數控畢業(yè)設計論文

時(shí)間：2025-11-21 09:33:49 數控畢業(yè)論文

數控畢業(yè)設計論文

　　【1】數控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展途徑探討作者周凱

數控畢業(yè)設計論文

　　數控技術(shù)和數控裝備是制造工業(yè)現代化的重要基礎。

　　這個(gè)基礎是否牢固直接影響到一個(gè)國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個(gè)國家的戰略地位。

　　因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。

　　在我國，數控技術(shù)與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來(lái)取得了相當大的進(jìn)步。

　　特別是在通用微機數控領(lǐng)域，以PC平臺為基礎的國產(chǎn)數控系統，已經(jīng)走在了世界前列。

　　但是，我國在數控技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問(wèn)題，特別是在技術(shù)創(chuàng )新能力、商品化進(jìn)程、市場(chǎng)占有率等方面情況尤為突出。

　　在新世紀到來(lái)時(shí)，如何有效解決這些問(wèn)題，使我國數控領(lǐng)域沿著(zhù)可持續發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進(jìn)行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開(kāi)發(fā)部門(mén)和生產(chǎn)廠(chǎng)家所面臨的重要任務(wù)。

　　為完成此任務(wù)，首先必須確立符合中國國情的發(fā)展道路。

　　為此，本文從總體戰略和技術(shù)路線(xiàn)兩個(gè)層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個(gè)具體方面探討了新世紀的發(fā)展途徑。

　　1　總體戰略

　　制定符合中國國情的總體發(fā)展戰略，對21世紀我國數控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

　　通過(guò)對數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的分析和對我國數控領(lǐng)域存在問(wèn)題的研究，我們認為以科技創(chuàng )新為先導，以商品化為主干，以管理和營(yíng)銷(xiāo)為重點(diǎn)，以技術(shù)支持和服務(wù)為后盾，堅持可持續發(fā)展道路將是一種符合我國國情的發(fā)展數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的總體戰略。

　　1.1　以科技創(chuàng )新為先導

　　中國數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，從無(wú)到有，從引進(jìn)消化到擁有自己獨立的自主版權，取得了相當大的進(jìn)步。

　　但回顧這幾十年的發(fā)展，可以看到我們在數控領(lǐng)域的進(jìn)步主要還是按國外一些模式，按部就班地發(fā)展，真正創(chuàng )新的成分不多。

　　這種局面在發(fā)展初期的起步階段，是無(wú)可非議的。

　　但到了世界數控強手如林的今天和知識經(jīng)濟即將登上舞臺的新世紀，這一常規途徑就很難行通了。

　　例如，在國外模擬伺服快過(guò)時(shí)時(shí)，我們開(kāi)始搞模擬伺服，還沒(méi)等我們占穩市場(chǎng)，技術(shù)上就已經(jīng)落后了;在國外將脈沖驅動(dòng)的數字式伺服打入我國市場(chǎng)時(shí)，我們就跟著(zhù)搞這類(lèi)所謂的數字伺服，但至今沒(méi)形成大的市場(chǎng)規模;近來(lái)國外將數字式伺服發(fā)展到用網(wǎng)絡(luò )(通過(guò)光纜等)與數控裝置連接時(shí)，我們又跟著(zhù)發(fā)展此類(lèi)系統，前途仍不樂(lè )觀(guān)。

　　這種老是跟在別人后面走，按國外已有控制和驅動(dòng)模式來(lái)開(kāi)發(fā)國產(chǎn)數控系統，在技術(shù)上難免要滯后，再加上國外公司在我國境內設立研究所和生產(chǎn)廠(chǎng)，實(shí)行就地開(kāi)發(fā)、就地生產(chǎn)和就地銷(xiāo)售，使我們的產(chǎn)品在性能價(jià)格比上已越來(lái)越無(wú)多大優(yōu)勢，因此要進(jìn)一步擴大市場(chǎng)占有率，難度自然就很大了。

　　為改變這種現狀，我們必須深刻理解和認真落實(shí)“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的偉大論斷，大力加強數控領(lǐng)域的科技創(chuàng )新，努力研究具有中國特色的實(shí)用的先進(jìn)數控技術(shù)，逐步建立自己獨立的、先進(jìn)的技術(shù)體系。

　　在此基礎上大力發(fā)展符合中國國情的數控產(chǎn)品，從而形成從數控系統、數控功能部件到種類(lèi)齊全的數控機床整機的完整的產(chǎn)業(yè)體系。

　　這樣，才不會(huì )被國外牽著(zhù)鼻子，永遠受別人的制約，才有可能用先進(jìn)、實(shí)用的數控產(chǎn)品去收復國內市場(chǎng)，打開(kāi)國際市場(chǎng)，使中國的數控技術(shù)和數控產(chǎn)業(yè)在21世紀走在世界的前列。

　　1.2　在商品化上狠下工夫

　　近幾年我國數控產(chǎn)品雖然發(fā)展很快，但真正在市場(chǎng)上站住腳的卻不多。

　　就數控系統而言，國產(chǎn)貨仍未真正被廣大機床廠(chǎng)所接受，因此出現國產(chǎn)數控系統用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠(chǎng)出產(chǎn)的國產(chǎn)數控機床大多數用的都是國外的系統。

