1、機電一體化畢業論文摘要“機電一體化”，顧名思義，這是一門機械專業知識與微型電子電路相結合的綜合性學科。從改革開放之初國內多所專業學府開中國之先河，設立了“機械一體化”專科，從事專業的研究與教授活動，取得了不菲的成績，為我國的工業現代化、自動化做出了卓越的貢獻。工業領域的數控系統屬于機電工業的基礎，也是目前所能夠達到的比較先進的前沿科學，通過超大型集成電路與中央處理器的有效工作，控制機械設備精準、高效的工作，有效的解放勞動力、提高工業產品的質量與品質。關鍵詞：機電一體化 數控系統 微電子技術 目錄緒論 -4第一章 當代先進數控技術發展的特點-5一、廣泛應用地微機資源-5二、小型化以滿足機電一體化

2、的要求-5三、改善的人機接口，簡單方便的用戶使用界面-6四、提高數控系統產品的成套性-6五、研究開發智能型數控系統-7六、根據市場需要，開發適銷對路的數控產品-8七、開發新的數控產品-8第二章 國產機床數控技術的現狀-9一、高檔數控機床的國內供應能力不足-9二、自主創新能力不足-9三、產品質量、可靠性及服務等能力不強-10四、功能部件發展滯后-10結論-11致謝-12參考文獻-13緒論數控技術是利用數字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。用數控技術實施加工控制的機床，或者說裝備了數控系統的機床稱為數控(NC)機床。從1952年第一臺數控機床在美問世，至今已有40多年的歷史，計算機數

3、控（CNC）從70年代中期出現，到現在也已有20多年了，數控技術日趨成熟。特別近幾年來微型計算機、微電子工業及電力電子工業的迅速發展，微型計算機與CNC技術的緊密結合，使得開發和生產CNC系統的技術被越來越多的自動化裝備生產廠所掌握。因此，就當今全世界范圍來說，CNC技術已經不再被少數幾個國家的幾個CNC系統生產廠所壟斷。到80年代末，幾乎每個工業發達的國家都有了自己的數控設備生產廠，生產滿足各自國家數控機床及其他機械裝備所需要的數控系統。甚至很多大型的數控機床生產廠都有自己的產品，并部分出售數控系統。因此，CNC系統生產商之間的競爭最為激烈，數控技術的發展進入了新的階段。本文通過對當代國際先

4、進數控機床系統在市場上占有的優勢，與國內擁有自主知識產權的數控機床系統的發展現狀的對比，闡述和分析兩者在市場中各自的不足，并嘗試從中可以找到切實可行的解決之道。第一章 先進機床數控技術的現狀一、廣泛應用地微機資源近年來被稱為個計算機（PC）的微型計算機發展很快，大規模集成電路制造技術的高速發速，使得PC的硬件結構做得很小。主CPU的運行速度越來越高。IPC386的主頻是33MHz，IPC486、586的主頻可達50120MHz，新近Intel奔騰處理器（Pentium），主頻已經高達43.0GHz。存儲器容量理論上已經達到無窮大，整機重量、外形體積相比上個世紀的同類產品更加輕巧。由于實現了大批

5、量生產，制造成本直線下降，同時高精準的SMT制造技術大幅度提高設備穩定性與可靠性。在軟件方面，操作系統的發展，特別是Windows的應用，使得PC的操作更為簡便直觀。CAD/CAM的軟件大量地由小型機、工作站向PC移植，三維圖形顯示技術及工藝數據庫在PC上建立。再加上PC的開放性，吸引大量技術人員投入了軟件的開發，使得PC的軟件資源極為豐富。因此，更好地利用PC的軟、硬件資源，就成為各國數控設備生產廠發展CNC系統十分重要的一種方法。19921993年，首先是在美國及歐洲的一些小型的數控設備廠推出，例如美國的ANILAN公司推出的1100、1200、1400系列，意大利FIDIA公司的10/2

6、0/30系列，都采用了PC作為基板來開發自己的數控系統。現在連日本FANUC、三菱公司，德國的SIEMENS公司些以生產專用CNC設備著稱的公司，也都把采用PC資源，作為其發展的一個重要方向。他們都強調自己系統的“開放”。日本FANUC公司把采用PC的CNC系統稱之為開放型CNC系統，有150、160、180及210等系列，并正發展一種將FANUC智能終端（一種與IBM PC兼容的平板式計算機）通過高速光纜與CNC裝置連接的模式。二、小型化以滿足機電一體化的要求隨著微電子技術的發展，大規模集成電路的集成度越來越高，體積越來越小。數控設備廠采用超大規模集成電路并采用表面安裝工藝（SMT），實現了

7、三維立體裝配，將整個CNC裝置做得很小，以適應機械制造業機電一體化的要求。日本三菱電機株式會社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及實用型CNC MELDAS 520A系列，這兩個系列都采用了32位RISC微處理器，實現超小型化的CNC裝置，較原來的M310及L3、L3A，體積大為減小（H168mmW76mmD135mm），安裝面積減小了一半，功能還有所提高。采用了超薄型顯示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。這個系統的微小線段加工能力提升至64m/min，最大快速進給速度為240m/min，其同步攻螺紋精度較M310提高了3倍，主軸定位時間縮短了30%。德國SIEM

