数控机床的发展与趋势论文

PAGE..数控机床的发展与趋势论文摘要

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Abstract

Thenumericalcontrolenginebedcollectioncomputertechnology,theelectronictechnology,theautomaticcontroltechnology,thesensingsurvey,themachinemanufacture,isthetypicalintegrationofmachineryproduct.It’sdevelopmentandtheapplicationfoundedthemanufacturingindustrynewtimes,changedthemanufacturingindustryproductionmethod,theindustrialstructure,managestheway,causedtheworldmanufacturingindustrythepatterntohavechanged.

Thisarticlemainlynarratedthenumericalcontrolenginebeddomesticandforeigndevelopmentsurvey,themodernnumericalcontroltechnologytrendofdevelopment.Introducedthenumericalcontrolenginebedcharacteristic,thecompositionandtheclassification,andintroducedprogrammablecontroller<PLC>inthenumericalcontrolenginebedapplication.Introducedwithemphasisthegrindersurvey,aswellasthemodernnumericalcontrolgrindercharacteristic,andhascarriedonwithPLCtotheautomaticgrinderelectricalsystemtransformation.

Thisarticleinthecompilationprocess,hasreferredcolleague'steachingmaterial,thematerialandtheliterature,obtainedmanyhelp,respectfullyoffersthanksinthis.