　　這當然不是說(shuō)舊機床的數控化改造不重要，而是說(shuō)明從商品的角度看，我們的數控系統與國外相比還存在相當大的差距。

　　影響數控系統和數控機床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩定性和實(shí)用性。

　　以往，一些數控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)部門(mén)，所追求的往往是一些體現技術(shù)水平的指標(如多少通道、多少軸聯(lián)動(dòng)、每分鐘多少米的進(jìn)給速度等等)，而對影響實(shí)用性的一些指標和一些小問(wèn)題卻不太重視，在產(chǎn)品的穩定性、魯棒性、可靠性、實(shí)用性方面花的精力相對較少。

　　從而出現某些產(chǎn)品鑒定時(shí)的水平都很高，甚至也獲各種大獎。

　　但這些高指標、高性能的產(chǎn)品到用戶(hù)哪兒卻由于一些小問(wèn)題而表現不盡人意，最后喪失了信譽(yù)，打不開(kāi)市場(chǎng)。

　　這說(shuō)明，高指標、高性能的樣機型的產(chǎn)品離用戶(hù)真正需要的實(shí)用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個(gè)高指標、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€(gè)有市場(chǎng)的商品還需作出大量艱苦的努力。

　　另一方面，數控系統和數控機床不像家電類(lèi)產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn)，應用環(huán)境也不那么簡(jiǎn)單。

　　數控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用，面臨的是五花八門(mén)的工藝問(wèn)題。

　　如果開(kāi)發(fā)部門(mén)對這些問(wèn)題掌握得不透，就難以將產(chǎn)品設計得很完善。

　　而且數控產(chǎn)品的某些問(wèn)題在開(kāi)發(fā)、試用，甚至鑒定時(shí)都難以發(fā)現。

　　這就造成，同樣型號的數控機床在有的用戶(hù)那兒運行得很好，而在別的用戶(hù)那兒卻表現欠佳。

　　或者同樣型號的數控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時(shí)卻不盡人意。

　　出現這種情況，有時(shí)是用戶(hù)操作人員的水平問(wèn)題，但有時(shí)就是數控產(chǎn)品本身潛在問(wèn)題的暴露。

　　為解決這一問(wèn)題，國外一些公司設立了專(zhuān)門(mén)機構來(lái)測試考驗自己的產(chǎn)品，如為考驗新開(kāi)發(fā)的數控系統，廠(chǎng)家自己設計和從生產(chǎn)實(shí)際中收集了大量零件程序，讓數控系統運行各種各樣的程序，一旦發(fā)現問(wèn)題，即立即反饋給開(kāi)發(fā)部門(mén)予以解決。

　　經(jīng)過(guò)這樣的測試考驗過(guò)程后，數控系統的潛在問(wèn)題就大為減少。

　　以往，我們的產(chǎn)品就很少進(jìn)行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。

　　好些問(wèn)題要等到用戶(hù)去給我們挑出來(lái)。

　　這樣，即使一個(gè)小問(wèn)題也將嚴重影響國產(chǎn)數控產(chǎn)品的聲譽(yù)。

　　因此，我們應充分重視上述問(wèn)題，在商品化上切實(shí)狠下工夫，將其作為數控產(chǎn)業(yè)的主干來(lái)抓，貫穿于技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、試制、生產(chǎn)等的全過(guò)程中，從而將我們已有的技術(shù)水平較高的數控產(chǎn)品變成真正有市場(chǎng)的好商品。

　　1.3　將管理和營(yíng)銷(xiāo)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)

　　經(jīng)過(guò)20來(lái)年市場(chǎng)風(fēng)雨的沖擊，國人已越來(lái)越認識到，技術(shù)固然重要，但在市場(chǎng)經(jīng)濟的環(huán)境下，要在激烈的全球競爭中獲勝，管理和營(yíng)銷(xiāo)就顯得更為重要。

　　例如，我國臺灣生產(chǎn)的數控機床不但占領(lǐng)了大陸市場(chǎng)的相當大的份額，而且還打進(jìn)了美國市場(chǎng)。

　　是臺灣數控機床的技術(shù)和質(zhì)量超過(guò)美國了嗎?顯然不是。

　　那他們靠的是什么?重要的一條就是在企業(yè)管理和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)上下了工夫。

　　而我們長(cháng)期以來(lái)把主要精力放在開(kāi)發(fā)技術(shù)和提高水平上，忽視了經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)開(kāi)拓、產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)等方面的工作，結果在新技術(shù)、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)以后，在產(chǎn)品質(zhì)量提高以后，企業(yè)仍然處于產(chǎn)品銷(xiāo)售不暢的困境[1]。

　　國內外的經(jīng)驗說(shuō)明，數控產(chǎn)品的競爭力不僅取決于技術(shù)，更取決于經(jīng)營(yíng)管理能力和營(yíng)銷(xiāo)能力。

　　因此，從現在起我們應將管理和營(yíng)銷(xiāo)作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)，真正擺脫計劃經(jīng)濟時(shí)代所遺留下來(lái)的思維方式和工作習慣的束縛，建立適應市場(chǎng)的高效、靈敏的運行機制和有效的激勵機制。

