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中外数控机床发展史

发布人: 菠菜导航网站 来源: 菠菜导航登录 发布时间: 2020-12-12 13:00

  中外数控机床发展史_机械/仪表_工程科技_专业资料。《数控技术》论文 题目:数控机床发展史 姓 班 学 名: 江 源 级:汽车 13-1 号:1307130106 指导教师:卢万杰 完成日期:2015.5.8 辽宁工程技术大学机械工程学院

  《数控技术》论文 题目:数控机床发展史 姓 班 学 名: 江 源 级:汽车 13-1 号:1307130106 指导教师:卢万杰 完成日期:2015.5.8 辽宁工程技术大学机械工程学院 二零一六年五月 数控机床发展史 摘要: 数控机床是数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令),控制刀具 按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床,简称数控机床。数控 机床具有广泛的适应性, 加工对象改变时只需要改变输入的程序指令;加工性能 比一般自动机床高,可以精确加工复杂型面,因而适合于加工中小批量、改型频 繁、精度要求高、形状又较复杂的工件,并能获得良好的经济效果。随着数控机 床在工业生产中日益风靡, 人们不禁要问:数控机床是如何发展的?以后又会向 什么方向发展呢? 关键词: 数控机床 发展 一·数控机床发展 1·数控机床的起源 1948 年,美国帕森斯公司接受美国空军委托,研制飞机螺旋桨叶片轮廓 样板的加工设备。 由于样板形状复杂多样, 精度要求高, 一般加工设备难以适应, 于是提出计算机控制机床的设想。1949 年,该公司在美国麻省理工学院(MIT) 伺服机构研究室的协助下,开始数控机床研究,并于 1952 年试制成功第一台由 大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床,不久即开始正式生产,于 1957 年正式投入使用。 这是制造技术发展过程中的一个重大突破,标志着制造领域中 数控加工时代的开始。 数控加工是现代制造技术的基础,这一发明对于制造行业 而言,具有划时代的意义和深远的影响。 2·数控机床的兴起 1952 年美国麻省理工学院和吉丁斯· 易斯公司首先联合研制出世界上第 一台数控升降台铣床,随后、日本、苏联等国于 1956 年分别研制出本国的 第一台数控机床。60 年代初,美国、日本、、英国相继进入商品化试生 产,由于当时数控系统处于电子管、晶体管、和集成电初期,设备体积大、 线复杂、价格昂贵、可靠性差,数控机床大多是控制简单的数控钻床,数控 技术没有普及推广,数控机床技术发展整体进展缓慢。 70 年代,出现了大规模集成电和小型计算机,特别是微处理器的研制成 功,实现了数控系统体积小、运算速度快、可靠性提高、价格下降,使数控系 统总体性能、质量有了很大提高,同时,数控机床的基础理论和关键技术有了 新的突破,从而给数控机床发展注入了新的活力,世界发达国家的数控机床产 业开始进入了发展阶段。 80 年代以来,数控系统微处理器运算速度快速提高,功能不断完善、可靠 性进一步提高,、检测、换刀、外围设备得到了应用,使数控机床得到了 全面发展,数控机床品种迅速扩展,发达国家数控机床产业进入了发展应用阶 段。 90 年代,数控机床得到了普遍应用,数控机床技术有了进一步发展,柔性 单元、柔性系统、自动化工厂开始应用,标志着数控机床产业化进入成熟阶 段。 中国于 1958 年研制出第一台数控机床,发展过程大致可分为两大阶段。在 1958~1979 年间为第一阶段,从 1979 年至今为第二阶段。第一阶段中对数控 机床特点、发展条件缺乏认识,在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情 况下,一哄而上又一哄而下,曾三起三落、终因表现欠佳,无法用于生产而停 顿。主要存在的问题是盲目性大,缺乏实事求是的科学。在第二阶段从 日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术,从日、美、德、意、英、法、瑞 士、匈、奥、韩国、省共 11 国(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资 生产,解决了可靠性、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。 在 20 余年间,数控机床的设计和制造技术有较大提高,主要表现在三 大方面:培训一批设计、制造、使用和的人才;通过合作生产先进数控机 床,使设计、制造、使用水平大大提高,缩小了与世界先进技术的差距;通过 利用国外先进元部件、数控系统配套,开始能自行设计及制造高速、高性能、 五面或五轴联动加工的数控机床,供应国内市场的需求,但对关键技术的试 验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系 统依靠国外技术支撑,不能发展,基本上处于从仿制自行开发阶段, 与日本数控机床的水平差距很大。 3·数控机床的 进入 21 世纪,军事技术和民用工业的发展对数控机床的要求越来越高,应 用现代设计技术、测量技术、工序集约化、新一代功能部件以及软件技术,使 数控机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大地提高。科学技 术特别是信息技术的发展迅速,高速高精控制技术、多通道式体系结构、 多轴控制技术、智能控制技术、网络化技术、CAD/CAM 与 CNC 的综合集成, 使数控机床技术进入了智能化、网络化、敏捷制造、虚拟制造的更高阶段。 二·数控机床的发展方向 未来数控机床的类型将更加多样化,多工序集中加工的数控机床品种越来越 多; 激光加工等技术将应用在切削加工机床上, 从而扩大多工序集中的工艺范围; 数控机床的自动化程度更加提高,并具有多种功能,从而形成一个柔性制造 单元,更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。具体说来,发展方向有: 1 高速、高效 2 高精度 3 高可靠性 4 复合化 5 多轴化 6 智能化 7 网络化 8 柔性化 9 绿色化 2.1 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)进给率:在分辨率为 0.01μm 时,最大进给率达到 240m/min 且可获得 复杂型面的精确加工; (3)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,开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统,频率提高到几 百兆赫、 上千兆赫。 