中國地質大學長城學院 本科畢業設計外文資料翻譯 系 別： 工程技術系 專 業： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 孫明 學 號： 05211519 2015年 3月 11日 數控技術和裝備發展趨勢及對策 裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度，數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業（如信息技術及其產業、生物技術及其產業、航空、航天等國防工業產業）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產”。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是當今先進制造技術和裝備最為核心的技術。當今世界各國制造業廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。此外，世界上各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，不僅采取重大措施來發展自己的數控技術及其產業，而且在“高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制 政策。總之，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的途徑。 數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域： (1)機械制造技術； (2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術； (4)伺服驅動技術； (5)傳感器技術； (6)軟件技術等。 1 數控技術的發展趨勢 數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化 ，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業（ IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面 1 4。 1.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為 5大現代制造技術 之一，國際生產工程學會（ CIRP）將其確定為 21 世紀的中心研究方向之一。 在轎車工業領域，年產 30 萬輛的生產節拍是 40 秒 /輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高 柔性的要求。 從 EMO2001 展會情況來看，高速加工中心進給速度可達 80m/min，甚至更高，空運行速度可達 100m/min 左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國 CINCINNATI 公司的 HyperMach 機床進給速度最大達 60m/min，快速為 100m/min，加速度達 2g，主軸轉速已達 60 000r/min。加工一個薄壁飛機零件，只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h，在普通銑床加工需 8h；德國 DMG 公司的雙 主軸車床的主軸速度及加速度分別達 120000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數控機床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m，精密級加工中心則從 3 5 m，提高到 1 1.5 m，并且超精密加工精度已開始進入納米級 (0.01 m)。 在可靠性方面，國外數控裝置的 MTBF 值已達 6 000h 以上，伺服系統的 MTBF 值達到30000h 以上，表現出非常高的可靠性。 為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。 1.2 五軸聯動加工和復合加工機床快速發展 采用 5 軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為， 1 臺 5 軸聯動機床的效率可以等于 2 臺 3 軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時， 5 軸聯動加工可比 3 軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因 5 軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因，其價格要比3 軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了 5 軸聯動機床的發展。 當前由于電主軸的出現，使得實現 5 軸聯動加工的復合主軸頭結構大為 簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯動機床和復合加工機床（含 5 面加工機床）的發展。 在 EMO2001 展會上，新日本工機的 5 面加工機床采用復合主軸頭，可實現 4 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機床上實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次裝夾下實現5 面加工和 5 軸聯動加工，可由 CNC 系統控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。 1.3 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統 發展的主要趨勢 21 世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統，智能化的內容包括在數控系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。 為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的產業化生產存在的問題。目前許多國 家對 開 放 式 數 控 系 統 進 行 研 究 ， 如 美 國 的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control) 、 歐 共 體 的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller) ， 中 國 的ONC(Open Numerical Control System)等。數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。所謂 開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數控系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。 網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需 求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在 EMO2001 展中，日本山崎馬扎克（ Mazes)公司展出的“ CyberProduction Center”（智能生產控制中心，簡稱 CPC)；日本大隈（ Okuma）機床公司展出“ IT plaza”（信息技術廣場，簡稱 IT 廣場 )；德國西門子 (Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環境，簡稱 OME）等，反映了數控 機床加工向網絡化方向發展的趨勢。 1.4 重視新技術標準、規范的建立 1.4.1 關于數控系統設計開發規范 如前所述，開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃，并進行開放式體系結構數控系統規范 (OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規范的制定，預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進行中國的 ONC 數控系統的規范框架的研究和制定。 1.4.2 關于數控標準 數控 標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的 50 年間的信息交換都是基于ISO6983 標準，即采用 G， M 代碼描述如何（ how）加工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC 系統標準 ISO14649（ STEP NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。 STEP-NC 的出現可能是數控技術領域的一次革命，對于數控技術 的發展乃至整個制造業，將產生深遠的影響。首先， STEP-NC 提出一種嶄新的制造理念，傳統的制造理念中， NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下， NC 程序可以分散在互聯網上，這正是數控技術開放式、網絡化發展的方向。其次， STEP-NC 數控系統還可大大減少加工圖紙（約75）、加工程序編制時間（約 35）和加工時間（約 50）。 目前，歐美國家非常重視 STEP-NC的研究，歐洲發起了 STEP-NC的 IMS計劃 (1999.1.12001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的 20 個 CAD/CAM/CAPP/CNC 用戶、廠商和學術機構。美國的 STEP Tools 公司是全球范圍內制造業數據交換軟件的開發者，他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級模型 (Super Model)，其目標是用統一的規范描述所有加工過程。