　　通過(guò)這種機制，一方面切實(shí)加強企業(yè)管理，激發(fā)企業(yè)負責人和廣大職工的負責精神、創(chuàng )造精神和獻身精神，努力提高產(chǎn)品的競爭能力;另一方面充分調動(dòng)企業(yè)內外、行業(yè)內外一切積極因素，大力加強市場(chǎng)開(kāi)拓力度，奮力打通營(yíng)銷(xiāo)渠道。

　　可以堅信，有過(guò)硬競爭力的產(chǎn)品，再加上北京開(kāi)關(guān)廠(chǎng)那樣的“找、掙、鉆、搶”精神，我們就一定能在市場(chǎng)競爭中取得勝利。

　　1.4　大力加強技術(shù)支持和服務(wù)

　　數控系統和數控機床作為典型的高技術(shù)產(chǎn)品，對用戶(hù)的技術(shù)支持和服務(wù)是相當重要的。

　　以前國產(chǎn)數控產(chǎn)品喪失信譽(yù)的原因，除可靠性問(wèn)題外，另一大問(wèn)題就是缺乏有力的技術(shù)支持和服務(wù)。

　　用戶(hù)花了很多錢(qián)買(mǎi)的數控機床或數控系統，一旦出現問(wèn)題卻叫天天不應，叫地地不靈，以后誰(shuí)還敢買(mǎi)我們的產(chǎn)品。

　　因此，應將對用戶(hù)的技術(shù)支持和服務(wù)當成重要的日常工作來(lái)抓，使我們在市場(chǎng)上向縱深挺進(jìn)時(shí)，有一個(gè)強大后方。

　　因此，為了取得數控產(chǎn)品市場(chǎng)競爭的全面勝利，必須建立以技術(shù)支持和服務(wù)為核心的強大后方。

　　當然，為贏(yíng)得主動(dòng)，后方也須主動(dòng)出擊。

　　目前，利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段(如網(wǎng)絡(luò )和多媒體)，將為建立新一代立體化的技術(shù)支持和服務(wù)體系開(kāi)辟新的途徑。

　　1.5　堅持可持續發(fā)展道路

　　可持續發(fā)展是下一世紀企業(yè)發(fā)展的重要戰略，我國數控產(chǎn)業(yè)要有大的發(fā)展也必須堅持走可持續發(fā)展的道路。

　　綠色是實(shí)現可持續發(fā)展的重要途徑，其主要思想是清潔和節約。

　　為此應大力加強綠色數控產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，加速促進(jìn)數控產(chǎn)品、數控產(chǎn)業(yè)以及整個(gè)制造業(yè)的綠色化，主要戰略措施應考慮以下幾方面：①有效減少產(chǎn)品制造及使用過(guò)程中的環(huán)境污染。

　　如減少數控機床的鑄件結構，消除鑄造對環(huán)境的污染;將數控機床主軸的潤滑以油氣潤滑、噴油潤滑等取代油霧潤滑，減少對生產(chǎn)環(huán)境的污染;在精密數控機床及其運行環(huán)境的溫度控制中取消氟利昂制冷的恒溫技術(shù);以電傳動(dòng)代替機械傳動(dòng)，減少噪聲污染。

　�、诖蠓冉档唾Y源消耗和能源消耗。

　　如以軟件代替硬件，從而減少硬件制造的資源和能源消耗及污染，并減少產(chǎn)品壽命結束后硬件裝置的拆卸回收問(wèn)題;以永磁驅動(dòng)代替感應驅動(dòng)，提高效率和功率因數，節約能源;以電傳動(dòng)代替機械傳動(dòng)，提高效率，減少能源消耗。

　�、奂訌娪脭悼丶夹g(shù)改造傳統機床。

　　這既符合運用信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)改造傳統產(chǎn)業(yè)，使傳統產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和裝備現代化這一產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展的目標得以實(shí)現，又可取得巨大的經(jīng)濟效益。

　　我國擁有普通機床數百萬(wàn)臺，加強用數控技術(shù)改造傳統機床將成為下世紀我國數控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

　�、艽罅Πl(fā)展綠色數控機床。

　　綠色數控機床應是材料消耗少、能耗低、無(wú)污染，壽命長(cháng)且便于拆卸回收的新型機床。

　　例如，以并聯(lián)結構代替串聯(lián)結構就是開(kāi)發(fā)綠色數控機床的一條途徑，這是因為并聯(lián)結構機床消耗的金屬材料僅為常規串聯(lián)結構機床的幾分之一，其加工量也比常規機床大幅度減少，特別是消除了大型結構件的鑄造，這將顯著(zhù)降低機床制造過(guò)程中的能源消耗和對環(huán)境的污染。

　　此外，并聯(lián)結構機床有利于采用電傳動(dòng)，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。

　　國際標準化組織制定了ISO14000環(huán)境管理標準，全球環(huán)境問(wèn)題“法律化”的趨勢正在進(jìn)一步發(fā)展，可持續發(fā)展將成為企業(yè)通向國際市場(chǎng)的通行證[2]。

　　因此，我們的數控產(chǎn)品要在下一世紀走向國際市場(chǎng)，我們的企業(yè)就必須“從我做起，從現在做起”。

　　2　技術(shù)途徑

　　2.1　發(fā)展具有中國特色的新一代PC數控系統

　　數控系統是各類(lèi)數控裝備的核心，因此通過(guò)科技創(chuàng )新首先發(fā)展具有中國特色的新型數控系統，將是推動(dòng)數控產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的有效技術(shù)途徑。

