1-題目數控的現在與未來系（分院）機械電子工程系學生姓名數控的現在與未來目前，中國機床工業廠多人眾。2000年，金切機床制造廠約358家(20.6萬人)，成形機床制造廠191家(約6.5萬人)，共計549家(27.1萬人)。其中生產數控金切機床的約150家，生產數控成形機床的約30家，共計約180家，占廠家總數的1/3。2001年金切機床產量19.2萬臺，內數控金切機床17,521臺，約占9%?？偟膩碚f：數控機床產量不斷增長，2001年為1991年的3.6倍；進口量增長較快，達29倍，出口量有所增加，但數目較小，為4.8倍；數控機床消費量增加較快，達7.9倍。產量滿足不了社會發展的需求。從金額上看，2001年數控機床進口17,679臺，計14.1億美元，出口2,509臺，計0.44億美元，進口額為出口額之32倍。進口大、出口小。中國發展數控機床存在的主要問題中國于1958年研制出第一臺數控機床，發展過程大致可分為兩大階段。在1958~1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。第一階段中對數控機床特點、發展條件缺乏認識，在人員素質差、基礎薄弱、配套件不過關的情況下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、終因表現欠佳，無法用于生產而停頓。主要存在的問題是盲目性大，缺乏實事求是的科學精神。在第二階段從日、德、美、西班牙先后引進數控系統技術，從日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奧、韓國、臺灣省共11國(地區)引進數控機床先進技術和合作、合資生產，解決了可靠性、穩定性問題，數控機床開始正式生產和使用，并逐步向前發展。在20余年間，數控機床的設計和制造技術有較大提高，主要表現在三大方面：培訓一批設計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產先進數控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數控系統配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯動加工的數控機床，供應國內市場的需求，但對關鍵技術的試驗、消化、掌握及創新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數控系統依靠國外技術支撐，不能獨立發展，基本上處于從仿制走向自行開發階段，與日本數控機床的水平差距很大。存在的主要問題包括：缺乏象日本“機電法”、“機信法”那樣的指引；嚴重缺乏各方面專家人才和熟練技術工人；缺少深入系統的科研工作；元部件和數控系統不配套；企業和專業間缺乏合作，基本上孤軍作戰，雖然廠多人眾，但形成不了合力。第一章：數控加工及其優勢數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械制造產業的滲透形成的機電一體化產品,其技術范圍復蓋很多領域:(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.計算機對傳統機械制造產業的滲透.完全改變了制造業.制造業不但成為工業化的象征.而且由于信息技術的滲透.使制造業猶如朝陽產業具有廣闊的發展天地.1.2.1加工效率高。利用數字化的控制手段可以加工復雜的曲面。而加工過程是由計算機控制，所以零件的互換性強，加工的速度快。1.2.2加工精度高。同傳統的加工設備相比，數控系統優化了傳動裝置,提高分辨率,減少了人為誤差，因此加工的效率可以得到很大的提高。1.2.3勞動強度低。由于采用了自動控制方式，也就是說加工的全部過程是由數控系統完成，不象傳統加工手段那樣煩瑣，操作者在數控機床工作時，只需要監視設備的運行狀態。所以勞動強度很低。1.2.4適應能力強。數控加工系統就象計算機一樣，可以通過調整部分參數達到修改或改變其運作方式，因此加工的范圍可以得到很大的擴展。1.2.5工作環境好。數控加工機床是機械控制、強電控制、弱電控制為一體高科技產物，對機床的運行溫度、濕度及環境都有較高的要求。1.2.6就業容易、待遇高。由于我國處于數控加工技術的大力發展階段，大量的數控機床和先進的加工手段的快速引進，卻沒有大量熟練數控技術操作的人員參與，因此造成該行業嚴重缺乏人才。第二章數控機床自身系統的發展2.1數控機床產業的發展現狀

據初步統計，近年來數控機床產量持續地以年均增長超過30%的速度快速增長。2004年其產量達52000臺以上，同比年增長40%，數控機床的消費量約74000臺，同比年增長32%。在數控機床的技術水平方面，由于市場需求的拉動，中高檔數控機床的開發也取得了較大的進展，在五軸聯動、復合加工、高速加工、超精加工和數字化設計等一批關鍵技術上取得了突破，并形成了一批中檔數控機床產業化基地。

但是，另一方面進口的數控機床數量也在逐年同步增加，而且進口數控機床消費額的增長趨勢更快。2004年數控機床的進口數量同比年增長30%，而進口消費額的增長卻達52%，從而導致國產數控機床在國內市場消費額總額所占比例已不足30%。之所以出現這一現象，其主要原因在于國內市場對技術和附加值高的高效精密和高性能大重型數控機床需求增長，要依靠進口解決。

