數(shù)控畢業(yè)設計論文

　　【1】數(shù)控技術與產業(yè)發(fā)展途徑探討作者周凱

　　數(shù)控技術和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎。

　　這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力，關系到一個國家的戰(zhàn)略地位。

　　因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)。

　　在我國，數(shù)控技術與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。

　　特別是在通用微機數(shù)控領域，以PC平臺為基礎的國產數(shù)控系統(tǒng)，已經走在了世界前列。

　　但是，我國在數(shù)控技術研究和產業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特別是在技術創(chuàng)新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。

　　在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數(shù)控領域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數(shù)控研究開發(fā)部門和生產廠家所面臨的重要任務。

　　為完成此任務，首先必須確立符合中國國情的發(fā)展道路。

　　為此，本文從總體戰(zhàn)略和技術路線兩個層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發(fā)展途徑。

　　1　總體戰(zhàn)略

　　制定符合中國國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，對21世紀我國數(shù)控技術與產業(yè)的發(fā)展至關重要。

　　通過對數(shù)控技術和產業(yè)發(fā)展趨勢的分析和對我國數(shù)控領域存在問題的研究，我們認為以科技創(chuàng)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(xù)發(fā)展道路將是一種符合我國國情的發(fā)展數(shù)控技術和產業(yè)的總體戰(zhàn)略。

　　1.1　以科技創(chuàng)新為先導

　　中國數(shù)控技術和產業(yè)經過40多年的發(fā)展，從無到有，從引進消化到擁有自己獨立的自主版權，取得了相當大的進步。

　　但回顧這幾十年的發(fā)展，可以看到我們在數(shù)控領域的進步主要還是按國外一些模式，按部就班地發(fā)展，真正創(chuàng)新的成分不多。

　　這種局面在發(fā)展初期的起步階段，是無可非議的。

　　但到了世界數(shù)控強手如林的今天和知識經濟即將登上舞臺的新世紀，這一常規(guī)途徑就很難行通了。

　　例如，在國外模擬伺服快過時時，我們開始搞模擬伺服，還沒等我們占穩(wěn)市場，技術上就已經落后了;在國外將脈沖驅動的數(shù)字式伺服打入我國市場時，我們就跟著搞這類所謂的數(shù)字伺服，但至今沒形成大的市場規(guī)模;近來國外將數(shù)字式伺服發(fā)展到用網絡(通過光纜等)與數(shù)控裝置連接時，我們又跟著發(fā)展此類系統(tǒng)，前途仍不樂觀。

　　這種老是跟在別人后面走，按國外已有控制和驅動模式來開發(fā)國產數(shù)控系統(tǒng)，在技術上難免要滯后，再加上國外公司在我國境內設立研究所和生產廠，實行就地開發(fā)、就地生產和就地銷售，使我們的產品在性能價格比上已越來越無多大優(yōu)勢，因此要進一步擴大市場占有率，難度自然就很大了。

　　為改變這種現(xiàn)狀，我們必須深刻理解和認真落實“科學技術是第一生產力”的偉大論斷，大力加強數(shù)控領域的科技創(chuàng)新，努力研究具有中國特色的實用的先進數(shù)控技術，逐步建立自己獨立的、先進的技術體系。

　　在此基礎上大力發(fā)展符合中國國情的數(shù)控產品，從而形成從數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件到種類齊全的數(shù)控機床整機的完整的產業(yè)體系。

　　這樣，才不會被國外牽著鼻子，永遠受別人的制約，才有可能用先進、實用的數(shù)控產品去收復國內市場，打開國際市場，使中國的數(shù)控技術和數(shù)控產業(yè)在21世紀走在世界的前列。

　　1.2　在商品化上狠下工夫

　　近幾年我國數(shù)控產品雖然發(fā)展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。

　　就數(shù)控系統(tǒng)而言，國產貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現(xiàn)國產數(shù)控系統(tǒng)用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產的國產數(shù)控機床大多數(shù)用的都是國外的系統(tǒng)。

　　這當然不是說舊機床的數(shù)控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數(shù)控系統(tǒng)與國外相比還存在相當大的差距。

　　影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床商品化的主要因素除技術性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實用性。

　　以往，一些數(shù)控技術和產品的研究、開發(fā)部門，所追求的往往是一些體現(xiàn)技術水平的指標(如多少通道、多少軸聯(lián)動、每分鐘多少米的進給速度等等)，而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。

