前景1数控加工技术的起源随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ParsonsCorporation）实现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到±0.0381mm（±0.0015in），达到了当时的最高水平。1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。到了1960年以后，点位控制的数控机床得到了迅速的发展。因为点位控制的数控系统比起轮廓控制的数控系统要简单得多。因此，数控铣床、冲床、坐标镗床大量发展，据统计资料表明，到1966年实际使用的约6000台数控机床中，85%是点位控制的机床数控机床的发展中，值得一提的是加工中心。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现工件一次装卡而进行多工序的加工。这种产品最初是在1959年3月，由美国卡耐·特雷克公司（Keaney&TreckerCorp.）开发出来的。这种机床在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，对工件进行加工。它可缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。加工中心现在已经成为数控机床中一种非常重要的品种，不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。2数控机床的概述数控加工技术主要通过数控机床（NCmachinetools）体现在生产中。所谓数控机床，是采用了数控技术的机床，它是用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说，将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上，然后输入数控系统，经过译码、运算，发出指令，自动控制机床上的刀具与工件之间的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件，这种机床即为数控机床。的种类由于数控系统的强大功能，使种类繁多．其按用途可分为如下三类。①金属切削类。金属切削类包括、数控、数控磨床、数控钻床、数控镗床、加工中心等。②金属成形类。金属成形类有数控折弯机、数控弯管机、数控冲床和数控压力机等。③数控特种加工。数控特种加工包括数控线切割、数控电火花加工、数控激光加工，数控淬火等。的组成一般由输入输出设备、数控装置(CNC)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器(PLC)及电气控制装置、辅助装置、本体及测量装置组成。图1—1是的硬件构成。数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。（2）所编程序指令输入机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。（4）在机床上加工出合格的零件。数控机床的基本结构如图1．1．2所示，下面对其各组成部分加以介绍。图2-1数控机床硬件构成（5）输入装置数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。（6）数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。（7）驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。（8）辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器（PLC）作数控机床的辅助控制装置。（9）机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。机床的加工过程将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入装置，按照程序的要求，经过系统信息处理，分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现与工件的相对运动，完成零件的加工。图2-1数控加工中数据转换过程3我国数控加工技术的现状数控加工技术先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。前三代属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。，第四代数控系统出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（omputerizednumricalcontrol，即CNC）。