简论数控机床的特点及发展趋势

简论数控机床的特点及发展趋势
2011年04月19日
　　简论数控机床的特点及发展趋势【摘要】:随着社会的发展，数控机床应用范围越来越广，其优势也越来越明显。它具有一些普通机床所没有的加工特点，如能加工一些特殊零件。它具有高自动化、加工能力强、精度高、效率高等特点。但其发展也日异月新，高速化、高精度化、智能化，复合化，绿色化、网络化、极端化是其发展的方向。本文就其热点与发展趋势做一些简单介绍。
　　【关键词】：高速化、智能化、高精度化、网络化
　　引言：
　　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。                                                                                                 
　　一、什么是数控机床
　　车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后，机床就成了数控机床。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如：从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。
　　数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
　　　　1、  总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
　　　　2、  开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
　　　　3、  WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
　　　　4、  大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
　　　　5、  能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
　　　　6、  系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
　　　　7、  以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置
　　我们一般所说的数控设备，主要是指数控车床和加工中心。                                                                                                                                                                                                      
　　二、计算机集成制造系统（CIMS）
　　　　CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
　　三 、柔性制造系统（FMS）
　　　　柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
　　四 、工业机器人
　　　　第1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。
　　　
　　五、数控机床的特点                        
　　1自动化程度高
　　　　
　　　　在数控机床配件,除非手动装卸工件,整个过程可以通过数控机床。柔性制造系统、上下料、检测、诊断与传播的刀、调度、管理也会有一台机器,自动控制,大大减轻了工人的劳动强度,改善了劳动条件。
　　　　
　　　　2加工能力强
　　　　
　　　　复杂零件在飞机,汽车、造船、模具、电力设备、国防部门的产品生产中具有十分重要的地位,其加工质量直接影响产品的质量和性能。数控加工的任意可控性使其能完成普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。
　　　　　                                                                                                                                                       
　　　　3加工精度高、品质稳定
　　　　
　　　　目前。普通数控加工的尺寸精度通常可达到正负零点零零五毫米，最高的可达到零点零一微米。数控机床是续先编制好加工程序进行工作的，加工过程中无须人为的参与与调整，，因此不受技术工人的技术高低或情绪的影响，，加工精度稳定。
　　　　
　　　　4生产效率高　
　　　　　
　　　数控加工是普通机床效率的两到三倍,尤其在处理复杂零件、生产效率的十倍甚至几十倍。一方面是其自动化程度高,具有自动改变和其他辅助功能,和过程自动化的操作,在一个更加完整的安装到表面可以穿过,节省加工、测试夹具等。另一方面CNC切割剂量的大学,可有效降低加工切削时间。配备适当的数控机床在图书馆和空白仓、刀剑、和上部馈线传感器的条件。不仅有被自动处理功能,并有自动检测和报警和固定误差函数。因此数控机床可以作到白天有人看管和做好各种准备工作后，二，三班则可以在“无人看管”的条件进行24的连续加工。着不仅改善了劳动条件，,解决了连续工作假期计划,夜晚,大大提高了生产效率,设备利用率,缩短生产周期,提高企业的经济效益。　
　　　　　　　
　　　　5容易建立一个计算机通信网络
　　　　　
　　　　 由于数控机床是是使用数字信息，易于与计算机辅助设计和制造系统连接，形成计算机辅助设计和制造紧密结合的一体化系统，数控机床还可以与远程网络进行调度和控制，进行易地管理。
　　　　
　　　  6存在的缺点         
　　机床,加工成本价格昂贵,高技术,加工、维修困难等。                                                                        
　　六、数控机床的发展趋势
　　1 高速化
　　随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。
　　（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；
　　（2）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障。
　　（3）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。
　　2 高精度化
　　数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
　　3 功能复合化
　　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。
　　4 控制智能化
　　智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：
　　（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；
　　（2）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；
　　5 体系开放化
　　系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展
　　（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；
　　（2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求。
　　6极端化(大型化和微型化)
　　微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。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。
　　7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、自主管理的制造单元。
　　8 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。
　　9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。　工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
　　10 网络化
　　网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。
　　11模块化
　　模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模
　　12微型化
　　微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。
　　.结语
　　目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能、网络化、极端化、绿色化等已成为数控机床发展的趋势和方向。
　　中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强
　　致谢
　　本论文的顺利完成，离不开各位老师的关心和帮助。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的毕业论文的，同窗之间的友谊永远长存，在学习期间始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积鞋步何以至千里，本论文顺利地完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业识，并在设计中得以体现。同时我在网上也收集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。在此向学校机械系的全体老师表示由衷的致谢。