目前這種新的數據交換格式已經在配備了 SIEMENS、 FIDIA 以及歐洲 OSACA-NC數控系統的原型樣機上進行了驗證。 我國數控技術起步于 1958 年，近 50 年的發展歷程大致可分為 3 個階段：第一階段從1958 年到 1979 年，即封閉式發展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和 我國的基礎條件的限制，數控技術的發展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發環境和國際環境的改善，我國數控技術的研究、開發以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產業化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產數控裝備的產業化取得了實質性進步。在“九五”末期，國產數控機床的國內市場占有率達 50，配國產數控系統（普及型）也達到 了 10。 縱觀我國數控技術近 50 年的發展歷程，特別是經過 4 個 5 年計劃的攻關，總體來看取得了以下成績。 a. 奠定了數控技術發展的基礎，基本掌握了現代數控技術。我國現在已基本掌握了從數控系統、伺服驅動、數控主機、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技術已具備進行商品化開發的基礎，部分技術已商品化、產業化。 b. 初步形成了數控產業基地。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上，建立了諸如華中數控、航天數控等具有批量生產能力的數控系統生產廠。蘭州電機廠、華中數控等一批伺服系統和伺服電機 生產廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數控主機生產廠。這些生產廠基本形成了我國的數控產業基地。 c. 建立了一支數控研究、開發、管理人才的基本隊伍。 雖然在數控技術的研究開發以及產業化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數控技術的研究開發，尤其是在產業化方面的技術水平現狀與我國的現實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術水平有差距，在某些方面發展速度也有差距，即一些高精尖的數控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。 從國際上來看，對我國數控技術水平和產業化水平估計大致如下。 （ a） 技術水平上，與國外先進水平大約落后 10 15 年，在高精尖技術方面則更大。 （ b） . 產業化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規模生產；功能部件專業化生產水平及成套能力較低；外觀質量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產數控系統尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 （ c） . 可持續發展的能力上，對競爭前數控技術的研究開發、工程化能力較弱；數控技術應用領域拓展力度不強；相關標準規范的研究、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 （ 1） . 認識方面。對國產數控產業進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數控技術應用水平及能力分析不夠。 （ 2） . 體系方面。從技術的角度關注數控產業化問題的時候多，從系統的、產業鏈的角度綜合考慮數控產業化問題的時候少；沒有建立完整的高質量的配套體系、完善的培訓、服務網絡等支撐體系。 （ 3） . 機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創新、產品創新，且制約 了規劃的有效實施，往往規劃理想，實施困難。 參考文獻 1. 盧秉恒 .機械制造技術基礎 M.北京 :機械工業出版社 .1999 2. 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EDWARD G.HOFFMAN Jig and Fixture DesignJ. New York: Published by Van Nostrand Reinhdd Company A Division of Litton Educational Publishing Inc.1980 Numerical control technology and equipment tre-nds and countermeasures Equipment, technology and modern industry determines the level of thewhole national economy and the degree of modernization, the development of numerical control technology and equipment is high-tech industry and cutting-edge emerging industries (such as information technologyand industry, biotechnology and industry, aviation and aerospace national defense industry) enabling technology and the most basic equipment. Marx once said the difference between different economic era, isnot what is produced, but rather how to produce, with the means of labor. Manufacturing technology and equipment is the most basic ofhuman activities of production, and numerical control technology is todays most advanced manufacturing technology and equipment, the coretechnology. Widely used in manufacturing countries in the world of CNC technology to increase manufacturing capacity and level, to improve the dynamic ability to adapt to changing markets and competitiveness. In addition, the industrial countries in the world and CNC numerical control technology and equipment will also be listed as countriesof strategic materials, not only to take significant steps to develop their own numerical control technology and industry, and in sophisticated numerical control technology and equipment in terms of key Chinas policy of closures and restrictions. In short, efforts to develop advanced numerical control technology as the core manufacturing technology has become the worlds developed countries to accelerate economic development, enhance the comprehensive national strength and an important way to statehood. CNC technology is the use of digital information on the mechanical movement and work process control, CNC equipment, CNC technology is represented by the new technology on the traditional manufacturing industries and the penetration of the formation of new manufacturing mechatronic products, the so-called digital equipment , covering many areasof the technology: (1) mechanical manufacturing technology; (2) information processing, processing and transmission technology; (3) automaticcontrol technology; (4) servo drive technology; (5) sensor technology; (6) software technology. 