　　從而出現(xiàn)某些產品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。

　　但這些高指標、高性能的產品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現(xiàn)不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。

　　這說明，高指標、高性能的樣機型的產品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個高指標、高性能的產品變?yōu)橐粋�有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。

　　另一方面，數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床不像家電類產品那樣易于大批量生產，應用環(huán)境也不那么簡單。

　　數(shù)控產品是在生產環(huán)境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。

　　如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透，就難以將產品設計得很完善。

　　而且數(shù)控產品的某些問題在開發(fā)、試用，甚至鑒定時都難以發(fā)現(xiàn)。

　　這就造成，同樣型號的數(shù)控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳。

　　或者同樣型號的數(shù)控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。

　　出現(xiàn)這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數(shù)控產品本身潛在問題的暴露。

　　為解決這一問題，國外一些公司設立了專門機構來測試考驗自己的產品，如為考驗新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，廠家自己設計和從生產實際中收集了大量零件程序，讓數(shù)控系統(tǒng)運行各種各樣的程序，一旦發(fā)現(xiàn)問題，即立即反饋給開發(fā)部門予以解決。

　　經過這樣的測試考驗過程后，數(shù)控系統(tǒng)的潛在問題就大為減少。

　　以往，我們的產品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。

　　好些問題要等到用戶去給我們挑出來。

　　這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產數(shù)控產品的聲譽。

　　因此，我們應充分重視上述問題，在商品化上切實狠下工夫，將其作為數(shù)控產業(yè)的主干來抓，貫穿于技術研究、產品開發(fā)、試制、生產等的全過程中，從而將我們已有的技術水平較高的數(shù)控產品變成真正有市場的好商品。

　　1.3　將管理和營銷作為產業(yè)發(fā)展重點

　　經過20來年市場風雨的沖擊，國人已越來越認識到，技術固然重要，但在市場經濟的環(huán)境下，要在激烈的全球競爭中獲勝，管理和營銷就顯得更為重要。

　　例如，我國臺灣生產的數(shù)控機床不但占領了大陸市場的相當大的份額，而且還打進了美國市場。

　　是臺灣數(shù)控機床的技術和質量超過美國了嗎?顯然不是。

　　那他們靠的是什么?重要的一條就是在企業(yè)管理和產品營銷上下了工夫。

　　而我們長期以來把主要精力放在開發(fā)技術和提高水平上，忽視了經營管理、市場開拓、產品營銷等方面的工作，結果在新技術、新產品開發(fā)出來以后，在產品質量提高以后，企業(yè)仍然處于產品銷售不暢的困境[1]。

　　國內外的經驗說明，數(shù)控產品的競爭力不僅取決于技術，更取決于經營管理能力和營銷能力。

　　因此，從現(xiàn)在起我們應將管理和營銷作為產業(yè)發(fā)展重點，真正擺脫計劃經濟時代所遺留下來的思維方式和工作習慣的束縛，建立適應市場的高效、靈敏的運行機制和有效的激勵機制。

　　通過這種機制，一方面切實加強企業(yè)管理，激發(fā)企業(yè)負責人和廣大職工的負責精神、創(chuàng)造精神和獻身精神，努力提高產品的競爭能力;另一方面充分調動企業(yè)內外、行業(yè)內外一切積極因素，大力加強市場開拓力度，奮力打通營銷渠道。

　　可以堅信，有過硬競爭力的產品，再加上北京開關廠那樣的“找、掙、鉆、搶”精神，我們就一定能在市場競爭中取得勝利。

　　1.4　大力加強技術支持和服務

　　數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床作為典型的高技術產品，對用戶的技術支持和服務是相當重要的。

　　以前國產數(shù)控產品喪失信譽的原因，除可靠性問題外，另一大問題就是缺乏有力的技術支持和服務。

　　用戶花了很多錢買的數(shù)控機床或數(shù)控系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問題卻叫天天不應，叫地地不靈，以后誰還敢買我們的產品。