　　實(shí)踐證明，10年來(lái)我們所走的PC數控道路是完全正確的。

　　PC機(包括工業(yè)PC)產(chǎn)量大、價(jià)格便宜，技術(shù)進(jìn)步和性能提高很快，且可靠性高(工業(yè)PC主機的MTBF已達30年[3])。

　　因此，以其作為數控系統的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數控系統的性能價(jià)格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領(lǐng)域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯(lián)網(wǎng)通訊等。

　　此外，以通用微機作為數控平臺還可獲得快速的技術(shù)進(jìn)步，當PC機升級換代時(shí)，數控系統也可相應升級換代，從而長(cháng)期保持技術(shù)上的優(yōu)勢，在競爭中立于不敗之地。

　　目前，PC數控系統的體系結構有2種主要形式：(1)專(zhuān)用數控加PC前端的復合式結構;(2)通用PC加位控卡的遞階式結構。

　　另外還有一種正在發(fā)展的數字化分布式結構。

　　其方案是將由DSP等組成的數字式伺服通過(guò)以光纜等為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )與數控裝置連接起來(lái)，組成一完整的數控系統。

　　這種系統雖然性能很好，但由于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本太高，近期難以被國內廣大用戶(hù)所接受。

　　我們認為，上述結構并不是符合中國國情的最好方案，適合中國國情的應是將所有數控功能全軟件化的集成式結構，因為這種結構的硬件規模最小，不但有利于降低系統成本，而且更重要的是可以有效提高系統的可靠性。

　　幾十年的經(jīng)驗表明，可靠性好壞是國產(chǎn)數控系統能否發(fā)展的關(guān)鍵。

　　雖然影響數控系統可靠性的因素很多，但過(guò)大的硬件規模和較低的硬件制造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。

　　以往，國產(chǎn)數控系統在總體設計時(shí)由于種種原因的限制，不得不選用技術(shù)指標不太高的普通CPU，這樣，為完成數控的復雜功能往往需要由多個(gè)CPU來(lái)組成系統，有時(shí)還需另加一些專(zhuān)用或通用硬件電路來(lái)實(shí)現數控系統的一些高實(shí)時(shí)性功能(如細插補、位置伺服控制等)，從而造成系統硬件規模龐大。

　　對于數控系統這種批量不大的產(chǎn)品，在國內現有工藝條件下，很難從硬件制造的角度保證系統的可靠性，因而使得國產(chǎn)數控系統在生產(chǎn)現場(chǎng)的表現不佳，對國產(chǎn)數控系統的形象和聲譽(yù)造成嚴重影響，使得不少用戶(hù)現在還心有余悸。

　　因此，我們在開(kāi)發(fā)新型數控系統時(shí)，應優(yōu)先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium II、Pentium III等)作為系統的運算和控制核心，并盡量用軟件來(lái)實(shí)現數控的所有功能。

　　這樣，可大幅度減小系統硬件的規模。

　　此外，還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面采用強抗擾高可靠性設計與制造技術(shù)，從而全面提高系統的可靠性。

　　由于一個(gè)新型高性能CPU可以代替數十個(gè)普通CPU(如80286、80386等)，因此，在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數控系統的基本功能(如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等)和開(kāi)關(guān)量控制功能(內裝PLC)，而且還可以完成伺服控制功能。

　　這樣，以前由DSP完成的數字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成，從而實(shí)現內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數控部分的硬件規模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規模。

　　這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數控系統，其硬件規模將達到最小化，整個(gè)數控系統除一個(gè)PC平臺外，剩下的只有驅動(dòng)機床運動(dòng)的功率接口和反饋接口。

　　這既有效提高了系統可靠性，又消除了信息傳遞瓶頸，提高了系統性能，同時(shí)還可顯著(zhù)降低系統成本，使系統(包括電機)售價(jià)將可降至現有數控系統的一半左右。

　　顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力，有望為開(kāi)創(chuàng )中國數控的新局面作出貢獻。

　　此外，集成化PC數控系統還有一大優(yōu)點(diǎn)，就是容易實(shí)現開(kāi)放式結構。

　　這是因為，這種系統的硬件本身已經(jīng)是完全開(kāi)放的，構成開(kāi)放式數控系統的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協(xié)議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開(kāi)關(guān)量控制到伺服控制都可以實(shí)現開(kāi)放，從而可大大方便用戶(hù)的使用。

　　2.2　推進(jìn)數控功能部件的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)

　　解決數控系統問(wèn)題后，如何實(shí)現數控機床的模塊化設計與制造便是我國機床制造企業(yè)快速響應市場(chǎng)需求，在競爭中獲勝的另一關(guān)鍵。

　　要實(shí)現數控機床的模塊化設計制造，必須解決數控機床功能部件的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)問(wèn)題。

　　目前我國在這方面離實(shí)際需求還有相當大的差距。

　　因此，在今后的若干年內，我們必須大力促進(jìn)數控機床功能部件的開(kāi)發(fā)和專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。

　　其要點(diǎn)如下：

　　(1)新型永磁電主軸單元　電主軸已成為國際市場(chǎng)上最熱門(mén)的數控機床功能部件。

　　但目前這類(lèi)產(chǎn)品幾乎都為感應異步型，存在以下突出問(wèn)題：①轉子上存在繞組，有大電流流過(guò)，因此轉子發(fā)熱嚴重，直接影響主軸精度;②低速出力小且轉矩脈動(dòng)大，難以滿(mǎn)足寬范圍切削要求;③效率和功率因素低，不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多;④控制系統復雜、成本高。

