1、數控技術現狀及發展趨勢前言數控機床是制造業實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎，其水平高低和擁有量多少是衡量一個國家工業現代化的重要標志。工業發達國家把數控機床視為具有高技術附加值和高利潤的重要出口產品。數控機床已成為關系到國家戰略地位和體現國家綜合國力的重要基礎性產品。數控機床集機械制造技術、信息技術、微電子技術和自動化技術等為一體，隨著科學技術的發展而不斷地發展與創新。作為一本數控機床教材如何在眾多的技術內容中抓住本質、提取精華、突出重點，少而精地奉獻給讀者，是本書的編寫難點，也是特色所在。本書編寫既注重應用性，又考慮到理論基礎，同時還考慮其最新技術，理論敘述力求通俗易懂。內容是以數控加工

2、信息流為主線順序展開，先后闡述了數控編程的基礎及方法、計算機數控裝置的硬軟件、數控裝置的軌跡控制原理、數控機床的伺服系統工作原理，同時還敘述了數控技術的基本概念、數控機床的檢測裝置、數控機床的機械結構、數控機床的故障診斷、數控自動編程以及數控技術的發展等內容。1國內外數控技術發展狀況20世紀 人 類 社 會 最 偉 大 的 科 技 成果是計算機的發明與應用，計算機及控制 技 術 在 機 械 制 造 設 備 中 的 應 用 是 世紀內制造業發展的最重大的技術進步。自從1952年美國第1臺數控銑床問世至今已經歷了50個年頭。數控設備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機，形成龐大

3、的數控制造設備家族，每年全世界的產量有1020萬臺，產值上百億美元。 “十五“剛剛開始，國防科工委就明確提出 了 在 軍 工 企業 中 投 入68億 元，用 于 對12 18萬 臺 機 床 的 數 控 化 改造。 目前，國際上最大的數控系統生產廠是日本FANUC公司，1年生產5萬套以上系統，占世界市場約40左右，其次是德國的西門子公司約占15以上，再 次 是 德 海 德 漢 爾、西 班 牙 發 格、意 大利菲地亞、法國的NUM、日本的三菱、安川。國 產 數 控 系 統 廠 家 主 要 有 華 中 數控、北 京 航 天 機 床 數 控 集 團、北 京 凱 恩帝、北 京 凱 奇、沈 陽 藝 天、廣

4、 州 數 控、南京 新 方 達、成 都 廣 泰 等，國 產 數 控 生 產廠 家 規 模 都 較 小，年 產 都 還 沒 有 超 過300400套。近10年，數控機床為適應加工技術發展，在以下幾個技術領域都有巨大進步。11高速化 由于高速加工技術普及，機床普遍提高各方面速度，車床主軸轉速由3 0004 000r min提 高 到8 00010 000r min，銑床和加工中心主軸轉速由4 0008 000r min提高到12 000r min、24 000r min、40 000r min以 上 快 速 移 動 速 度 由 過 去的10 20m min提 高 到48m min、60m min、

5、80m min、120m min，在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度，其已由過去一般機床的05G（重力加速度）提高到152G，最高可達15G，直線電機在機床上開始使用，主軸上大量采用內裝式主軸電機。12高精度化 數 控 機 床 的 定 位 精 度 已 由 一 般 的001002mm提 高 到0008mm左 右，亞微米級機床達到00005mm左右，納米級機床達到0005001m，最小分辨率為1nm（0000001mm）的 數 控 系 統 和 機床已有產品。數控中兩軸以上插補技術大大提高，納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到1的圓度，插補前多程 序 段 預 讀，大 大 提 高 插 補

6、質 量，并 可進行自動拐角處理等。13復合加工、新結構機床大量出現 如5軸5面 體 復 合 加 工 機 床，5軸5聯動加工各類異形零件。也派生出各新 穎 的 機 床 結 構，包 括6軸 虛 擬 軸 機床，串并聯鉸鏈機床等。采用特殊機械結 構，數 控 的 特 殊 運 算 方 式，特 殊 編 程要求。14使用 各 種 高 效 特 殊 功 能 的 刀 具 使數控機床“如虎添翼”如 內 冷 鉆 頭 由 于 使 高 壓 冷 卻 液 直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑，在鉆深孔時大大提高效率。加工鋼件切削速度能達1000m min，加工鋁件能達5000m min。15數控機床的開放性和聯網管理數 控 機 床 的

7、 開 放 性 和 聯 網 管 理 已是使用數控機床的基本要求，它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段，而 且 是 企 業 合 理 化、最 佳 化 利 用 這些制造手段的方法。因此，計算機集成制 造、網 絡 制 造、異 地 診 斷、虛 擬 制 造、異 行 工 程 等 等 各 種 新 技 術 都 在 數 控 機床基礎上發展起來，這必然成為21世紀制造業發展的一個主要潮流。2數控技術的發展趨勢21性能發展方向（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以 及 帶 高 分 辨 率 絕 對式檢測元件的交流數字伺服系統，

8、同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。柔性化包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。（3）工藝復合性和多軸化。以減少工 序、輔 助 時 間 為 主 要 目 的 的 復 合 加工，正 朝 著 多 軸、多 系 列 控 制 功 能 方 向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工

9、。數控技術軸，西門子880系統控制軸數可達24軸。（4）實時智能化。早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。科學技術發展到今天，實時系統和人工智能相互結 合，人 工 智 能 正 向 著 具 有 實 時 響 應的、更 現 實 的 領 域 發 展，而 實 時 系 統 也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。22功能發展方向221用戶界面圖形化用 戶 界 面 是 數 控 系 統 與 使 用 者 之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發用戶界面的工作