　　因此，應將對用戶的技術支持和服務當成重要的日常工作來抓，使我們在市場上向縱深挺進時，有一個強大后方。

　　因此，為了取得數(shù)控產品市場競爭的全面勝利，必須建立以技術支持和服務為核心的強大后方。

　　當然，為贏得主動，后方也須主動出擊。

　　目前，利用先進的信息技術手段(如網絡和多媒體)，將為建立新一代立體化的技術支持和服務體系開辟新的途徑。

　　1.5　堅持可持續(xù)發(fā)展道路

　　可持續(xù)發(fā)展是下一世紀企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，我國數(shù)控產業(yè)要有大的發(fā)展也必須堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路。

　　綠色是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，其主要思想是清潔和節(jié)約。

　　為此應大力加強綠色數(shù)控產品的開發(fā)，加速促進數(shù)控產品、數(shù)控產業(yè)以及整個制造業(yè)的綠色化，主要戰(zhàn)略措施應考慮以下幾方面：①有效減少產品制造及使用過程中的環(huán)境污染。

　　如減少數(shù)控機床的鑄件結構，消除鑄造對環(huán)境的污染;將數(shù)控機床主軸的潤滑以油氣潤滑、噴油潤滑等取代油霧潤滑，減少對生產環(huán)境的污染;在精密數(shù)控機床及其運行環(huán)境的溫度控制中取消氟利昂制冷的恒溫技術;以電傳動代替機械傳動，減少噪聲污染。

　　②大幅度降低資源消耗和能源消耗。

　　如以軟件代替硬件，從而減少硬件制造的資源和能源消耗及污染，并減少產品壽命結束后硬件裝置的拆卸回收問題;以永磁驅動代替感應驅動，提高效率和功率因數(shù)，節(jié)約能源;以電傳動代替機械傳動，提高效率，減少能源消耗。

　　③加強用數(shù)控技術改造傳統(tǒng)機床。

　　這既符合運用信息技術和自動化技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，使傳統(tǒng)產業(yè)生產技術和裝備現(xiàn)代化這一產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標得以實現(xiàn)，又可取得巨大的經濟效益。

　　我國擁有普通機床數(shù)百萬臺，加強用數(shù)控技術改造傳統(tǒng)機床將成為下世紀我國數(shù)控領域的重要發(fā)展方向。

　　④大力發(fā)展綠色數(shù)控機床。

　　綠色數(shù)控機床應是材料消耗少、能耗低、無污染，壽命長且便于拆卸回收的新型機床。

　　例如，以并聯(lián)結構代替串聯(lián)結構就是開發(fā)綠色數(shù)控機床的一條途徑，這是因為并聯(lián)結構機床消耗的金屬材料僅為常規(guī)串聯(lián)結構機床的幾分之一，其加工量也比常規(guī)機床大幅度減少，特別是消除了大型結構件的鑄造，這將顯著降低機床制造過程中的能源消耗和對環(huán)境的污染。

　　此外，并聯(lián)結構機床有利于采用電傳動，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。

　　國際標準化組織制定了ISO14000環(huán)境管理標準，全球環(huán)境問題“法律化”的趨勢正在進一步發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展將成為企業(yè)通向國際市場的通行證[2]。

　　因此，我們的數(shù)控產品要在下一世紀走向國際市場，我們的企業(yè)就必須“從我做起，從現(xiàn)在做起”。

　　2　技術途徑

　　2.1　發(fā)展具有中國特色的新一代PC數(shù)控系統(tǒng)

　　數(shù)控系統(tǒng)是各類數(shù)控裝備的核心，因此通過科技創(chuàng)新首先發(fā)展具有中國特色的新型數(shù)控系統(tǒng)，將是推動數(shù)控產業(yè)化進程的有效技術途徑。

　　實踐證明，10年來我們所走的PC數(shù)控道路是完全正確的。

　　PC機(包括工業(yè)PC)產量大、價格便宜，技術進步和性能提高很快，且可靠性高(工業(yè)PC主機的MTBF已達30年[3])。

　　因此，以其作為數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯(lián)網通訊等。

　　此外，以通用微機作為數(shù)控平臺還可獲得快速的技術進步，當PC機升級換代時，數(shù)控系統(tǒng)也可相應升級換代，從而長期保持技術上的優(yōu)勢，在競爭中立于不敗之地。

　　目前，PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結構有2種主要形式：(1)專用數(shù)控加PC前端的復合式結構;(2)通用PC加位控卡的遞階式結構。