自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（microcomcuperizednumericalcontrol即MNC）得到迅速发展。我国的机械制造工业已具有一定的实力。机床工业高速发展，机床产品除满足国内建设需要外，还有部分产品远销国外。（1）现已能生产小型仪表机床、重型机床，各种精密的、高度自动化的、高效率的机床。机床性能正在逐渐提高，有些机床性能已接近世界先进水平。（2）目前生产的数控系统（以数控机床为主）大部分以PC机作为控制核心，使得我国生产的数控系统在硬件系统方面、软件系统方面都有不同程度的提升，增强了市场竞争力。（3）目前已能生产100多种数控机床，并研制出六轴五联动的数控系统，可应用于更加复杂型面的加工。国产数控机床的分辨率已经提高到0.001mm。系统的可靠性也大大提升，这是由于我国生产数控系统均采用模块化设计，且电路板中广泛采用超大规模集成电路，保证了系统的整体可靠性。4我国数控机床使用率低的原因分析国外数控机床在两班制工作下开动率达到60％-70％，但国内许多用户往往只能达到20％-30％。归纳起来，我国数控机床使用率低的原因有如下几点。第一用户盲目选购数控机床，致使"货不对路"1）选型存在"盲目性"。不考虑投资效益和经济性，不考虑性能价格比，比如在实际生产中有一台国产低档的数控机床就好用，但却盲目追求先进，盲目进口国外性能太好、精度太高的数控机床。2）选型存在"片面性"。片面讲究功能齐全，认为功能越多越好，而实际使用中很多功能用不上或几乎不用。3）数控机床选型混乱，数控机床类型、规格不配套。选购了不同厂家的产品，数控系统不统一，没有良好的技术后援，购置后给使用、编程、维修以及配件供应、刀具通用带来困难。4）购置后发现"货不对路"，数控机床类型、规格、精度与产品不相适应，购买后使用成本太高或加工范围过小。5）购置数控机床时只重视主机性能，而忽略附件和刀具配套，致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。第二数控机床技术人员"综合素质低"。用户缺少高级编程人员、操作人员、维修人员等复合型应用型专业人才。用户若选购一台较复杂、功能齐全、较为先进的数控机床，如果没有适当人去操作使用和编程，没有熟练的维修工去维护修理，再好的机床也不可能用好第三编程"效率低"。据国外统计，手工编程时，一个零件的编程时间与机床实际加工时间之比约为30：1，而数控机床不能开动的原因中有20％～30％是由于加工程序一时编制不出而耽搁的。第四维修"时间长"，维修工作跟不上。目前国内除少数大厂配有专业维修队伍以外，大部分使用单位很难配备技术水平高的维修人员。第五数控机床的"工作环境差"1）电压波动大、供电质量差。我国大部分电网电压不稳定，不仅电源波动幅度大（有时波动远远超过10％）。而且供电质量差，交流电源往往叠加一些高频杂波信号，有时还会出现幅度很大的瞬间干扰信号，这些都会直接影响CNC系统的稳定，加速电子元件的损坏，破坏机内的程序或参数，影响机床的正常运行。2）环境温度变化大、湿度大。当温度过高或过低时会使电子元件的技术性能发生较大变化，使工作不稳定或不可靠而增加故障的发生。3）强电磁干扰等。第六数控机床"管理水平低"1）管理者对数控机床认识有误区，它的表现是多种多样的。如认为加工中心一类的数控机床是贵重机床，粗加工不能用，太精密的工件又不一定加工得了，这样，自然就把加工对象压缩到很小的范围内，使数控机床任务不满；又如给数控机床安排不合适的工件加工或不控制工件的毛坯质量，经常出现质量事故；生产管理性不强，安排数控机床时不给足够的技术准备时间，指望用数控机床来"突击加工"，但由于数控机床准备工时较长，经常不能按时完成任务，所以一些管理人员就认为这类机床不好用，安排生产任务时就尽量不考虑它。2）技术准备工作滞后，在实际机床使用中经常可以看到机床停工等待程序、刀具和夹具等；技术准备工作没有做好就让机床开始加工，必然造成边干边停；企业习惯于采用普通机床加工的，让操作者自己去解决一些技术准备工作，如修磨几把刀具等。5提高数控机床利用率的对策为数控机床创造一个良好的"工作环境"，做到"人一数控机床一环境"相互协调，是用户用好数控机床的必要条件。1）数控机床对电源的要求较为严格，一般要求工作电压为22OV±10％；2）为数控机床配置合适的自动编程系统，快速、准确地编制程序是提高数控机床使用率的一个重要环节；3）必须配备必要的附件和刀具。应当注意单独签订购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价，有条件的企业应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其它附件。在企业生产中，工艺和产品结构都有变化的可能，4）加工前审查零件数控加工工艺性，应重视生产技术准备工作，包括零件数控加工工艺性分析、加工程序编制、工装与刀具配置、原材料准备及试加工等，以缩短生产准备时间。合理安排适合在数控机床加工的各种工件，安排好数控机床加工运转所需的各生产环节的节拍。