874381033我国数控技术的现状及发展趋势.doc

目 录一、数控技术的发展作用 2（一）可以解决高精度复杂零件加工问题 3（二）可以为产品增强市场竞争力3（三）改进产品质量、提高生产效率3（四）可以降低成本、提高生产质量3（五）可以自动编程减轻工人负担3二、我国数控技术的发展及阶段 3三、我国数控技术的发展趋势 4（一）高速、高精加工技术及装备的新趋势 4（二）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势5（三）5轴联动加工和复合加工机床快速发展6（四）自动编程技术的应用 6四、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 7（一）战略考虑7（二）发展策略7五、参考文献 9构建数控技术的思考摘要：机械工业是我国国民经济的重要支柱产业，必须改变早期生产过程操作与控制实施主要由人来完成造成的金字塔式管理结构，其中关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综合生产指标优化。 关键词：机械,自动化系统一、 数控技术的发展作用 数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。一般数控系统由输入/输出(I/O)装置、数字控制系统、驱动控制装置、电器逻辑控制执行装置等4个部分组成。数控机床就是采用了数控系统的机床，是高效率、高精度、高柔性和高度自动化的现代机械加工设备，是高度机电一体化的产品.但是随着信息化程度的逐步提高，对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展，为了产品在市场上增强竞争力，提高综合效益，现在人们考虑更多的是把传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下，思考如何用信息化技术去促进工业自动化快速向高端发展。在全球市场环境影响和推动下，改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长，生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，产品只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。    制造工业发展面临众多挑战，关键问题是如何构建综合自动化系统来实现扁平化管理和综合生产指标优化。生产指标优化系统和集成支撑系统由ERP、MES和PCS组成，其主要功能是将综合生产指标转化为生产计划、作业计划，作业计划转化为作业标准,作业标准转化为生产指令，由操作者去操作和控制生产过程。综合生产指标优化系统由综合生产指标优化子系统、工艺指标优化子系统和过程控制子系统等三层结构组成。综合生产指标优化系统的功能将综合生产指标分解为生产计划、作业计划、工艺指标、控制回路优化设定值，一般采用混合智能优化控制策略，在实现模式上是将智能行为和常规控制方法相结合。（一） 可以解决高精度复杂零件加工问题，可以加工那些比较复杂精明零件从而完成人工无法完成的零件加工（二） 可以为产品增强市场竞争力，数控加工能更好的提高产品质量从而为产品提 高产品在市场上的竞争力 （三） 改进产品质量、提高生产效率，数控加工以精密的加工及快速的加工速度来提高产品质量和生产效率（四） 可以降低成本、提高生产安全，数控加工高效率高质量从而为企业降低成本，全自动化加工提高了生产的安全（五） 可以自动编程减轻工人负担，这种编程方法是直接面向零件的几何图形，不需进行复杂的数学计算，不需要用具体的语言描述零件的几何形状，具有直观、简便、准确和便于检查的优点二、 我国数控技术的发展及阶段我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。 纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。 b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 三、我国数控技术的发展趋势（一）高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 （二）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 （三）5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。（四）自动编程技术的应用 数控自动编程技术受到广泛关注，各国的专家学者都在潜心研究自动编程系统。数控加工是指在数控机床上按事先编制好的程序，对零件进行自动加工的一种加工工艺方法，零件加工的最终效果直接取决于数控程序编制的效率和准确率。数控编程是目前提高加工精度、表面加工质量、加工效率以及实现生产自动化最重要的一环，在制造业中有应用广泛。数控编程分为手工编程和自动编程，对于那些程序量大、轨迹计算复杂的零件，根本不可能采用手工编程，即使能编制出加工程序，其低下的效率亦根本不能满足市场的需求。受飞速发展的技术革命的巨大冲击，传统的机械设计和制造方式发生了根本性的变化，产品的设计生产周期越来越短，逐渐向小批量、多品种、高精高效加工的方向发展。特别是随着计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术的推广和计算机数控加工技术的广泛应用，计算机辅助自动编程势在必行。自动编程是用计算机代替编程人员完成编程工作，自动生成加工指令，解决一些人工编程难以解决的难题，充分利用计算机计算速度快而准的特点，可极大地提高编程的效率和准确率。 四、对我国数控技术和产业化发展的战略思考（一）战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 （二）发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。 参考文献：1 中国机床工具工业协会 行业发展部.CIMT2001巡礼J.世界制造技术与装备市场，2001(3)：18-20.2 梁训王宣 ,周延佑.机床技术发展的新动向J.世界制造技术与装备市场，2001(3)：21-28.3 中国机床工具工业协会 数控系统分会.CIMT2001巡礼J.世界制造技术与装备市场，2001(5)：13-17.4 杨学桐，李冬茹，何文立，等 距世纪数控机床技术发展战略研究M.北京：国家机械工业局，2000.