　　另外還有一種正在發(fā)展的數(shù)字化分布式結構。

　　其方案是將由DSP等組成的數(shù)字式伺服通過以光纜等為介質的網絡與數(shù)控裝置連接起來，組成一完整的數(shù)控系統(tǒng)。

　　這種系統(tǒng)雖然性能很好，但由于開發(fā)和生產成本太高，近期難以被國內廣大用戶所接受。

　　我們認為，上述結構并不是符合中國國情的最好方案，適合中國國情的應是將所有數(shù)控功能全軟件化的集成式結構，因為這種結構的硬件規(guī)模最小，不但有利于降低系統(tǒng)成本，而且更重要的是可以有效提高系統(tǒng)的可靠性。

　　幾十年的經驗表明，可靠性好壞是國產數(shù)控系統(tǒng)能否發(fā)展的關鍵。

　　雖然影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，但過大的硬件規(guī)模和較低的硬件制造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。

　　以往，國產數(shù)控系統(tǒng)在總體設計時由于種種原因的限制，不得不選用技術指標不太高的普通CPU，這樣，為完成數(shù)控的復雜功能往往需要由多個CPU來組成系統(tǒng)，有時還需另加一些專用或通用硬件電路來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的一些高實時性功能(如細插補、位置伺服控制等)，從而造成系統(tǒng)硬件規(guī)模龐大。

　　對于數(shù)控系統(tǒng)這種批量不大的產品，在國內現(xiàn)有工藝條件下，很難從硬件制造的角度保證系統(tǒng)的可靠性，因而使得國產數(shù)控系統(tǒng)在生產現(xiàn)場的表現(xiàn)不佳，對國產數(shù)控系統(tǒng)的形象和聲譽造成嚴重影響，使得不少用戶現(xiàn)在還心有余悸。

　　因此，我們在開發(fā)新型數(shù)控系統(tǒng)時，應優(yōu)先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium II、Pentium III等)作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控的所有功能。

　　這樣，可大幅度減小系統(tǒng)硬件的規(guī)模。

　　此外，還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面采用強抗擾高可靠性設計與制造技術，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。

　　由于一個新型高性能CPU可以代替數(shù)十個普通CPU(如80286、80386等)，因此，在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能(如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等)和開關量控制功能(內裝PLC)，而且還可以完成伺服控制功能。

　　這樣，以前由DSP完成的數(shù)字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成，從而實現(xiàn)內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數(shù)控部分的硬件規(guī)模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規(guī)模。

　　這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數(shù)控系統(tǒng)，其硬件規(guī)模將達到最小化，整個數(shù)控系統(tǒng)除一個PC平臺外，剩下的只有驅動機床運動的功率接口和反饋接口。

　　這既有效提高了系統(tǒng)可靠性，又消除了信息傳遞瓶頸，提高了系統(tǒng)性能，同時還可顯著降低系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)(包括電機)售價將可降至現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)的一半左右。

　　顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數(shù)控系統(tǒng)將具有極強的競爭力，有望為開創(chuàng)中國數(shù)控的新局面作出貢獻。

　　此外，集成化PC數(shù)控系統(tǒng)還有一大優(yōu)點，就是容易實現(xiàn)開放式結構。

　　這是因為，這種系統(tǒng)的硬件本身已經是完全開放的，構成開放式數(shù)控系統(tǒng)的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協(xié)議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現(xiàn)開放，從而可大大方便用戶的使用。

　　2.2　推進數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產

　　解決數(shù)控系統(tǒng)問題后，如何實現(xiàn)數(shù)控機床的模塊化設計與制造便是我國機床制造企業(yè)快速響應市場需求，在競爭中獲勝的另一關鍵。

　　要實現(xiàn)數(shù)控機床的模塊化設計制造，必須解決數(shù)控機床功能部件的專業(yè)化生產問題。

　　目前我國在這方面離實際需求還有相當大的差距。

　　因此，在今后的若干年內，我們必須大力促進數(shù)控機床功能部件的開發(fā)和專業(yè)化生產。

　　其要點如下：

　　(1)新型永磁電主軸單元　 電主軸已成為國際市場上最熱門的數(shù)控機床功能部件。

　　但目前這類產品幾乎都為感應異步型，存在以下突出問題：①轉子上存在繞組，有大電流流過，因此轉子發(fā)熱嚴重，直接影響主軸精度;②低速出力小且轉矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求;③效率和功率因素低，不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多;④控制系統(tǒng)復雜、成本高。

