数控机床的发展与前景zhang

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。
• • • • • • • 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 0.1 m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
第一章 绪论 • 1.1前言
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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。
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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。
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±10 m提 高到±5 m；精密级加工中心的加工精度则从±3～5 m，提高到±1～1.5 m， 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 0.01～0.05 m，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2 m，轴向窜动小于1 m，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208 m/min，加 速度2g，并且还有发展余地。
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
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”。
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。
第二章 数控பைடு நூலகம்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。
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。
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。
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。
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。
张书贤
数控机床的发展与前景
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