10、量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最 困 難 的 部 分 之 一。當 前INTERNET、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形 用 戶 界 面 極 大 地 方 便 了 非 專 業 用 戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操 作，便 于 藍 圖 編 程 和 快 速 編 程、三 維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。222科學計算可視化科 學 計 算 可 視 化 可 用 于 高 效 處 理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息?？梢暬夹g與虛擬環境

11、技術相結合，進一步拓寬了 應 用 領 域，如 無 圖 紙 設 計、虛 擬 樣 機技 術 等，這 對 縮 短 產 品 設 計 周 期、提 高產 品 質 量、降 低 產 品 成 本 具 有 重 要 意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態 處 理 和 顯 示 以 及 加 工 過 程 的 可 視 化仿真演示等。223插補和補償方式多樣化多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插 補、極 坐 標 插 補、2D 2螺 旋 插 補、NANO插補、NURBS插補（非均勻有理B樣條插補）、樣條插補（A、B、C樣

12、條）、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補 償、溫 度 補 償、帶 平 滑 接 近 和 退 出 以及相反點計算的刀具半徑補償等。23體系結構的發展231集成化采 用 高 度 集 成 化CPU、RISC芯 片和 大 規 模 可 編 程 集 成 電 路FPGA、E-PLD、CPLD以及 專 用 集 成 電 路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量 高、重 量 輕、體 積 小、功 耗 低、便 于攜帶等優點，可實現超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示

13、技術，是21世紀顯示技術的主流。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性 能，減 小 組 件 尺 寸，提 高 系 統 的 可 靠性。232模塊化硬 件 模 塊 化 易 于 實 現 數 控 系 統 的集 成 化 和 標 準 化。根 據 不 同 的 功 能 需求，將 基 本 模 塊，如CPU、存 儲 器、位 置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。233網絡化機 床 聯 網 可 進 行 遠 程 控 制 和 無 人化操作。通過機床聯網

14、，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運 行，不 同 機 床 的 畫 面 可 同 時 顯 示在每一臺機床的屏幕上。3智 能 化 新 一 代PCNC數 控系統當 前 開 發 研 究 適 應 于 復 雜 制 造 過程 的、具 有 閉 環 控 制 體 系 結 構 的、智 能化新一代PCNC數控系統已成為可能。智 能 化 新 一 代PCNC數 控 系 統 將 計 算機智能技 術、網 絡技 術、CAD CAM、伺服 控 制、自 適 應 控 制、動 態 數 據 管 理 及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環控制體系。4展望制 定 符 合 中 國 國 情 的 總 體

15、 發 展 戰略，確立與國際 接軌 的 發 展 道 路，對21世 紀 我 國 數 控 技 術 與 產 業 的 發 展 至 關重要。本章對數控技術和產業發展趨勢的分析，對我國數控領域存在的問題進行研究的基礎上，對21世紀我國數控技術和產業的發展途徑進行了探討，提出了以科技創新為先導，以商品化為主干，以 管 理 和 營 銷 為 重 點，以 技 術 支 持和服務為后盾，堅持可持續發展道路的總體發展戰略。在此基礎上，研究了發展 新 型 數 控 系 統、數 控 功 能 部 件、數 控機床整機等的具體技術途徑。衷 心 希 望，我 國 科 技 界、產 業 界 和教育界通力合作，把握好知識經濟帶來的難得機遇，迎

16、接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰，使我國數控技術和產業最終走向世界的前列。參考書 : 承恩，丁乃建現代數控機床北京：機械工業出版社，1991· 任玉田機床計算機數控技術北京：北京理工大學出版社，1996· 嚴愛珍機床數控原理與系統北京：機械工業出版社，1999· 唐仲文等機電一體化技術手冊北京：機械工業出版社，1999· 廖效果，朱啟逮數字控制機床武漢：華中理工大學出版社，1992· 葉蓓華數字控制技術北京：清華大學出版社，2002· 杜君文，鄧廣敏數控技術天津：天津大學出版社，2002· 王永章，杜君文，程國全數控技術北京：高等

17、教育出版社，2001· 王愛玲等現代數控原理及控制系統北京：國防工業出版社，2002· 董玉紅數控技術北京：高等教育出版社，2004· 吳祖育，秦鵬飛數控機床，第3版上海：上海科學技術出版社，2002· 逯曉勤，李海梅，申長雨數控機床編程技術北京：機械工業出版社，2002· 李斌數控加工技術北京：高等教育出版社，2001· 盛伯浩，唐華數控機床技術發展淺析航空制造技術，2002(6)：1721· 李郝林，方鍵機床數控技術北京：機械工業出版社2001· 明興祖數控機床與系統北京：中國人民大學出版社，2000·

18、; 張建鋼數控技術武漢：華中科技大學出版社，2000· 許祥泰，劉艷芳數控加工編程實用技術北京：機械工業出版社，2001· 楊有君數字控制技術與數控機床北京：機械工業出版社，1999· 朱曉春數控技術北京：機械工業出版社，2003· 宋本基，張銘均數控技術哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999· 李佳數控機床及應用北京：清華大學出版社，2002· Gross編著機床電力進給驅動裝置王洪等譯北京：機械工業出版社，1983· 顧京現代機床設備北京：化學工業出版社，200l · 畢毓杰，黃健求，李宏勝機床數控技術北京：機械工業出版社，1997· 黃尚先現代機床數控技術北京：機械工業出版社，1996· 于華數控機床的結構及編程北京：機械工業出版社，2000· 王愛玲，白恩遠現代數控機床北京：國防工業出版社，2003· 熊清平數控系統技術的發展趨勢機電工程技術，2004，9：9194· 吳明友數控機床加工技術：編程與操作南京：東南大學出版社，2000· 薛彥成數控原理與編程北京：機械工業出版杜，1994·