由于运算速度的极大提高,使得当分辨率为 0.1μm、 0.01μm 时仍能获得高达 24~240m/min 的进给速度; (4)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。 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。 2.2 高精 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。 (1)提高 CNC 系统控制精度:采用高速插补技术,以微小程序段实现连续 进给,使 CNC 控制单位精细化,并采用高分辨率检测装置,提高检测 精度(日本已开发装有 106 脉冲/转的内藏检测器的交流伺服电机,其 检测精度可达到 0.01μm/脉冲),伺服系统采用前馈控制与非线)采用误差补偿技术:采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误 差补偿等技术,对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明, 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60%~80%; (3)采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度,并通过仿真预 测机床的加工精度, 以机床的定位精度和重复定位精度, 使其性能长期稳定, 能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并零件的加工质量。 2.3 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。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。 Index 公司最 新推出的车削加工中心是模块化结构,该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、 滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件的全部加工。随着现代机 械加工要求的不断提高,大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在 2005 年中国国际机床展览会(CIMT2005)上,国内外制造商展出了形式 各异的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9 轴控制等)以及可实现 4~5 轴 联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 2.4 控制智能化 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)加工参数的智能优化与选择:将工艺专家或技师的经验、零件加工的 一般与特殊规律,用现代智能方法,构造基于专家系统或基于模型的“加工参数 的智能优化与选择器”,利用它获得优化的加工参数,从而达到提高编程效率和 加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的; (3)智能故障自诊断与复技术: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; (4)智能故障回放和故障仿真技术:能够完整记录系统的各种信息,对数 控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真,用以确定错误引起的原因,找出 解决问题的办法,积累生产经验; (5)智能化交流伺服驱动装置:能自动识别负载,并自动调整参数的智能 化伺服系统, 包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置 能自动识别电机及负载的转动惯量,并自动对控制系统参数进行优化和调整,使 驱动系统获得最佳运行; (6)智能 4M 数控系统: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, 将测量 (Measurement) 、 建模 (Modelling) 、 加工(Manucturing)、机器操作(Manipulator)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、装夹、操作的一体化。 2.5 体系化 (1)向未来技术:由于软硬件接口都遵循的标准协议,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: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; ( 3 )数控标准的建立:国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649(STEP-NC),以提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述 产品整个生命周期内的统一数据模型, 从而实现整个制造过程乃至各个工业领域 产品信息的标准化。标准化的编程语言,既方便用户使用,又降低了和操作效率 直接有关的劳动消耗。 2.6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床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”。 2.7 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。 2.8 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, 以信息流在车间各个部门间畅通无阻常重要的。 既可以实现网络资源共 享,又能实现数控机床的远程、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、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,是的、自主管理的制造单元。 2.9 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: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; (2)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; 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。 2.10 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。 