國內外數控機床主要技術指標差距很大。

從上世紀80年代起，我國機床制造業的發展雖有起伏，但對數控技術和數控機床一直給予較大的關注，已具有較強的市場競爭力。但由上表可以看到，在中、高檔數控機床方面，與國外一些先進技術與產品仍存在較大差距，效率、精度和可靠性等方面均有明顯差距，相當歐洲在上世紀90年代中期水平，大部分處于技術跟蹤階段。2.2數控技術發展現狀首先是精度普遍不夠。只有少數幾種產品達到歐洲標準定位精度。精度差距只是表面現象。其實質是基礎技術差距的反映。如普遍未進行有限元分析，未做動剛度試驗；大多未采用定位精度軟件補償技術、溫度變形補償技術、高速主軸系統的動平衡技術等。其次，基礎材料開發方面的差距，未普及高強度密烘鑄鐵，在歐美已有一批先進產品采用聚合物混凝土，我國則還是空白。再次，高動、靜剛度主機結構和整機性能開發的差距，高速機床主機結構設計方向是增強剛性和減輕移動部件重量，如國際普遍采用龍門式、框式、O型整體結構，箱中箱式結構，L型床身，三軸移動移出機身，側掛箱式臥式加工中心等。我們則大多未開發。還有一重要差距就是應用技術差距。如國外已開始普及的遠程服務技術，我們尚待開發；交鑰匙工程從機床選擇、工藝裝備(刀、夾、附、檢具)配置與提供到切削用量的確定，尚待開發；展出的高速機床，普遍不能做硬切削、干切削表演，高速切削機理及切削數據庫的研究我國近乎空白；不能提供高速切削軟件包，等等。當然，關鍵配套件，特別是新興配套件差距較大。如電主軸、高速滾珠絲杠副、直線電機、高速高精全數字式數控系統、高精度高頻響的位置檢測系統等。任重道遠，要趕上國際先進水平，我們還要不斷提高產品開發能力。2.3數控機床關鍵部件發展現狀從全球范圍看，我國滾動功能部件產業雖然是制造廠商最多的國家，但生產不集中、分布不合理、總產量和產值不高，除少數重點骨干企業的部分產品達到或接近國外水平外，多數企業只能生產中低檔產品，且品種單一、含金量偏低，至今尚無一個在國際上有影響力的知名品牌。

我國滾動功能部件產業與國外的主要差距是：專業生產水平不高；信息化管理滯后；產業化進程緩慢；個性化服務跟不上。從產品總體水平看，我們處于發達國家名牌產品之下，發展中國家之上的中偏上水平，中低檔產品與國外同類產品差距較小或基本持平，但生產效率卻遠遠低于國外。而高性能、高檔次的產品（高速、高精度、特高精度、低噪音等）與NSK、THK、Rexroth等知名企業有明顯差距，成為制約國產高檔數控機床發展的瓶頸。

科學技術是推動功能部件產業化的動力。當前滾動功能部件產業面臨兩大急需解決的問題：其一是迅速研制出高性能、高檔次的產品，以滿足國產高檔數控機床產業化的需求。其二是迅速提升制造技術水平，從革新工藝入手，提高批量生產的產品質量和生產效率，縮短制造周期，在此基礎上推出一批有競爭力的名牌產品。圍繞這兩大問題，實現產業化的關鍵是加大技術投入和資金投入。我國數控機床整體技術水平的發展和提高，最終離不開先進的功能部件產業的支持。目前我國數控機床功能部件生產已有一定規模，電主軸、主軸單元，數控系統、滾動功能部件、數控刀架、數控轉臺等都有專門的制造廠家，其中個別產品的制造水平接近國際先進水平。但從整體上看，我國功能部件生產發展緩慢，品種少，產業化程度低，從精度指標和性能指標的綜合情況看還不過硬。目前，滾珠絲杠、數控刀架、數控系統、電主軸等數控機床功能部件雖已形成一定的生產規模，但僅能滿足中低檔數控機床的配套需要。衡量數控機床水平的高級數控系統、高速精密電主軸、刀庫機械手、數控回轉工作臺和高速防護裝置，高速滾動功能部件和數控動力刀架等還依賴進口，這使得產業自主問題或國有控制力無從談起，因此必須把功能部件產業化搞上去。