　　因此，利用我國稀土永磁材料的優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現有電主軸存在的問(wèn)題，形成具有中國特色的新一代電主軸產(chǎn)品。

　　由于永磁電主軸的機械結構和控制系統都較感應異步型電主軸簡(jiǎn)單，因此易于進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化大規模生產(chǎn)。

　　當然，這還要攻克主軸支承(陶瓷軸承、流體動(dòng)靜壓軸承、磁懸浮軸承)技術(shù)、高精度高速動(dòng)平衡技術(shù)、高速驅動(dòng)、檢測與控制技術(shù)、高可靠性安全保證技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

　　(2)廉價(jià)的高性能伺服系統　目前，一套進(jìn)給交流伺服系統(驅動(dòng)器+電機)的價(jià)格一般都在萬(wàn)元以上，主軸伺服系統的價(jià)格高達數萬(wàn)元，已成為降低國產(chǎn)數控機床成本的一大障礙。

　　因此，應配合新型集成化國產(chǎn)數控系統的發(fā)展，大力開(kāi)發(fā)廉價(jià)的高性能內裝式伺服系統。

　　由于內裝式伺服的硬件部分只有電機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優(yōu)勢，通過(guò)專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)可以把電機的造價(jià)降下來(lái)，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜，因此將內裝式進(jìn)給伺服的價(jià)格控制在數千元以?xún)�，將內裝式主軸伺服的價(jià)格控制在2萬(wàn)元以?xún)�，將是完全可能的�?/p>

　　(3)直線(xiàn)交流伺服系統　直線(xiàn)交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，因此應加強研究、開(kāi)發(fā)和推廣應用。

　　考慮到常規機床的防磁問(wèn)題較難解決，而并聯(lián)機床的防磁相對容易，因此可為常規結構機床開(kāi)發(fā)感應異步型直線(xiàn)電機，為并聯(lián)結構機床開(kāi)發(fā)永磁同步型直線(xiàn)電機，從而揚長(cháng)避短，構成符合實(shí)際應用要求的新型高速高精度進(jìn)給系統。

　　在此基礎上，可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)將驅動(dòng)與支承合二為一的磁懸浮工作臺。

　　(4)零傳動(dòng)數控轉臺與擺頭　數控轉臺與擺頭是多坐標數控機床的關(guān)鍵部件，傳統的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動(dòng)的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度，因而必須另辟蹊徑開(kāi)發(fā)新型零傳動(dòng)(無(wú)機械傳動(dòng)鏈)數控轉臺和擺頭，以促進(jìn)我國高速高精度多坐標數控機床的發(fā)展。

　　(5)高速高精度檢測裝置　高速高精度是下世紀數控機床發(fā)展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動(dòng)，同時(shí)還需要高品質(zhì)的檢測環(huán)節，因此應在現有技術(shù)基礎上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線(xiàn)位移傳感器和100萬(wàn)脈沖/r的角位移傳感器，此類(lèi)技術(shù)國外對我國是封鎖的。

　　2.3　加速數控機床的全國產(chǎn)化，打好市場(chǎng)翻身仗

　　數控產(chǎn)業(yè)化的最終成功將體現在數控機床的全國產(chǎn)化和市場(chǎng)占有率上。

　　在上述總體戰略指導下，采取抓兩頭(低價(jià)位數控機床和高速高效數控機床)、帶中間(普通數控機床)、促重型(重型關(guān)鍵裝備)的方針，將是在國內市場(chǎng)上快速收復失地，在國際市場(chǎng)上穩步進(jìn)軍，最終打贏(yíng)國產(chǎn)數控機床市場(chǎng)翻身仗的一種有效戰術(shù)和策略。

　　關(guān)于普通數控機床的發(fā)展已有許多文章作了專(zhuān)門(mén)論述，因此下面僅就低價(jià)位數控機床、高速高效數控機床和重型數控機床的發(fā)展問(wèn)題作一討論。

　　(1)大力發(fā)展低價(jià)位數控機床　低價(jià)位機床是功能滿(mǎn)足用戶(hù)要求(無(wú)功能浪費)、技術(shù)指標適中、可靠性好、價(jià)格便宜的普及型數控機床。

　　這類(lèi)機床已成為國際市場(chǎng)上數控機床的發(fā)展趨勢之一，也是國內眾多用戶(hù)渴求的產(chǎn)品，其市場(chǎng)前景相當廣闊。

　　然而，如果采用國外數控系統(包括伺服)按照傳統思路來(lái)發(fā)展低價(jià)位機床，是很難將價(jià)格降至廣大用戶(hù)所能接受的水平的。

　　因此，采用本文提出的新型集成化國產(chǎn)數控系統來(lái)發(fā)展高性能的低價(jià)位數控機床，將是一條最有希望成功的道路。

　　只要有一定批量，由此構成的全國產(chǎn)普及型數控車(chē)床的售價(jià)完全可以控制在10萬(wàn)元以?xún)�，三坐標數控銑床可控制�?5萬(wàn)元左右，加工中心可控制在20萬(wàn)元左右。