1 CNC technology trends CNC technology not only to the traditional manufacturing industry hasbrought revolutionary changes to the manufacturing sector as a symbol of industrialization, and with the continuous development of numerical control technology and expansion of applicationfields, some of the important sectors (IT, automotive , light industry, medical, etc.) plays an increasingly important role in development, as these industries for the digital equipment is the major trend of modern development. CNC technology from the world development trend and its equipment,its main research focus in the following areas (1 to 4). 1.1 high-speed, high precision technology and equipment of the new trend Efficiency, quality is the subject of advanced manufacturing technology. High-speed, high precision technology can greatly improve efficiency,improve product quality and grade, shorten the production cycle andimprove market competitiveness. Japan carries the technology will beincluded as one of five great modern manufacturing technologies, International Institute of Production Engineering (CIRP) to determine thecenter of the 21st century research direction. In the car industry, with an annual production of 300,000 beat is 40 seconds / vehicle and car equipment variety processing is one of the key must be addressed; in the aviation and aerospace industry, and its processing for the thin-walled parts and more and thin muscle, stiffness is poor, the material is aluminum or aluminum alloy, high cutting speed and cutting force only in the case of a small canof these bars, wall processing. Recently, the whole aluminum alloy with large blank hollowed out approach to make wings, fuselage andother large part to replace multiple parts through a large number of rivets, screws and other assembly connection means, so that component strength, rigidity and dependability increased. These are made ofprocessing equipment, high speed, high precision and high flexibility. Judging from the EMO2001 exhibition, high-speed machining center feed rate of up to 80m/min, or even higher, and air speed of up to 100m/min so. Currently many of the world automobile plant, including Shanghai General Motors, have adopted high-speed machining center part ofthe production line of machine tool alternatives. CINCINNATI HyperMach U.S. companys largest machine tool feed speed up to 60m/min, quick to 100m/min, acceleration up to 2g, spindle speed has reached 60 000r/min. Aircraft parts machining a thin-walled, only 30min, and thesame high-speed milling machine parts in general need to 3h, in the ordinary milling machine to be 8h; German DMGs dual-spindle lathespindle speed and acceleration respectively 120000r/mm and 1g. In the processing accuracy, the past 10 years, the general level ofprecision CNC machine tools increased from 10m to 5m, precision machining center from the 3 5m, increased to 1 1.5m, andultra-precision machining has begun to enter the nano-scale precision(0.01m). In terms of reliability, MTBF values abroad reached the numerical control device more than 6 000h, the servo system MTBF value reached more than 30000h, showing very high reliability. In order to achieve high-speed, high precision, a complete set of features such as spindle, linear motor has been the rapid development of application has been further expanded. 1.2 The five-axis machining and rapid development of machine tool 5-axis machining of three-dimensional surface, the best available toolfor cutting geometry, not only finish high, but efficiency is greatly improved. Generally believed that 1 5-axis machine tool efficiencycan be equal to 2 sets 3 axis machine tools, particularly the useof cubic boron nitride and other superhard materials, high-speed milling of hardened steel cutter part, the 5-axis machining 3-axis thanplay a more effective process. But in the past due to 5-axis CNCsystem, the host structure of complex reasons, the price than the 3-axis NC machine tool several times higher, in addition to programming more difficult, limiting the development of 5-axis machine tools. The current emergence of the spindle, making the realization of the complex 5-axis simultaneous machining spindle head structure simplified,the manufacturing difficulty and costs significantly reduced, narrowing the gap between the price of CNC system. So for the first type of complex 5-axis spindle machine tools and machine tool (including 5-face machining) development. In EMO2001 exhibition, new work in Japan 5-sided machining machine tool spindle with composite head, can achieve four vertical plane of the processing and the processing of any angle, making the 5-sided machining and 5 axis machining can be implemented on the same machine,but can be achieved and the inverted cone inclined plane processing. German DMG Company exhibits DMUVoution series of machining centers,can be achieved in a fixture under the 5-sided machining and 5 axis machining, CNC control system or by the CAD / CAM controlled directly or indirectly. 