2.11 加工过程绿色化 随着日趋严格的与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的 资源、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。 2.12 多技术的应用 多技术集计算机、 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技术可以做到信息处理综合化、智能化,应用于实时 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。 三·我国数控机床发展情况 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代,通过“六五”期间引进数控技术, “七五”期间组织消化吸收“科技攻关”,我国数控技术和数控产业取得了相当大的 成绩。特别是最近几年,我国数控产业发展迅速,1998~2004 年国产数控机床 产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3%34.9%。尽管如此,进口机床的发展 势头依然强劲,从 2002 年开始,中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机 床进口第一大国,2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美元,但进出口逆差严 重,国产机床市场占有率连年下降,1999 年是 33.6%,2003 年仅占 27.7%。1 999 年机床进口额为 8.78 亿美元(7624 台),2003 年达 27.1 亿美元(23320 台),相当于同年国内数控机床产值的 2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档 与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显, 70%以上的此类设备和 绝大多数的功能部件均依赖进口。 由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控 机床仍然缺乏市场竞争力,究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不 够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数 控人才缺乏等。 我们应看清形势,充分认识国产数控机床的不足,努力发展先进技术,加大 技术创新与培训服务力度,以缩短与发达国家之间的差距。 (1)不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 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。 近几年国产数控机床制造商通过技术 引进、 并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术,但缺乏对机床 结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究,忽视了自主开发能力的 培育,国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距,同样难以得 到大多数用户的认可。 (2)制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高,加工手段基 本以普通机床与低效刀具为主, 装配调试完全靠手工,加工质量在生产进度的紧 逼下不能得到稳定与提高。 另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原 始的手工台账管理方式, 工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规 模。 如国外机床制造商能做到每周装调出产品,而国内的生产周期过长且很难控 制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术和管理水平的提 升。 (3)服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速,一部分企业不顾长远利益,对提高自身的综合 服务水平不够重视, 甚至对服务缺乏真正的理解,只注重推销而不注重售前与售 后服务。 有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解,不会使用或使用 不好数控机床, 更不能指导用户使用好机床; 有的对先进高效刀具缺乏基本了解, 不能提供较好的工艺解决方案, 用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从 研究用户的加工产品、 工艺、 生产类型、 质量要求入手, 帮助用户进行设备选型, 推荐先进工艺与工辅具, 配备专业的培训人员和良好的培训,帮助用户发挥 机床的最大效益、加工出高质量的最终产品,这样才能逐步得到用户的认同,提 高国产数控机床的市场占有率。 (4)加大数控专业人才的培养力度 从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才:第一种是熟 悉数控机床的操作及加工工艺、 懂得简单的机床、能够进行手工或自动编程 的车间技术操作人员; 第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的 中级人才,要掌握复杂模具的设计和制造知识,能够熟练应用 UG、PRO/E 等 C AD/CAM 软件,同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的 实践经验; 第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数 控机床产品开发及技术创新的数控技术高级人才。 我国应根据需要有目标的加大 人才培养力度,为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。 4.结语 目前,数控机床的发展日新月异,高速化、高精、复合化、智能化、开 放化、 并联驱动化、 网络化、 极端化、 绿色化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国的转变。 参考文献 1·《数控机床及其应用》 作者 李佳 2·《机床数控系统的发展趋势》 作者 3·《中国机械工程》 4·参考网址 黄勇

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