　　此價(jià)位的國產(chǎn)數控機床將是具有較強競爭力的。

　　(2)加速開(kāi)發(fā)高速高效數控機床　高速高效是數控機床發(fā)展的另一大潮流。

　　發(fā)展高速高效數控機床的技術(shù)途徑可有以下幾條：①通過(guò)提高切削速度和進(jìn)給速度，從而達到成倍提高生產(chǎn)效率，有效提高零件的表面加工質(zhì)量和加工精度并解決常規加工難以解決的某些特殊材料(如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼)和特殊形狀零件(如復雜薄壁零件)的高效加工問(wèn)題。

　�、谕ㄟ^(guò)工藝復合，減少工件的安裝次數，有效縮短搬運和裝夾時(shí)間。

　　例如，將五面五軸加工中心與立車(chē)復合構成萬(wàn)能加工中心，可實(shí)現一次裝卡完成零件的大部分(或全部)加工。

　�、鄄捎酶咚俑呔葓A周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實(shí)現不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數，提高加工效率。

　�、転閿悼貦C床開(kāi)發(fā)智能尋位加工功能，消除對精密夾具和人工找正的依賴(lài)，有效縮短單件小批加工的準備時(shí)間。

　　在我國現實(shí)條件下如果沿用傳統思路是難以實(shí)現上述途徑的，因此，必須立足國情，結合實(shí)際勇于創(chuàng )新，大膽探索新的道路。

　　考慮到常規數控機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動(dòng)的方案，一方面由于機床傳動(dòng)環(huán)節剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大，使運動(dòng)部件難以獲得高的進(jìn)給速度;另一方面由于工件、夾具和工作臺的總質(zhì)量比較大，使之難以獲得高的加速度。

　　此外，傳統機床結構是一種串聯(lián)開(kāi)鏈結構，組成環(huán)節多、結構復雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節間的聯(lián)接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應高速高效加工的特殊要求。

　　為此，開(kāi)發(fā)國產(chǎn)高速高效數控機床時(shí)，可采用工件固定，以直線(xiàn)電機組成并聯(lián)短鏈直接驅動(dòng)主軸和刀具運動(dòng)、將高速高精度傳動(dòng)與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結構。

　　采用該結構的高速高效數控機床不但速度高、剛度高，如果在傳動(dòng)與控制上處理得當，可以達到比常規機床更高的加工精度和加工質(zhì)量，而且具有機械結構簡(jiǎn)單，零部件通用化、標準化程度高，制造成本低，易于經(jīng)濟化批量生產(chǎn)等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。

　　因此，沿此思路發(fā)展高速高效數控機床將是一條符合國情、易于取得成功的道路。

　　(3)突破重型數控機床的設計制造技術(shù)　重型數控機床(特別是多坐標重型數控機床)是國民經(jīng)濟和國防生產(chǎn)中的重大關(guān)鍵設備，屬于戰略物資，真正先進(jìn)的重型數控機床國外是不可能賣(mài)給我們的，因此，在我國下世紀數控產(chǎn)品的發(fā)展中必須依靠自己的力量進(jìn)行解決。

　　發(fā)展重型數控機床必須有過(guò)硬的基礎，我們在數控機床國產(chǎn)化的進(jìn)程中應不斷總結經(jīng)驗，加強基礎技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究，充分發(fā)揮我國產(chǎn)學(xué)研相結合的優(yōu)勢，各部門(mén)通力合作、共同努力，爭取在下世紀初取得突破性進(jìn)展。

　　目前，在發(fā)展重型數控機床中除需加強基礎理論研究外，還應加強其關(guān)鍵技術(shù)研究。

　　例如，重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢，為了確保機床工作可靠，在數控系統中可采用雙(或多)CPU冗余工作方案，以確保運算和控制的絕對正確，并在出現故障時(shí)自動(dòng)診斷、自動(dòng)修復或自動(dòng)替補，確保加工不出問(wèn)題。

　　此外，在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統供電時(shí)，可對另一組電池進(jìn)行充電，電網(wǎng)與控制系統是完全隔離的。

　　這就徹底消除了重型車(chē)間中電網(wǎng)電壓波動(dòng)厲害、干擾嚴重對數控系統造成的影響，從而有效保證系統的可靠性。

　　又如，重型數控機床的驅動(dòng)也是一大關(guān)鍵問(wèn)題。

　　當行程長(cháng)度超過(guò)5 m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動(dòng)，因此目前一般采用預加負載的雙齒輪-齒條機構、靜壓蝸桿-蝸母條機構、四足(或雙足)爬行進(jìn)給機構等來(lái)實(shí)現長(cháng)行程傳動(dòng)。

　　但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動(dòng)態(tài)性能差、難以達到高精度、維護保養復雜等問(wèn)題。

　　為此可發(fā)展陣列式高效直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)技術(shù)和空間并聯(lián)機構驅動(dòng)技術(shù)，以新的途徑來(lái)解決重型數控機床的高速、高精度驅動(dòng)問(wèn)題。

　　除此之外，機床結構的優(yōu)化設計、長(cháng)行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償等也是重型數控機床中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，必須予以充分重視。

　　3　結語(yǔ)

　　制定符合中國國情的總體發(fā)展戰略，確立與國際接軌的發(fā)展道路，對21世紀我國數控技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

