数控机床的发展与趋势

数控机床的发展与趋势

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摘 要

数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。 本文主要讲述了数控机床国内外的发展概况，现代数控技术的发展趋势。介绍了数控机床的特点，组成与分类，并介绍了可编程控制器（PLC）在数控机床中的应用。重点介绍了磨床的概况，以及现代数控磨床的特点，并用PLC进行了对自动磨床电气系统的改造。

本文在编写过程中，参阅了同行的教材，资料和文献，得到了许多帮助，在此谨致谢意。

关键词：发展 趋势 组成 分类 概述 结构 功能 PLC 改造

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Abstract

The numerical control engine bed collection computer technology, the electronic technology, the automatic control technology, the sensing survey, the machine manufacture, is the typical integration of machinery product. It’s development and the application founded the manufacturing industry new times, changed the manufacturing industry production method, the industrial structure, manages the way, caused the world manufacturing industry the pattern to have changed.

This article mainly narrated the numerical control engine bed domestic and foreign development survey, the modern numerical control technology trend of development. Introduced the numerical control engine bed characteristic, the composition and the classification, and introduced programmable controller (PLC) in the numerical control engine bed application. Introduced with emphasis the grinder survey, as well as the modern numerical control grinder characteristic, and has carried on with PLC to the automatic grinder electrical system transformation.

This article in the compilation process, has referred colleague's teaching material, the material and the literature, obtained many help, respectfully offers thanks in this.

Key word: Trend of development Textural Classification Outline Structure Function PLC Transformation.

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目录

摘 要 ............................................................................................................ 2 Abstract .......................................................................................................... 3 目录 ................................................................................................................ 4 一、数控机床系统 ........................................................................................ 5 二、数控机床概要 ........................................................................................ 6

2.1数控机床的产生 .............................................................................. 6 2.2数控机床的发展 ...................................................................................... 7

2.2.1数控机床的发展简史 ................................................................... 7 三、国产数控机床的发展现状 .................................................................... 8

3.1国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 .............................. 8 3.2国产数控机床存在的问题 .............................................................. 9 3.3核心技术严重缺乏 .......................................................................... 9 3.4民族品牌与国际品牌差距明显 ...................................................... 9 3.5技术创新和成果转化与市场脱节 ................................................ 10 四、国内数控机床的发展趋势 .................................................................. 10

4.1智能、高速、高精度化 ................................................................ 10 4.2设计、制造绿色化 ........................................................................ 11 4.3复合化与系统化 ............................................................................ 11 五、结束语 .................................................................................................. 12 参考文献 ...................................................................................................... 13

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一、数控机床系统

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。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。

随着社会的进步和科技的发展,现代机械制造工程领域方面越来越多地采用智能化、自动化,新设备、新技术的应用越来越普遍。 我们对市场进行了调研，发现现在机械工业大量采用数控机床甚至加工中心取代传统的普通机床的机械加工，采用计算机集成系统CIMS取代原有的生产制造管理过程，使企业生产智能化、集成化、网络化。 调查的结果表明：在数控技术专业方面人才缺口较大。 市原来就属于重工业城市,有许多大中小型企业,而石油化工、机械、钢铁等企业都具备数控技术设备。为适应生产技术的迅猛发展.提高企业在市场经济中的竞争能力,不被淘汰,各企业正积极采取有效措施,添置现代新设备。在数控加工技术人才方面提出更高的要求，要求所需人员即要懂得较深的理论知识，以便使大量的新技术得到利用与开发，同时在实践技能上更能胜任，由此可见，企业对数控加工技术与应用专业高级技术型人才和技能型人才的需求日益迫切。

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二、数控机床概要

2.1数控机床的产生

制造业是生产物质财富的产业，机床是制造业的主要生产设备，制造 业中的绝大多数零件都直接或间接地经过机床加工，固此机床(也称工作母机)是制造业的基础。在传统制造业中，对于大批量生产的产品，往往采用组合机床等专用机床组成的自动或半自动生产线；对于单件或小批量生产的产品，一般采用通用机床加工。随着科学技术的不断发展和社会生产力的不断提高，市场对机械产品的要求越来越高，不仅要求提高产品的质量水平，而且要求加快产品更撕换代的速度．这样就导致了现代制造业中多品种、中小批量生产的比重不断增加。在这