加强数控机床日常维护保养，组建数控机床"维修中心"，是长期可靠用好数控机床的重要保障。1）重视保证数控机床使用初期的运转率。数控机床一旦验收好以后必须立即投入运行，尽过9～14个月的运行才能进入有效运行期（稳定工作期），数控机床大约经过6-12个月左右的试用期，才可投入正常使用。在保修期和试用期内，应尽量让机床开足使用，使机床有一个足够的"老化"过程。2）加量提高机床的开动率，使故障的隐患尽可能在保修期内得以排除。一般来说，数控系统要经强数控机床日常维护保养。特别要注意数控机床不宜长期封存不用。有了数控机床舍不得用，反而会由于受潮等原因加快电子元器件的变质或损坏。如果企业没有生产任务，数控机床较长时间不用时，也要定期通电，最好每周通电1～2次，每次运行lh左右，使电器元件不至受潮，同时也能及时发现有无电池报警发生，以防止系统软件、参数的丢失。3）建立一支高水平的维修队伍。有一定数量数控机床的企业成立一个由高水准技术人员组成的专门负责数控机床修理任务的维修机构--如"数控机床维修中心"。该维修机构由主管设备的厂长直接领导，数控机床维修中心成员应由具有丰富维修经验的老技师、电气工程师、机械工程师、维修钳工和具有很强专业化知识的人员组成，用户必须采用多种形式对他们进行培训，特别是提高他们对数控机床的故障判别能力及排除故障的处理能力。加强数控机床技术人员的综合业务素质培训，培养数控机床应用的技术队伍，是用户用好数控机床的关键所在。为此用户应注意以下几点1）严格挑选数控技术人员。数控机床是技术比较密集的机床，操作、维修比较复杂。因此操作、编程、维修人员必须精心选择。一般情况下，首批操作、编程。维修人员应选择相关专业的具有大中专资历的技术人员作为培养对象。2）加强数控技术人员的综合素质培训。数控技术人员的综合业务素质的提高，一是靠技术培训，二是靠较长时间的实践锻炼，用户购进数控机床的同时就要考虑人员的挑选和培训，操作、编程、维修人员必须经过专业培训才能上岗操作。3）大力培养使用数控机床的技术队伍并采取措施稳定这支队伍。数控机床利用水平的高低，不仅取决于操作者动手操作能力，还与编程人员的编程技巧，维修人员的维修技能有密切关系。6我国数控加工技术的发展前景技术的发展趋势1）PC机、具有开放式体系结构的数控系统“开放式系统体系结构”这一概念最初是由美国于1989年在美国空军的NGC（NextGenerationworkstation/machineController）项目中提出的，该项目的成果是提出了一个开放式系统体系结构的规范SOSAS(SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard)。美国三大汽车公司（GM,Ford,Chrysler）合作开展了OMAC（OpenModularArchitectureControllers）项目的研究。OMAC作为美国实施开放式计划的代表，其技术条件完全按这三大汽车公司提出的要求。通过采用这一开放系统，控制系统的成本降低了74％，遥控设备的成本降低了40％，此外，还省去了250个开关和指示灯。通过开放控制系统，美国出现了新的工厂自动化方式和新的生产方式，并促进了产业结构的调整和产业的再生。（2）智能化数控技术的另一个发展趋势是加工过程的智能化。带有的自适应控制功能的数控系统可以在加工过程中控制切削力和切削温度等加工参数，并自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工的表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。建立以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统来指导加工，机床操作者只需提供原材料的特性和刀具的参数等信息，系统可以智能的选择采用合适的加工速度和切削深度。（3）网络化企业内部的资源和信息共享远程诊断我国数控技术的发展数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。（1）总体战略制定符合中国国情的总体发展战略，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。通过对数控技术和产业发展趋势的分析和对我国数控领域存在问题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路将是一种符合我国国情的发展数控技术和产业的总体战略。（2）以科技创新为先导中国数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多。这种局面在发展初期的起步阶段，是无可非议的。但到了世界数控强手如林的今天和知识经济即将登上舞台的新世纪，这一常规途径就很难行通了。为改变这种现状，我们必须深刻理解和认真落实“科学技术是第一生产力”的伟大论断，大力加强数控领域的科技创新，努力研究具有中国特色的实用的先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。