　　本文在對數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的分析，對我國數控領(lǐng)域存在的問(wèn)題進(jìn)行研究的基礎上，對21世紀我國數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展途徑進(jìn)行了探討，提出了以科技創(chuàng )新為先導，以商品化為主干，以管理和營(yíng)銷(xiāo)為重點(diǎn)，以技術(shù)支持和服務(wù)為后盾，堅持可持續發(fā)展道路的總體發(fā)展戰略。

　　在此基礎上，研究了發(fā)展新型數控系統、數控功能部件、數控機床整機等的具體技術(shù)途徑。

　　我們衷心希望，我國科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識經(jīng)濟給我們帶來(lái)的難得機遇，迎接競爭全球化帶來(lái)的嚴峻挑戰，為在21世紀使我國數控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國經(jīng)濟繼續保持強勁的發(fā)展勢頭而共同努力奮斗!

　　作者簡(jiǎn)介

　　周　凱　男，1954年生。

　　清華大學(xué)(北京市　100084)精密儀器與機械學(xué)系副教授、工學(xué)博士。

　　主要從事數控技術(shù)、機電控制工程、制造科學(xué)與制造系統等方面的研究工作。

　　取得科研成果15項。

　　發(fā)表論文70余篇。

　　參考文獻

　　1　楊皖蘇，嚴鴻和.機械科學(xué)與技術(shù),1997，26(4):1～6

　　2　陳玉祥.中國機械工程, 1998，9(5):1～4

　　3　周延佑.中國機械工程,1998，9(5): 5～24

　　【2】一種典型零件的數控銑削仿真加工

　　論文關(guān)鍵詞:機床數控銑削三維仿真虛擬現實(shí)

　　論文摘要:介紹了一種典型零件的數控銑削仿真加工，采用CAXA軟件生成NC代碼，利用CAXA軟件的CAM功能進(jìn)行數控仿真，然后加載到VNUC仿真軟件的計算機模擬機床里，模擬真實(shí)機床運動(dòng)，最后通過(guò)數據線(xiàn)將G代碼傳輸到實(shí)際機床，形成“虛擬+現實(shí)”的仿真模式。

　　這種模式彌補了CAD/CAM軟件數控仿真的種種不足，將虛擬的機床運動(dòng)與實(shí)際的數控操作融為一體，可使用戶(hù)既掌握數控銑削加工的基本原理，又掌握數控系統操作的基本技能。

　　中國論文聯(lián)盟www.LWLM.com編輯。

　　現代機械制造所需要的大量數控技術(shù)人才主要來(lái)自相關(guān)專(zhuān)業(yè)的大中專(zhuān)院校及培訓機構。

　　為滿(mǎn)足實(shí)踐性教學(xué)培訓的需求，需要建立專(zhuān)門(mén)的機加工實(shí)訓基地投人大量的數控設備及場(chǎng)地，其成本非常高昂;并且學(xué)生在操作初學(xué)階段，非常容易發(fā)生刀具與工件、夾具、機床的干涉和碰撞現象，既造成了易耗品的浪費，又使實(shí)訓教師勞動(dòng)強度加大，造成人力的浪費。

　　因此，某職業(yè)技術(shù)學(xué)院對數控初學(xué)階段的學(xué)生首先安排在數控仿真室進(jìn) 行學(xué)習，然后再采用虛擬現實(shí)(Virtual Reality，vn)技術(shù)實(shí)行課堂、實(shí)習指導一體化化教學(xué)。

　　VR技術(shù)主要利用計算機對機械制造的作業(yè)環(huán)境、過(guò)程進(jìn)行完全可視化模擬，評價(jià)各個(gè)焦點(diǎn)對象 (機床、待加工件、刀具等 )的運動(dòng) ;然后通過(guò)數據線(xiàn)將 G代碼傳輸到實(shí)際機床，使傳統的 VR技術(shù)與現實(shí)場(chǎng)景結合起來(lái) ，形成 “虛擬 +現實(shí)”的模式。

　　作者：王亞輝趙冬晗

　　圖 1為 “虛擬 +現實(shí)”示意圖。

　　作者僅從計算機虛擬動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)模擬實(shí)際的銑削加工。

　　1 典型零件結構和 CAXA軟件數控仿真加工

　　1.1 典型零件結構

　　圖2所示為數控銑削加工零件。

　　該零件長(cháng)度為120mm，寬度為 100mm，厚度為 20mm，除了需要加工上面的成型面外，還要加工兩個(gè)深孔，采用的毛坯材料為45鋼。

　　1.2 零件的數控模擬仿真

　　數控機床通過(guò)零件程序對其加工過(guò)程進(jìn)行控制零件程序的正確與否直接決定加工質(zhì)量和效率的高低，而且不正確的加工程序還會(huì )導致生產(chǎn)事故。

　　零件程序的檢驗方法有幾種。

　　方法之一是在正式加工前讓機床空運行，空運行只能對機床運動(dòng)是否正確即有無(wú)干涉碰撞作粗略的估計;而若用實(shí)物試切的方法，則可對加工過(guò)程是否正常及加工結果是否滿(mǎn)足要求作出較準確的判斷。