Keyword:TrendofdevelopmentTexturalClassificationOutlineStructureFunctionPLCTransformation.1国产数控机床的发展现状1.1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。1.2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：1.3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XX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。1.4民族品牌与国际品牌差距明显20XX6月一份XX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XX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XX某发动机<集团>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CROSSHULLE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。1.5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。1.6缺乏先进的管理机制多数企业都受到生产经营缺乏动力、自我约束机制不健全、劳动生产率低下等问题的严重困扰。适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系尚未形成,缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境,无法有效整合相关技术、产业和资源优势,形成合力开展联合攻关,共同打造技术创新平台。所以必须按照经济发展的客观要求,建立以公司法人为主要内容的现代企业制度。真正确立以用户为中心的市场经济观念,认真调整产品结构和组织结构。真正让市场在资源配置中起基础作用。2国内数控机床的发展趋势根据20XX10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：2.1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0.005mm<ISO标准、统计法>,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。2.2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。2.3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。2.4数控系统发展趋势24.1数控系统向开放式体系结构发展计算机技术的飞速发展,推动数控技术更快地更新换代。许多数控系统生产厂家利用Pc机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性,并可以较容易地实现智能化、网络化。,开放式体系结构可以大量采用通用微机技术,使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统,其硬件、软件和总线规范都是对外开放的．数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行系统集成,同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便,促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用,开发生产周期大大缩短。同时,这种数控系统可随CPU升级而升级,而结构可以保持不变。2.4.2数控系统向软数控方向发展①传统数控系统,如FANUCO系统、MITSTISHIM50系统、SIN.MERlK810M,7／c系统等,是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前,这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放式体系结构数控系统的发展,传统数控系统的市场正在受到挑战,已逐渐减小。②"Pc嵌人NC"结构的开放式数控系统,如FANUCO和16l、SINUMERZ840D、Nutr-1060、AB9／：360等,是数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品．具有一定的开放性。但它的Nc部分仍然是传统的数控系统,用户无法介人数控系统的核心。这类系统结构复杂,功能强大,价格昂贵。⑧"NC嵌人PC"结构的开放式数控系统。它由开放式体系结构运动控制卡和Pc机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSF’作为CPU,具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统,可以单独使用。它开放的函数库供用户在Windows台下自行开发构造所需的控制系统,因而,这种开放式体系结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。④SOFT型开放式数控系统。这是一种最新开放式体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性,它的cNc软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I／O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WindowsNT平台上,利用开放的cNc内核开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统,与前几种数控系统相比,SO订型开放式数控系统具有最高的性能价格比,因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件,正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的OpencNc、德国P0werAutomatlon公司的P．～8000NT等。2.4.3数控系统控制性能向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的渗透和发展,数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理,不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能,而且人机界面极为友好,并具有故障诊断专家系统,使自诊断和故障监控功能更趋完善。为日本Mazak公司最新推出的E—zizith型卧式加工中心,将信息技术与制造技术融为一体。在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径,已形成将测量<M…㈣nt>、建模<Modelling>、加_I=<M衄u‰tIldng>、机器操作<M删pulator>四者<即4M>融合在一个系统中,实现信息共享．促进测量、建模、加工、操作一体化的4M智能系统。2.4.4数控系统向网络化方向发展数控系统的网络化,主要指数控系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网,然后再经由因特网通向企业外部．这就是所谓的I㈣i[erl∥Intranet技术。随着网络技术的成熟和发展,最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造,又称"e一制造",是机械制造企业现代化的标志之一,也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用,越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。为模具车间利用Inkmet技术进行的网络化控制数控加工．数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展,现代柔性制造系统从点<数控单机、加工中心和数控复合加工机床>、线<FMCC、FMS、rrL、FML>向面<工段车间独立制造岛、FA>、体<c[MS、分布式网络集成制造系统>的方向发展。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标,同时注重加强单元技术的开拓、完善,能方便地与cAD、CAM、cAPF。、MiX3联结,向信息集成方向发展,网络系统向开放、集成和智能化方向发展。2.4.5数控系统向高可靠性方向发展随着数控机床网络化应用的日趋广泛,数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16h内连续正常工作,无故障率在99％以上,则数控机床的平均无故障运行时间<MTBF>就必须大于3000h。如主机与数控系统的失效率之比为10：l<数控的可靠比主机高一个数量级>,数控系统的MTBF就要大于333333h,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于105h。对整条生产线而言,可靠性要求还要更高。2.4.6数控系统向复合化方向发展在零件加工过程中,有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升速、降速上,为了尽可能降低这些无用时间,人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上,因此,具有复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后,机床便能按照数控加工程序自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工,以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部加工工序。2.4.7数控系统向多轴联动化方向发展在加工自由曲面时,三轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削,进而对工件的加工质量造成破坏性影响,而五轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削三维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显著改善加工表面的粗糙度,大幅度提高加工效率．因此．多轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点。3CNC装置的工作原理CNC装置在其硬件环境支持下,按照系统监控软件的控制逻辑．对输人、译码、刀具补偿、速度规划、插补运算、位置控制、L／O接口处理、显示和诊断等方面进行控制。cNc装置的主要工作包括以下内容。3.1输入输人cNc装置的有零件程序、控制参数和补偿量等数据。输人的形式有光电阅读机输人、键盘输入、磁盘输入、连接上级计算机的DNC接口输人、网络输人。从CNC装置的工作方式看,有存储器输人工作方式和MDI<M皿udDirectInput,手工直接输人>工作方式。cNc装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。3.2译码不论系统工作在MDI方式还是存储器输入方式下,都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理的,把其中的各种零件轮廓信息<如起点、终点、直线或圆弧等>、加工速度信息<F代码>和其他辅助信息<M、S、T代码等>按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式,并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码的过程中．还完成对程序段的语法检查,发现语法错误便立即报警。3.3插补插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行"数据点的密化"<拟合>。插补程序在每个插补周期运行一次,在每个插补周期内,根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常,经过若干次插补周期后,插补加工完一个程序段轨迹,即完成从程序段起点到终点的"数据点密化"工作。3.4进给速度处理编程所给的刀具移动速度,是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中,对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。35刀具补偿刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常,CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程,刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。目前,在比较好的CNC装置中,刀具补偿还包括程序段之间的自动转接和过切削判别,就是所谓的c刀具补偿。3.6位置控制位置控制处在伺服回路的位置环上,这部分工作可以由软件实现,也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内,将理论位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制伺服电机。在位置控制中,通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿,以提高机床的定位精度。3.7显示CNC装置的显示主要是为操作者提供方便,通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。3.8I\O处理主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制<如换刀、换挡、冷却等>。3.9诊断现代CNC装置都具有联机和脱机诊断的能力。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序,随时检查不正确的事件。脱机诊断是指系统运转条件下的诊断,CNC装置配备有各种脱机诊断程序,以检查存储器、外围设备<CRT、阅读机、穿孔机>、L,O接口等。脱机诊断指采用远程通信方式,即所谓的远程诊断,把用户的CNC通过网络与远程通信诊断中心的计算机相连,对CNC装置进行诊断、故障定位和修复。4CNC装置的硬件结构CNC装置是在硬件支持下,通过系统软件控制进行工作的,其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。硬件结构根据控制功能的复杂程度,可分别采用单处理器结构和多处理器结构。数控系统的硬件结构,按CNC装置中各电路板的插接方式,可分为大板式结构和功能模块式结构；按微处理器的个数,可分为单微处理器结构和多微处理器结构；按硬件的制造方式．可分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置的开放程度,可分为封闭式结构、Pc嵌入NC式结构、NC嵌入PC式结构和软件型开放式结构。4.1单微处理器结构的CNC系统所谓单微处理器结构,是指在cNc装置中只有一只微处理器<CPU>,工作方式是集中控制,分时处理数控系统的各项任务,如存储、插补运算、输人／输出控制、CRT显示等。某些CNC：装置中虽然用了两个以上的CPU．但能够控制系统总线的只是其中的一个CPI_F,它独占总线资源,通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口相连。其他的CPU则作为专用的智能部件,不能控制总线,也不能访问存储器。这是一种主从结构,故被归纳于单微处理器结构中。单微处理器结构简单,容易实现。单微处理器结构的cNc装置可划分为计算机部分、位置控制部分、数据输入／输出接口及外围设备。微处理器CPU是CNC装置的核心,CPU执行系统程序,首先读取工件加工程序,对加工程序段进行译码和数据处理,然后根据处理后得到的指令,进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器<PLC>送到机床,同时接收由PLC返回的机床各部分信息并予以处理,以决定下一步的操作。4.2位置控制部分包括位置控制单元和速度控制单元位置控制单元接收经插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内的位移量,控制伺服电机工作,并根据接收到的实际位置反馈信号。修正位置指令．实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元,速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较,修正速度指令,用其差值去控秘伺服电机,使其以恒定速度运转。数据输入／输出接口与外围设备是CNC装置与操作者之间交换信息的桥梁。例如,通过MDI方式或串行通信,可将工件加工程序送人CNC装置；通过CRT显示器,可以显示工件的加工程序和其他信息。在单微处理器结构中,由于仅由一个微处理器进行集中控制,故其功能将受CPU字长、数据字节数、寻址能力和运算速度等因素的限制。如果插补等功能由软件来实现,则数控功能的实现与处理速度就成为突出的矛盾。解决矛盾的措施可以有：增加浮点协处理器、采用带有CPU的PL和CRT等智能部件。5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：a. 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成,具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点,在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；b. 直线电动机：近年来,直线电动机的应用日益广泛,虽然其价格高于传统的伺服系统,但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用,机械传动结构得到简化,机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；c. 电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成,可以大大简化数控机床的结构,具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。6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