这样，才不会被国外牵着鼻子，永远受别人的制约，才有可能用先进、实用的数控产品去收复国内市场，打开国际市场，使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列。（3）在商品化上狠下工夫近几年我国数控产品虽然发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。（4）将管理和营销作为产业发展重点经过20来年市场风雨的冲击，国人已越来越认识到，技术固然重要，但在市场经济的环境下，要在激烈的全球竞争中获胜，管理和营销就显得更为重要。例如，我国台湾生产的数控机床不但占领了大陆市场的相当大的份额，而且还打进了美国市场。是台湾数控机床的技术和质量超过美国了吗显然不是。那他们靠的是什么重要的一条就是在企业管理和产品营销上下了工夫。而我们长期以来把主要精力放在开发技术和提高水平上，忽视了经营管理、市场开拓、产品营销等方面的工作，结果在新技术、新产品开发出来以后，在产品质量提高以后，企业仍然处于产品销售不畅的困境。（5）大力加强技术支持和服务数控系统和数控机床作为典型的高技术产品，对用户的技术支持和服务是相当重要的。以前国产数控产品丧失信誉的原因，除可靠性问题外，另一大问题就是缺乏有力的技术支持和服务。用户花了很多钱买的数控机床或数控系统，一旦出现问题却叫天天不应，叫地地不灵，以后谁还敢买我们的产品。因此，应将对用户的技术支持和服务当成重要的日常工作来抓，使我们在市场上向纵深挺进时，有一个强大后方。因此，为了取得数控产品市场竞争的全面胜利，必须建立以技术支持和服务为核心的强大后方。目前，利用先进的信息技术手段（如网络和多媒体），将为建立新一代立体化的技术支持和服务体系开辟新的途径。（6）坚持可持续发展道路可持续发展是下一世纪企业发展的重要战略，我国数控产业要有大的发展也必须坚持走可持续发展的道路。绿色是实现可持续发展的重要途径，其主要思想是清洁和节约。为此应大力加强绿色数控产品的开发，加速促进数控产品、数控产业以及整个制造业的绿色化，主要战略措施应考虑以下几方面：①有效减少产品制造及使用过程中的环境污染②大幅度降低资源消耗和能源消耗。③加强用数控技术改造传统机床。④大力发展绿色数控机床。绿色数控机床应是材料消耗少、能耗低、无污染，寿命长且便于拆卸回收的新型机床。技术途径（1）发展具有中国特色的新一代PC数控系统数控系统是各类数控装备的核心，因此通过科技创新首先发展具有中国特色的新型数控系统，将是推动数控产业化进程的有效技术途径。实践证明，10年来我们所走的PC数控道路是完全正确的。PC机（包括工业PC）产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可靠性高（工业PC主机的MTBF已达30年。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。此外，以通用微机作为数控平台还可获得快速的技术进步，当PC机升级换代时，数控系统也可相应升级换代，从而长期保持技术上的优势，在竞争中立于不败之地。（2）推进数控功能部件的专业化生产解决数控系统问题后，如何实现数控机床的模块化设计与制造便是我国机床制造企业快速响应市场需求，在竞争中获胜的另一关键。要实现数控机床的模块化设计制造，必须解决数控机床功能部件的专业化生产问题。目前我国在这方面离实际需求还有相当大的差距。因此，在今后的若干年内，我们必须大力促进数控机床功能部件的开发和专业化生产。加速数控机床的全国产化，打好市场翻身仗数控产业化的最终成功将体现在数控机床的全国产化和市场占有率上。在上述总体战略指导下，采取抓两头（低价位数控机床和高速高效数控机床）、带中间（普通数控机床）、促重型（重型关键装备）的方针，将是在国内市场上快速收复失地，在国际市场上稳步进军，最终打赢国产数控机床市场翻身仗的一种有效战术和策略。7结束语PC机进入数控领域，极大的促进了数控技术的发展，也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供了机遇。机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进数控制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之，在我国研究和发展数控制造技术势在必行。参考文献[1]徐国威.[J].兵工自动化,1993,(02).[2]李晓华.[J].承德职业学院学报,2007,(02).[3]廖勇,黄容申.[J].重庆石油高等专科学校学报,2002,(02).[4]王瑚.[J].工具技术,2006,(03).[6]窦晓牧,彭炎午.[J].工业仪表与自动化装置,1991,(01).[7]胡俊，王宇晗等.数控技术的现状和发展趋势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