样的情况下，再采用传统的加工机床就显得不合理了．这主要体现在两个方面：

①应用专用机床生产线生产准备周期长、费用高、产品不易更新(有时甚至不可能实现产品更新)；

②应用通用机床则无法大幅度地提高生产效率或精确地控制产品质量，同时通用机床也无法加工一些复杂度和精度要求很高的小批量生产的产品。相比之下，数控机床的出现恰恰满足了这些要求。

1948年美国帕森斯(P—ns)公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念。1952年帕森斯公司和麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所合作研制成功世界E第一台三坐标数控铣床，其数控系统采用脉冲乘法器原理，全部由电子管元件组成，虽然体积庞大，功能简单，但却意义重大，标志着机械制造业进入r一个新的发展阶段。1958年我国北京机床研究所和清华大学开始研制数控机床，1965年北京第一机床厂开始生产三坐标数控铣床。

数控机床的出现极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。对于整个制造业来说．由于数控机床的大量使用，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。

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2.2数控机床的发展

2.2.1数控机床的发展简史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类自g造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业，工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进^信息社会奠定了基础。6年后，即在1 952年，计算机技术应用于机床上，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测景和机械设计等新技术的机电体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的自动化机床。计算机数控阶段也经历了三个时代，即1970年的第四代——小型计算机，1974年的第五代微处理器和1990年的第六代——基于Pc(国外称为Pc_based)。

从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了50多年的历程。数控系统由当初的电子管式起步．经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式汕规模集成电路式、大规模集成电路式、超大规模集成电路巾型计算机式、微机式的数控系统。

前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬件数控装置，一般称为Nc数控系统。到20世纪80年代，总体发展趋势是：数控装置由Nc向cNc发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；cNc装置向人T智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统的可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高，到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台(套)。 2.2.2我国敷控机床发展概况

我国于1958年研制第一台数控机床．发展过程大致可分为三大阶段：1958～1979年为第一阶段，】979～1989年为第二阶段t从1989年至今为第三阶段。第一阶段由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后．数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，20世纪60～70年代，由于

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文革等因索，我国与发达国家差距开始拉大。20世纪70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看．我国数控机床产业尚处于起步阶段。第二阶段从日、德、美、西先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞、匈、奥、韩等国及台湾地区引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解头了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。第三阶段国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产韭进行了重点扶持，并加快了国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功．为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。cAD／(1APP／CAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定了产业化基础。数控机床进^了快速发展期。

三、国产数控机床的发展现状

3.1国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小

数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了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。

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3.2国产数控机床存在的问题

由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成。因此加速进行数控系统的工程化、商品化攻关，尽快建成与完善数控机床和数控产业成为当前的主要任务。目前主要问题有：

3.3核心技术严重缺乏

统计数据表明，数控机床的核心技术—数控系统，由显示器、控制器伺服、伺服电机和各种开关、传感器构成，中国90%需要国外进口。如在上海设厂的德国吉特迈集团和意大利利雅路机床集团，在烟台建厂的韩国大宇综合机械株式会社，所有的核心技术都被外方掌握。国内能做的中、高端数控机床，更多处于组装和制造环节，普遍未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。目前世界最大的3 家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控近几年发展迅速，软件水平相当不错，但在电器硬件方面还需进一步提高。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。

