数控机床在发展和应用论文Revised on November 25, 2020网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：数控机床在我国发展和应用学习中心：层次：专科起点本科专业：机械设计制造及其自动化年级： 2011 年春季学号：学生：指导教师：徐磊完成日期：2013 年3月 4 日内容摘要本文以数控机床为研究对象，首先阐述了数控机床的发展历程，尤其对其进给伺服系统和机械传动系统的发展过程进行了详细描述，接下来对我国数控机床的发展现状与发展趋势进行了介绍，并分析了其存在的问题，最后提出了针对我国数控机床的发展策略。

关键词：变电站；直击雷防护；雷电侵入波防护；接地保护目录前言自20世纪末开始，我国制造业就开始了逐渐由制造大国向制造强国迈进了脚步，机床制造业也跟着取得数控机床快速增长的业绩。

机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，既是生产力要素，又是重要商品。

机床的发展和创新在一定程度上能映射出加工技术的主要趋势。

近年来, 我国在数控机床和机床工具行业对外合资合作进一步加强, 无论在精度、速度、性能, 还是智能化方面都取得了相当的成绩。

在国际贸易中, 很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的主要机电出口产品。

因此，对数控机床技术的发展历程进行总结分析，将有助于推进我国数控机床技术实现跨越式发展的目标。

1 数控机床的发展进程自上世纪50年代以来，世界数控机床主要经历了数控NC（Numerical Control）和计算机数控CNC（Computer Numerical Control）2个阶段[2]。

数控NC阶段主要经历了以下3代：第1代数控系统，始于50年代初年，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。

第2代数控系统，始于50年代末，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。

第3代数控系统，始于60年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，可靠性提高，推动了数控系统的进一步发展。

计算机数控CNC阶段也经历了3代：第4代数控系统，始于70年代，当首个采用小型计算机的CNC装置芝加哥展览会上露面时，标志着CNC技术的问世。

第5代数控系统，70年代后期，中、大规模集成电路技术所取得成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生，并逐步应用于数控系统。

第6代数控系统，始于90年代初，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人计算机(PC)为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。

数控机床通常由控制系统、进给伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。

其中进给伺服系统作为数控机床的重要功能部件，其性能是决定数控机床加工性能的极其重要的技术指标。

因此提高进给伺服系统的动态特性与静态特性的品质是人们始终追求的目标。

接下来主要介绍一下进给伺服系统和机械传动系统的发展历程。

进给伺服系统机床进给伺服系统，一般是上位置控制、速度控制、伺服电动机、检测部件以及机械传动机构五大部分组成。

但在习惯上，通常是将位置控制部分与数控装置做在一起，而且也不包括机械传动机构。

因此，习惯上所说的进给伺服系统，只是指速度控制、伺服电动机和检测部件三部分。

而且，将速度控制部分称之为伺服单元或驱动器。

按照伺服系统的结构特点，它通常有四种基本结构类型：开环、闭环、半闭环及混合闭环。

而在机床中应用得最为广泛的是半闭环结构，这是由于它的环路中非线性因素少，容易整定，可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度，而且电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强。

为了提高数控机床的性能，对机床用进给伺服系统提出了很高的要求。

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，所以对进给伺服系统的要求也不尽相同，但大致可概括为以下四个方面。

（1）高精度为了保证零件加工质量和提高效率，要保证数控机床的定位精度和加工精度。

因此，在位置控制中要求有高的定位精度，如5μm、1μm等；而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小。

（2）快响应为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小。

（3）宽调速范围它是指在额定负载时电动机能提供的最高转速与最低转速之比。

对于一般的数控机床而言，要求进给伺服系统能在0～24m/min下都能正常工作。

（4）低速大转矩根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，既要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。

为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件－－伺服电动机也提出了相应的要求，它们是：（1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。

（3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。

（4）电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。

机械传动系统机械传动的作用：机械传动的作用是传递运动和力，常用机械传动系统的的类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系等。