8、ENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控組件選用386DX或486DX，具有14個通道，可實現直線及圓弧插補、螺旋線插補、5軸螺旋線插補及樣條插補、圓柱插補等，共可控制32個軸，并有多種校正及補償功能，體積僅為50mm316mm207mm。三、改善的人機接口，簡單方便的用戶使用界面為了使操作者能很容易地掌握數控機床的操作，數控設備生產廠努力地改善人機接口，簡化編程，盡量采用對話方式，使用戶使用方便，如西班牙FAGOR公司生產的FAGOR 8050系列，采用交互式編輯程序指導系統，簡化程序的編輯，用簡要的表格編輯程序，利用藍圖建立程序。其8050TC型數控系統，被稱為高檔傻瓜式數控系

9、統（FAGOR800系列CNC系統），其操作面板使用了符號鍵，用戶可以根據所需加工零件，選擇加工程序，輸入圖形數據后，即可實現半自動或全自動加工。如果面板上的各種自動操作都沒有被選上，則該CNC系統只顯示坐標軸的位置值和主軸轉速，操作者可以用搖柄或電子手輪對機床的各個軸進行手動操作，使用極為方便。四、提高數控系統產品的成套性 數控系統包括CNC裝置、主軸及進給伺服驅動裝置，以及主軸電動機、進給電動機和與其相關的檢測反饋元件。一個數控系統性能的好壞是與上述各個環節的性能密切相關的。為了滿足機床用戶廠的需要，數控設備生產廠都非常重視數控產品的成套性，使系統的各個環節都能很好地匹配，使用戶獲得最好的

10、使用效果。例如，日本FANUC公司開發了經濟型的O-TD、O-MD CNC裝置，與之相適應也開發了經濟型的C系列的效流伺服電動機及控制系統。日本大隈（OKUMA）公司，是一個傳統的機床廠，現在也開發、生產并銷售數控系統，作為一個機床廠生產數控系統，所以更重視機電一體化及產品成套性。該公司生產數控系統在軟件上更結合機械加工的工藝要求，硬件上還自行開發了絕對位置編碼器、無刷伺服電動機、交流主軸電動機、光柵尺等元件，同時還提供機床控制面板及控制柜、自動編程裝置，為用戶提供交鑰匙工程。五、研究開發智能型數控系統所謂智能型的數控系統，早在80年代初期已經開始研究。當時FANUC公司推出的FS15系列，就

11、稱之為AI（人工智能）CNC系統，主要是在故障診斷方面采用了專家系統。系統利用所謂的推理軟件，根據存儲在系統中的知識庫的經驗，分析及查找故障原因。最近FANUC公司又在開展被稱為面向21世紀的課題IMS（Intelligent Manufacturing Systems），將無縫地（Seamless）把世界范圍熟練工人的技術竅門（Know how）組合進生產系統中去。隨著工業技術發展，要求制造過程更快、更容易，以適應生產需要，一種被稱為智能閉環加工（Intelligent Closed-Loop Processes ICLP）技術被采用。這種技術是利用傳感器獲得適時的信息，以增強制造者取得最佳

12、產品的能力。下圖為智能閉環加工模型。智能閉環加工模型（圖片載自：機床數控系統的發展趨勢）六、根據市場需要，開發用戶需要的數控產品高新技術是數控系統發展的一個方向，另一方面開發適銷對路的數控產品也是適應市場發展的需要。我國是發展中國家，經濟型數控系統在我國有著廣闊的市場。因此，開發性能優良、價錢便宜的數控系統，滿足我國市場需要是很有意義的。目前，我國的經濟型數控機床每年需要量約為800010000臺。雖然有幾十個廠家在生產，價格也很便宜，但是多年來技術發展不快，性能及可靠性方面還存在一些問題，不能滿足市場的需求。德國SIEMENS公司在我國建立的合資企業西門子數控（南京）有限公司，在1997年推

13、出了SINUMERIK 802S。這種系統除采用G代碼編程外，還有圖形循環支持功能，通過軟件鍵來進行轉換。采用15.24cm（6in）彩色液晶顯示，并采用兩臺步進電動機作為驅動單元，驅動力矩為3.512N.m，價格在3萬元左右。這是西門子公司為占領中國市場所做的努力。七、開發全新概念的數控產品隨著機械加工技術的發展，對數控機床的性能要求越來越高，迫切地需要開發一些新的機電一體化數控產品來適應及滿足這些要求。例如，鋁合金材料的大量采用，要求進行高速切削，以實現高的精度及低的表面粗糙度的要求，數控車床及加工中心主軸轉速要求提高到1000020000r/min，這對采用傳統的機械傳動是很難實現的。因

