数控机床的发展与前景zhang

数控机床的发展与前景张书贤目录•摘要•第一章绪论•1.1前言•1.2数控加工及其优势•1.2.2加工精度高。•1.2.3劳动强度低。•1.2.4适应能力强。6•1.2.5工作环境好。•1.2.6就业容易、待遇高。•第二章数控机床自身系统的发展7•2.1数控机床产业的发展现状7•2.2数控技术发展现状7•2.3数控机床关键部件发展现状8•2.4中国加速数控机床产业发展之路9•第三章我国数控机床的发展趋势10•3.1开放性10•3.2运动并联化11•3.3极端化、大型化和微型化11•3.4信息交互网络化11•3.5新型功能部件12•3.6高可靠性12•3.7加工过程绿色化12•第四章数控机床的主要发展体系13•4.1高速、高效13•4.2高精度13•4.3高可靠性14•4.4复合化14•4.5多轴化14•4.6智能化15•4.7网络化16•第五章结论17•致谢18•参考文献19摘要•从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。•进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文从数控系统的市场化需求和本身系统两方面入手简要介绍了数控装备及加工技术的现状与未来。第一章绪论•1.1前言•目前，中国机床工业厂多人众。但是非常专业的人员过少，机床数量过少，总的来说：数控机床产量不断增长，消费量增加较快，产量满足不了社会发展的需求。•数控加工及其优势•数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围复盖很多领域:(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.计算机对传统机械制造产业的渗透.完全改变了制造业.制造业不但成为工业化的象征.而且由于信息技术的渗透.使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。•利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。数控机床的特点•同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。劳动强度低。•由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，不象传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。所以劳动强度很低。适应能力强。数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。工作环境好数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体高科技产物，对机床的运行温度、湿度及环境都有较高的要求。就业容易、待遇高•由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段，大量的数控机床和先进的加工手段的快速引进，却没有大量熟练数控技术操作的人员参与，因此造成该行业严重缺乏人才。第二章数控机床自身系统的发展•2.1数控机床产业的发展现状•2.2数控技术发展现状•2.3数控机床关键部件发展现状•2.4中国加速数控机床产业发展之路数控机床产业的发展现状•据初步统计，近年来数控机床产量持续地以年均增长超过30%的速度快速增长。2004年其产量达52000台以上，同比年增长40%，数控机床的消费量约74000台，同比年增长32%。在数控机床的技术水平方面，由于市场需求的拉动，中高档数控机床的开发也取得了较大的进展，在五轴联动、复合加工、高速加工、超精加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破，并形成了一批中档数控机床产业化基地。数控机床关键部件发展现状•我国滚动功能部件产业与国外的主要差距是：专业生产水平不高；信息化管理滞后；产业化进程缓慢；个性化服务跟不上。从产品总体水平看，我们处于发达国家名牌产品之下，发展中国家之上的中偏上水平，中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外。•我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持.•国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。第三章我国数控机床的发展趋势3.1开放性3.2运动并联化3.3极端化、大型化和微型化3.4信息交互网络化3.5新型功能部件3.6高可靠性3.7加工过程绿色化开放性•（1）向未来技术开放。•（2）向用户特殊要求开放。•（3）数控标准的建立。运动并联化•并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。•并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。极端化、大型化和微型化•国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。信息交互网络化•对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单。新型功能部件•为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：•（1）高频电主轴•（2）直线电动机•（3）电滚珠丝杆高可靠性•数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。加工过程绿色化•随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。第四章当前数控机床的主要发展体现•4.1高速、高效•4.2高精度•4.3高可靠性•4.4复合化•4.5多轴化•4.6智能化•4.7网络化高速、高效•机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨率为1微米时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1m时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min高精度•从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（#lt;10nm），其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10m提高到±5m；精密级加工中心的加工精度则从±3～5m，提高到±1～1.5m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001m），主轴回转精度要求达到0.01～0.05m，加工圆度为0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2m，轴向窜动小于1m，轴系不平衡度达到G0.4级。高速高精加工机床的进给驱动，主要有#quot;回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠#quot;和#quot;直线电机直接驱动#quot;两种类型。•此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的#quot;零传动#quot;，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。高可靠性•随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于