1.3 intelligent, open, network development as the major contemporary trends in numerical control system 21 numerical control equipment will be sure the intelligent system, intelligent content included in all aspects of the numerical control system: the pursuit of processing efficiency and processing quality ofintelligence, such as the adaptive control process, process parameters automatically generation; to improve the performance and the use ofintelligent and convenient connection, such as feedforward control, adaptive computing motor parameters, automatic identification of load select models, self-tuning, etc.; simplify programming, simplifying operational aspects of intelligence, such as smart of automatic programming,intelligent man-machine interfaces; also intelligent diagnosis, intelligent control aspects, to facilitate system diagnostics and maintenance. In order to solve the traditional CNC system and CNC applications closed the industrial production problems. Many countries now open CNC system of research, such as the United States NGC (The Next Generation Work-Station/Machine Control), the EC OSACA (Open System Architecture for Control within Automation Systems), Japan OSEC (Open System Environment for Controller), China, ONC (Open Numerical Control System) and so on. Open CNC system has become a numerical control system ofthe future of the road. The so-called open-CNC system is the development of numerical control system can be run in a unified platformfor machine tool manufacturers and end users, by changing, adding or cutting out the structure object (NC function) to form a series, and easily the users special applications and technical know-how intothe control system, rapid implementation of different varieties, different grades of open CNC system, the formation of a distinct brand personality. The open numerical control system architecture specification, communication specifications, configuration specifications, operating platform, function libraries and CNC numerical control system softwaredevelopment tools, system function is the core of the current study. Network numerical control equipment is well-known international machinetool fair the past two years, a new bright spot. NC network equipment will greatly satisfy the production lines, manufacturing systems,manufacturing information integration needs of enterprises, but also achieve new manufacturing model, such as agile manufacturing, virtual enterprises, global manufacturing the base unit. Some well-known at home and abroad, and CNC CNC machine tools manufacturing companies haveintroduced in recent years related to new concepts and prototype, as in EMO2001 exhibition, Japan Yamazaki Mazak (Mazak) that the company exhibits CyberProduction Center (intelligent production control center, referred to as CPC); Japan Okuma (Okuma) Machine Company exhibited IT plaza (Information Technology Square, referred to as IT Plaza); Germanys Siemens (Siemens) that the company exhibits Open Manufacturing Environment (open manufacturing environment, referred to as OME), etc. , reflecting the CNC machining direction of the network trend.1.4 The emphasis on new technology standards, the establishment of norms 1.4.1 Specifications on the design and development of numerical control system As mentioned earlier, open CNC system has better versatility, flexibility, adaptability, scalability, the United States, the European Community and Japan have to implement the strategic development plan, andthe open architecture CNC system specification (OMAC , OSACA, OSEC)research and development, the worlds three largest economies in theshort term were almost the same as the scientific formulation of plans and specifications, indicating the numerical control technology toa new period of change to come. China also started in 2000, CNC Chinas regulatory framework ONC research and development. 1.4.2 on the NC Standard NC standard is the development of manufacturing information of a trend. CNC technology 50 years after the birth of the exchange of information is based on ISO6983 standards, which adopts the G, M code describes how (how) processing, the essential characteristics of process-oriented, obviously, he can not meet mo