數控機床功能部件的價格已占據整機價格的主要部分（據估算已占整機成本的70％左右）。由于國產功能部件產品檔次不高，且形不成規模，造價相對并不低；采用進口功能部件價格昂貴，從而使整機價格攀升，國產數控機床的價格優勢也喪失殆盡，同等水平的數控機床，其價格與一些發達國家和地區的產品趨于持平。因此，發展我國功能部件，首先要解決生產規模小、布局分散的問題，形成專業化、批量生產，降低制造成本；其次要引進先進技術，走合資合作或產學研相結合的路子，提高新產品研發能力；第三要理順體制，形成合力，提倡企業間結成戰略聯盟，努力把市場做大。國產數控機床缺乏核心技術，從高性能數控系統到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創出了自己的品牌，但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年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，但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發能力的培育，國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數用戶的認2.4中國加速數控機床產業發展之路中國今后要加速發展數控機床產業，既要深入總結過往的經驗教訓，切實改善存在的問題，又要認真學習國外的先進經驗，沿正確的道路前進。建議切實做好以下幾點：中國廠多人眾，極需正確的方針。政策對數控機床的發展進行有力的指引。應學習美。德。日經驗，政府高度重視。正確決策。大力扶植。在方針政策上，應講究科學精神。經濟實效，以切實提高生產率。勞動生產率為原則。在方法上，深入用戶，精通工藝，低中高檔并舉，學習日本，首先解決量大而廣的中檔數控機床，批量生產，占領市場，減少進口，擴大出口。在步驟措施上，必須使國產數控系統先進。可靠，狠抓產品質量與配套件過關，打好技術基矗近期重在打基礎，建立信譽，擴大國產數控機床的國內市場份額，遠期謀求趕超世界先進水平，大步走向世界市場；必須狠抓根本，堅持“以人為本”，加速提高人員素質。培養各種專家人才，從根本上改變目前低效。落后的狀態。人是一切事業成敗的根本，層層都要重視“培才。選才。用才”，建立學習型企業，樹立企業文化，加速培育新人，培訓在職人員，建立師徒相傳制度，舉辦各種技術講座。訓練班和專題討論會，甚至聘請外國專家。顧問等，盡力提高數控。300家機械廠技術改進數控機床需求高《中經BP社(日期：2005-06-1309:52)根國家計委投資研究所預測：“十五”期間，我國固定資產總投資額達到22萬億元，年平均增長幅度為37%。按以往固定資產投資與機械市場消費之間的互動關系推斷，“十五”期間，我國機械市場所孕育的商機高達320~400億元。第三章我國數控機床的發展數控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創了機械產品向機電一體化發展的先河，成為先進制造技術中的一項核心技術。數控系統技術的突飛猛進為數控機床的技術進步提供了條件，當今的市場，國際合作的格局逐漸形成，產品競爭日趨激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不斷升級，用戶的個性化要求日趨強烈，專業化、專用化、高科技的機床越來越得到用戶的青睞。3.1體系結構的發展趨勢

3.1.1開放性（1）向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現有系統所采納、吸收和兼容，這就意味著系統的開發費用將大大降低而系統性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；

（2）向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求；

（3）數控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649（STEP-NC），以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。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。新一代數控系統的開發核心是開放性。開放性有軟件平臺和硬件平臺的開放式系統，采用模塊化，層次化的結構，并通過形式向外提供統一的應用程序接口。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，數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。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的一個新的焦點。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。3.1.2運動并聯化

并聯運動機床克服了傳統機床串聯機構移動部件質量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸（一般為動平臺）與機座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯聯接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優點。

并聯機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業的高度重視，被認為是“自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。

3.1.3極端化、大型化和微型化

國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工（車、銑、磨）機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。

3.1.4信息交互網絡化

對于面臨激烈競爭的企業來說，使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控制、培訓、教學、管理，還可實現數控裝備的數字化服務（數控機床故障的遠程診斷、維護等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔（e-Tower）的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實現語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單。

3.1.5新型功能部件

為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：

（1）高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優點，在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用；

（2）直線電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高于傳統的伺服系統，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用，機械傳動結構得到簡化，機床的動態性能有了提高。如：西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯機床以及動態性能和運動精度要求高的機床等；德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅動均采用兩個直線電動機；

（3）電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數控機床的結構，具有傳動環節少、結構緊湊等一系列優點。3.1.6高可靠性

數控機床與傳統機床相比，增加了數控系統和相應的監控裝置等，應用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易于導致出現失效的概率增大；工業電網電壓的波動和干擾對數控機床的可靠性極為不利，而數控機床加工的零件型面較為復雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性，就要精心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環節。國外數控系統平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產數控系統平均無故障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內最高只有300小時。3.1.7加工過程綠色化

隨著日趨嚴格的環境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節能環保的機床不斷出現，并在不斷發展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節能環保機床加速發展，占領更多的世界市場。

本課題所論述的數控裝備及加工技術的現狀與未來，主要從機床設備硬件和加工技術應用兩個方面來論述，其主要內容包括：機床床身結構形式、傳動部件、伺服電