齿轮传动：齿轮传动是依靠主动齿轮依次拨动从动齿轮来实现的，其基本要求之一是其瞬时角速度之比必须保持不变。

齿轮传动的分类：齿轮传动的类型较多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类。

直齿圆柱齿轮轮齿的初始接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。

斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。

在直齿圆柱齿轮中，接触是平行于回转轴线的。

在斜齿轮中，该线是跨过齿面的对角线。

它是齿轮逐渐进行啮合并平稳的从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。

斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。

当轴向力变的大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使人字齿轮。

双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。

他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。

当两个或者跟多个单向斜齿轮在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。

蜗轮蜗杆传动：蜗轮蜗杆传动是用于传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力。

涡轮与交错轴斜齿轮相似。

小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于他们完全缠绕在节圆柱上，因此它们被称为螺纹齿。

与其相配的齿轮叫做涡轮，涡轮不是真正的齿轮。

蜗杆和涡轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。

涡轮不是斜齿轮，因此其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成先接触而不是点接触。

然而蜗杆涡轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。

带传动：带传动是通过中间挠性件（带）传递运动和动力。

带传动主要用于两轴平行而且回转方向相同的场合，这种传动称为开口传动。

链传动：链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，以链条作中间挠性件，靠链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。

链传动与带传动相比的主要特点：没有弹性滑动和打滑，能保持准确的传动比；需要张紧力较小，作用在轴上的压力也较小；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。

链传动与齿轮传动相比，其主要特点：制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差。

数控机床加工程序的结构数控车程序可以分成程序开始、程序内容和程序结束三部分内容。

第一部分程序开始部分主要定义程序号，调出零件加工坐标系、加工刀具，启动主轴、打开冷却液等方面的内容。

主轴最高转速限制定义G50S2000，设置主轴的最高转速为2000RPM，对于数控车床来说，这是一个非常重要的指令。

坐标系定义如不作特殊指明，数控系统默认G54坐标系。

返回参考点指令G28U0，为避免换刀过程中，发生刀架与工件或夹具之间的碰撞和/或干涉，一个有效的方法是机床先回到X轴方向的机床参考点，并离开主轴一段安全距离。

刀具定义G0T0808M8，自动调8号左偏刀8号刀补，开启冷却液。

主轴转速定义G96S150M4，恒定线速度S功能定义，S功能使数控车床的主轴转速指令功能，有两种表达方式，一种是以r/min或rpm作为计量单位。

另一种是以m/min为计量单位。

数控车床的S代码必须与G96或G97配合使用才能设置主轴转速或切削速度。

G97：转速指令，定义和设置每分钟的转速。

G96：恒线速度指令，使工件上任何位置上的切削速度都是一样的。

第二部分程序内容部分程序内容是整个程序的主要部分，由多个程序段组成。

每个程序段由若干个字组成，每个字又由地址码和若干个数字组成。

常见的为G指令和M指令以及各个轴的坐标点组成的程序段，并增加了进给量的功能定义。

F功能是指进给速度的功能，数控车床进给速度有两种表达方式，一种是每转进给量，即用mm/r单位表示，主要用于车加工的进给。

另一种和数控铣床相同采用每分钟进给量，即用mm/min单位表示。

主要用于车铣加工中心中铣加工的进给。

第三部分程序结尾部分在程序结尾，需要刀架返回参考点或机床参考点，为下一次换刀的安全位置，同时进行主轴停止，关掉冷却液，程序选择停止或结束程序等动作。

回参考点指令G28U0为回X轴方向机床参考点，为回Z轴方向参考点。

停止指令M01为选择停止指令，只有当设备的选择停止开关打开时才有效；M30为程序结束指令，执行时，冷却液、进给、主轴全部停止。

数控程序和数控设备复位并回到加工前原始状态，为下一次程序运行和数控加工重新开始做准备。

2 数控机床的发展趋势进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。

机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。

随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。

数控机床正向高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等方面发展。

为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。

（1）高速化随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。

a. 主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达 200000r/min；主轴转速： b. 进给率：在分辨率为 m 时，最大进给率达到 240m/min 且可获得复杂型的进给率：精确加工； c. 运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保运算速度：障，开发出 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。