14、此，將電動機的電樞直接與機床的主軸做成一體的“電動主軸”，就成為生產中急需的產品。目前，日本的FANUC公司、NSK公司，瑞士的IBAG公司，意大利的GANFIOR公司都在開發生產這種新產品。同樣，為了實現高速移動，要求開發“直線電動機”，用以直接帶動工作臺直線運動。日本FANUC公司生產的直線電動機，移動速度可以達到100m/min。日本的THK公司，德國的INDRAMAT公司、SIEMENS公司都在開發及生產這類產品。第二章 國產機床數控技術的現狀長期以來，國產機床數控技術始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主要依靠進口，技術受制于人。究

15、其原因，國內本土機床數控系統開發企業大多處于“粗放型”階段，在產品設計水平、質量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術方面的差距則達到了10-15年。同時中國在應用技術及技術集成方面的能力也還比較低，相關的技術規范和標準的研究制定相對滯后，國產的機床數控系統還沒有形成品牌效應。同時，中國的機床數控產業目前還缺少完善的技術培訓、服務網絡等支撐體系，市場營銷能力和經營管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主創新能力，完全擁有自主知識產權的數控系統少之又少，制約了數控機床產業的發展。 國外公司在中國數控系統銷量中的80以上是普及型數控系統。如果我們能在普及型數控系統產品快

16、速產業化上取得突破，中國數控系統產業就有望從根本上實現戰略反擊。同時，還要建立起比較完備的高檔數控系統的自主創新體系，提高中國的自主設計、開發和成套生產能力，創建國產自主品牌產品，提高中國高檔數控系統總體技術水平。一、 高檔數控機床的國內供應能力不足盡管我國數控行業近年來取得了長足的發展，機床數控化率穩步提高，但機床消費和生產的結構性矛盾仍然比較突出。目前，國內對數控中高檔機床的需求量逐漸超過低檔手工操作機床。但國產數控機床以低檔為主，高檔數控機床絕大部分依賴進口。 二、自主創新能力不足長期以來，我國機床制造業的基礎、共性技術研究工作主要在行業性的研究院所進行。能力薄弱，技術創新投入不足，引進

17、消化吸收能力差，低水平生產能力過剩，自主創新能力不高，缺乏優秀技術人才。雖然國產數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數控技術，但缺乏對基礎共性技術的研究，忽視了自主開發能力的培育，企業的市場響應速度慢。 三、產品質量、可靠性及服務等能力不強國產機床數控系統在穩定性、通用性、交貨期和服務等方面與國外著名品牌相比存在較大的差距。在質量方面，國產數控系統的可靠性指標MTBF與國際先進數控系統相差較大。國產數控車床、加工中心的MTBF與國際上先進水平也有較大差距。在交貨期方面，絕大多數企業由于任務重拖期交貨。服務體系不健全，在市場開拓、成套技術服務、快速反應能力等方面

18、不能滿足市場快節奏和個性化的要求。 四、 功能部件發展滯后機床是由各種功能部件（主軸單元及主軸頭、滾珠絲杠副、回轉工作臺和數控伺服系統等）在床身、立柱等基礎機架上集裝而成的，功能部件是數控機床的重要組成部分。數控機床整體技術與數控機床功能部件的發展是相互依賴、共同發展的，所以功能部件的創新也深深地影響著數控機床的發展。我國數控機床功能部件已有一定規模，電主軸、主軸單元、數控系統等也有專門的制造廠家，其中個別產品的制造水平接近國際先進水平。但整體上，我國機床功能部件發展緩慢、品種少、產業化程度低，精度指標和性能指標的綜合情況還不過硬。目前，滾珠絲杠、數控刀架、電主軸等功能部件僅能滿足中低檔數控機

19、床的配套需要。衡量數控機床水平的高檔數控系統、高速精密電主軸、高速滾動功能部件等還依賴進口。結論 綜上所述，數控技術的發展是與現代計算機技術、電子技術發展同步的，同時也是根據生產發展的需要而發展的。現在數控技術已經成熟，發展將更深、更廣、更快。未來的CNC系統將會使機械更好用，更便宜。面對國外超前的機床數控系統的設計理念、及時的交貨周期、完善的銷售體系、無微不至的人文元素，國內機床數控系統提供商能做的就只有廣泛的征求用戶的需求，并且根據本土機械加工布局特色、常用原材料加工特性等因素，在盡可能短的設計周期內開發滿足特定客戶需求的機床數控系統。而不應該再跟隨國外生產商的步伐，進行簡單的拷貝、復制、制造過程，繼續生產被國外生產商摒棄的低端落后的產品。盲目跟隨眼前的腳窩趕路，換來的只能是別人腳后跟揚起的一灘爛泥。歷史的事實告訴我們：落后就應該挨打。技術的落后有多方面的原因造成，傳統思維方式的束縛、中西方價值觀的差異、對先進技術概念在理解上的差異、勞動分配機制的伯仲。只有突破這種種的限制與禁錮，以開放與自由的姿態，苦練基礎知識、狠抓后背人才的培養，才能夠迎接先進技術國家一波波的挑戰與掠奪。唯有擁有自主知識產權的CNC系統，能夠制造完全屬于中國人的一份自信；唯有擁有國產CNC系統，才能夠保有在世界工業制造領域無比富強的一份尊嚴；唯