数控车床控制系统的设计与研究

1 引言

1.1 选题的意义

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，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。

1.2 数控机床技术的发展史

随着计算机技术的高速发展，在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率，柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。

数控技术（NC）是数字控制技术（Numerical Control）的简称。是指用数字指令来控制机器动作的技术。一般来说，采用数控技术的控制系统称为数控系统（NCS），装置了数控技术的机床称为数控机床[1]。

数控技术及装备是发展新兴技术产业和高端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术和数控

装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界发达国家加速经济发展、提高综合实力和国家地位的重要途径[2]。

1952年，美国研制成功世界上第1台三坐标数控铣床，标志着数控技术的诞生。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展：

1.1.1 数控(nc)阶段（1952年～1970年）

第一代数控系统：1952年至1959年，采用电子管元件；

第二代数控系统：1959年开始，采用晶体管元件；

第三代数控系统：1965年开始，采用集成电路；

1.1.2 计算机数控（cnc）系统（1970年～现在）

第四代数控系统: 1970年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机； 第五代数控系统：1974年开始，采用微处理和微型计算机；

第六代数控系统：1990年开始，基于PC[3]。

1.3 数控机床国内外发展现状

自从20世纪80年代初，国内先后从日本、美国引进一些CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。到20世纪90年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模，但前进中的数控机床产业面临十分严峻的形势。进入WTO后，中国进入日趋完善的国内外想统一的大市场，大量数控机床及数控系统进口，将对发展中的数控产业造成巨大的冲击。2003年开始，中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。

第十个五年计划是我国数控机床高速发展时期，我国数控机床的产量为51861台，同期国内消费量近7万台，但在5万多台数控机床中，简单经济型数控机床占70%，高中档次机床几乎全部依靠进口，2004年进口金额达到创纪录的41.08亿美元。近几年，我国在数控机床高端的生产上虽然取得了一定的突破，已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。如我国所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有产品走向市场。国产五轴联动机床在品种上，已拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应大小不同尺寸的复合零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求，也已获得国内市场的很大认同。大连机床集团已

研制成功一批主轴转速在8000~10000转/分以上的数控机床。虽然这样，但是我国的数控技术和国外还是有一定的差距。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要还是依赖进口，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：日本法兰克、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内的数控系统刚刚产业化、水平质量一般。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。因此我国急需增强自主创新的研发能力，加快发展国产自主品牌，尤其加快、加强高中档次数控机床的研发，并实现其商品化。由此，发展数控技术是关键[4-6]。

目前，数控技术正发生根本性的变革，由专用型封闭式开环控制向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型： (1)传统数控系统（2）“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统(3)“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统4)SOFT型开放式数控系统。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行，这样才能摆脱依赖进口，真正创造出属于中国的数控机床[7-9]。

1.4 数控机床国内外发展趋势

数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。作为制造系统最基本的加工单元，以数控技术为核心的数控机床的生产和应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志、 随着生产方式的变革和科技的发展，数控技术也发生了很大的变化，出现了一些新的发展趋势。关注这些新趋势，制定正确的对策，对促进我国数控技术的发展具有重要的战略意义。归纳起来,现代数控技术主要向以下几个方面发展：

1.3.1 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。

1.3.2 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（<10nm），其应用范围日 …… 此处隐藏：9468字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……