　　但試切是一項費時(shí)且昂貴的工作，其效率很低而且需要增加生產(chǎn)成本，此外試切過(guò)程的安全性也得不到保障。

　　在計算機上利用三維圖形技術(shù)對數控加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，可以快速、安全和有效地對NC程序迅速進(jìn)行修改，免除反復試切過(guò)程，降低材料消耗和生產(chǎn)成本，提高工作效率。

　　因此，數控加工過(guò)程中的計算機仿真是 NC程序高效、安全和有效的檢驗方法。

　　1.2.1 CAM軟件生成刀具軌跡，輸出 NC程序代碼

　　毛坯是用來(lái)選擇刀具、確定切削用量和計算粗加工刀具軌跡的重要依據。

　　在完成零件造型設計之后，選擇加工定義毛坯命令，彈出定義毛坯對話(huà)框，在毛坯定義中選擇參照模型方式，則毛坯尺寸調整為120mm×100mm X 20mm，如圖 3所示。

　　首先選擇等高線(xiàn)加工的加工方式。

　　然后設置軟件要求的一些參數，諸如加工邊界、刀具參數、走刀方式、切削用量參數等，再由編程人員在屏幕上拾取要加工的實(shí)體邊界，最后由 CAM軟件自動(dòng)生成刀具加工軌跡，如圖4所示，再經(jīng)后置處理，生成 NC程序代碼，NC程序代碼如圖5所示。

　　1.2.2 CAM軟件三維加工仿真

　　CAM軟件自動(dòng)生成 NC程序代碼之后，軟件要進(jìn)行語(yǔ)法檢錯與譯碼，轉換成仿真模塊所接受的格式，然后刀具軌跡計算模塊計算刀具軌跡，驅動(dòng)軟件實(shí)現仿真運動(dòng)。

　　同時(shí)控制刀具沿軌跡走刀，對毛坯切削的動(dòng)態(tài)圖像顯示過(guò)程進(jìn)行全方位的模擬仿真，如圖6所示，并對代碼進(jìn)行反讀校驗。

　　仿真過(guò)程可以隨意放大、縮小和旋轉，便于觀(guān)察細節;可以調節仿真速度;能顯示多道加工軌跡的加工結果;仿真過(guò)程中可以檢查刀柄干涉、快速移動(dòng)過(guò)程(G00)中的干涉、刀具無(wú)切削刃部分的干涉情況;可以將切削余量用不同顏色區分表示，并把切削仿真結果與零件理論形狀進(jìn)行比較。

　　靈活、強大的加工仿真將加工的風(fēng)險降為最低。

　　中國論文聯(lián)盟www.LWLM.com編輯。

　　2 VNUC軟件中的數控仿真加工

　　在數控加工實(shí)訓教學(xué)中，有很多問(wèn)題需要解決，諸如實(shí)訓設備少，學(xué)生多，設備無(wú)法分配;實(shí)訓教學(xué)的安全問(wèn)題;教師在實(shí)訓教學(xué)中的勞動(dòng)強度太，神經(jīng)高度緊張等。

　　為了解決這些問(wèn)題，在實(shí)訓初級階段，建議在數控仿真軟件上進(jìn)行操作練習。

　　VNUC數控加工仿真軟件是利用計算機虛擬動(dòng)畫(huà)技術(shù)來(lái)模擬實(shí)際機床的加工過(guò)程，用它驗證數控加工程序的可靠性，預測切削過(guò)程的正確性，減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率。

　　VNUC數控加工仿真軟件是讓學(xué)生在操作真正機床前先充分掌握安裝了不同類(lèi)型數控系統的加工仿真操作，同時(shí)通過(guò)仿真演示積累一定的數控加工操作經(jīng)驗，用起來(lái)形象、科學(xué) 、安全、經(jīng)濟。

　　選擇華中世紀星數控銑床，安裝毛坯和刀具，進(jìn)行機床回零操作，然后進(jìn)行對刀，并把刀具偏置值輸入到 G54坐標系中，最后把 CAXA生成的 NC代碼加載到 VNUC數控加工仿真軟件里，這時(shí)選擇自動(dòng)加工方式，再循環(huán)啟動(dòng)就可以進(jìn)行仿真加工了。

　　圖7為在VNUC數控加工仿真軟件里進(jìn)行仿真加工。

　　然后把NC程序代碼通過(guò)工廠(chǎng)的局域網(wǎng)送到車(chē)間進(jìn)行實(shí)際加工，加工之前再校驗 G代碼功能，看一下加工代碼的軌跡形狀，做到加工之前心中有數。

　　這樣就形成“虛擬 +現實(shí)”的仿真模式，將虛擬的機床運動(dòng)與實(shí)際的數控操作融為一體。

　　3 結束語(yǔ)

　　“虛擬 +現實(shí)”的仿真模式彌補了僅 CAM軟件仿真的不足，將虛擬的機床運動(dòng)與實(shí)際的數控操作融為一體，可使用戶(hù)既掌握數控機床加工的基本原理，又掌握數控系統操作的基本技能。

　　因此，“虛擬 +現實(shí)”的仿真模式是以計算機虛擬機床代替真實(shí)機床，可以減少培訓成本，保證培訓質(zhì)量。

　　具有強大的生命力和廣闊的發(fā)展前途。

　　參考文獻：

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　　【3】楊偉群.數控工藝培訓教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：178—179.

　　【4】侯勇強，馬雪峰.數控編程與加工技術(shù)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007：75-90.