数控功能部件是另外一个薄弱环节。某种意义上说，功能部件将构筑21世纪现代数控机床。功能部件的性能和价格决定了数控机床的性能和价格。功能部件不是机床附件，它是数控机床的核心代表。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。从国产数控机床的开发和使用来看，功能部件急需技术攻关。特别在数控刀具滞后现象反映相当强烈。国产数控刀具在寿命、可靠性等方面差距明显，无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用户要求。由于国产刀具品种少、寿命低，严重影响数控机床效率的发挥。调研企业进口的数控机床，配用大量进口数控刀具，由于价格昂贵，用户不堪负担。数控立、卧回转工作台，数控分度盘和数控电动刀架等数控功能部件市场中海外商家也稍胜一筹。

3.4民族品牌与国际品牌差距明显

2004年6月一份广东机床用户的抽查情况透露，在数控机床的各个品牌之中，用户对欧洲、日本、美国、韩国和中国台湾等数控机床品牌的关注度已占全部市场的60%以上。品牌知名度上的差距，导致用户在选择加工设备时把更多的机会给了海外数控机床行业的一些“实力派”。如哈尔滨某发动机(集团)有限公

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司的缸体生产线是一条全自动加工线，其粗加工选用韩国大宇重工的专机自动线，精加工则选用了英国CROSS HULLE公司的专机自动线，缸盖加工线是由德国Cross. Huller公司制造的高速加工中心和专机自动线、德国产的全自动在线测量机、日本产的全自动密封检测机和清洗机组成的。曲轴生产线为全自动柔性流水生产线，精加工线由日本的数控高速CBN 磨床、动平衡机、抛光机等组成。

3.5技术创新和成果转化与市场脱节

适销对路的产品是企业在市场竞争中取胜的根本。技术创新是产品满足市场需要的关键。多数企业在确定数控技术创新项目上没有突出重点，市场定位不明确，不能集中力量，突破重点，带动整体，项目安排带有盲目性。首先，盲目跟随国际技术潮流增加生产能力。数控机床产业本身的水平关键要看创新能力、人员素质和企业素质的提高。近年来的改制、改组已有一些初步成效，来之不易。在面对市场需求增加的同时，还是要清醒看市场，稳妥求发展，还是要抓前、抓后(即抓开发、抓销售、抓质量、抓服务)，慎重抓能力。中国要成为制造市场，而不是加工市场，机床行业也应正确看待这个问题。否则就造成科技攻关的新产品差距仍然很大，浪费了有限的人力物力；其次技术创新取得成果后，缺乏市场化的全面安排，质量保证体系的不健全，尚未制定相应的规范和标准，制造工艺研究严重滞后。造成数控机床市场占有率逐年下降；再次，不重视质量和服务。机床行业是第1 个提出质量承诺声明的行业，在市场好转的时候，企业对质量和服务更要重视，对用户更加周到和热情，一个企业的品牌往往是在市场好的时候树立的，也往往是在市场好的时期丢掉的。

四、国内数控机床的发展趋势

根据2004年10月，完成的《数控机床产业发展专项规划》。国内数控机床大致发展趋势表现在以下几方面：

4.1智能、高速、高精度化

新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件(如电主轴、直线电机、LM直线滚动系统等)主轴转速达15,000r/min以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。一台机床的重复定位精度如果能达到0.005 mm(ISO 标准、统计法)，

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就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO 标准、统计法)以下，就是超高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已达到微米级。

4.2设计、制造绿色化

绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发、制造及其活动对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计；可拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设计等。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，通过绿色生产过程生产出绿色产品。数控机床在制造时要考虑：节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环保型工艺设计等。随着世界经济的迅速发展，尤其是国内改革开放以来工业化程度的加快，所带来的环境污染问题越来越严重，环境保护的呼声越来越高，环保问题已经成为各国经济可持续发展的制约因素之一。数控机床作为装备制造业的核心，能否顺应环保趋势，加大绿色设计与制造的研制，将是影响经济发展的重要要素之一。

4.3复合化与系统化

工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度，是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的作业。产品对外观曲线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是不可避免的发展趋势。

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五、结束语

通过本文的论述可见，目前许多国家对开放式数控系统进行研究，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、配臵规范、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。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，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势，以及数控机床技术的发展与应用也将更加广阔。

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参考文献

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