　　因此，利用我國稀土永磁材料的優(yōu)勢，開發(fā)新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現(xiàn)有電主軸存在的問題，形成具有中國特色的新一代電主軸產品。

　　由于永磁電主軸的機械結構和控制系統(tǒng)都較感應異步型電主軸簡單，因此易于進行專業(yè)化大規(guī)模生產。

　　當然，這還要攻克主軸支承(陶瓷軸承、流體動靜壓軸承、磁懸浮軸承)技術、高精度高速動平衡技術、高速驅動、檢測與控制技術、高可靠性安全保證技術等關鍵技術。

　　(2)廉價的高性能伺服系統(tǒng)　目前，一套進給交流伺服系統(tǒng)(驅動器+電機)的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統(tǒng)的價格高達數(shù)萬元，已成為降低國產數(shù)控機床成本的一大障礙。

　　因此，應配合新型集成化國產數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，大力開發(fā)廉價的高性能內裝式伺服系統(tǒng)。

　　由于內裝式伺服的硬件部分只有電機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優(yōu)勢，通過專業(yè)化生產可以把電機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜，因此將內裝式進給伺服的價格控制在數(shù)千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。

　　(3)直線交流伺服系統(tǒng)　 直線交流伺服系統(tǒng)是下一世紀數(shù)控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究、開發(fā)和推廣應用。

　　考慮到常規(guī)機床的防磁問題較難解決，而并聯(lián)機床的防磁相對容易，因此可為常規(guī)結構機床開發(fā)感應異步型直線電機，為并聯(lián)結構機床開發(fā)永磁同步型直線電機，從而揚長避短，構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統(tǒng)。

　　在此基礎上，可進一步開發(fā)將驅動與支承合二為一的磁懸浮工作臺。

　　(4)零傳動數(shù)控轉臺與擺頭　 數(shù)控轉臺與擺頭是多坐標數(shù)控機床的關鍵部件，傳統(tǒng)的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度，因而必須另辟蹊徑開發(fā)新型零傳動(無機械傳動鏈)數(shù)控轉臺和擺頭，以促進我國高速高精度多坐標數(shù)控機床的發(fā)展。

　　(5)高速高精度檢測裝置　 高速高精度是下世紀數(shù)控機床發(fā)展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動，同時還需要高品質的檢測環(huán)節(jié)，因此應在現(xiàn)有技術基礎上，進一步開發(fā)0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器，此類技術國外對我國是封鎖的。

　　2.3　加速數(shù)控機床的全國產化，打好市場翻身仗

　　數(shù)控產業(yè)化的最終成功將體現(xiàn)在數(shù)控機床的全國產化和市場占有率上。

　　在上述總體戰(zhàn)略指導下，采取抓兩頭(低價位數(shù)控機床和高速高效數(shù)控機床)、帶中間(普通數(shù)控機床)、促重型(重型關鍵裝備)的方針，將是在國內市場上快速收復失地，在國際市場上穩(wěn)步進軍，最終打贏國產數(shù)控機床市場翻身仗的一種有效戰(zhàn)術和策略。

　　關于普通數(shù)控機床的發(fā)展已有許多文章作了專門論述，因此下面僅就低價位數(shù)控機床、高速高效數(shù)控機床和重型數(shù)控機床的發(fā)展問題作一討論。

　　(1)大力發(fā)展低價位數(shù)控機床　 低價位機床是功能滿足用戶要求(無功能浪費)、技術指標適中、可靠性好、價格便宜的普及型數(shù)控機床。

　　這類機床已成為國際市場上數(shù)控機床的發(fā)展趨勢之一，也是國內眾多用戶渴求的產品，其市場前景相當廣闊。

　　然而，如果采用國外數(shù)控系統(tǒng)(包括伺服)按照傳統(tǒng)思路來發(fā)展低價位機床，是很難將價格降至廣大用戶所能接受的水平的。

　　因此，采用本文提出的新型集成化國產數(shù)控系統(tǒng)來發(fā)展高性能的低價位數(shù)控機床，將是一條最有希望成功的道路。

　　只要有一定批量，由此構成的全國產普及型數(shù)控車床的售價完全可以控制在10萬元以內，三坐標數(shù)控銑床可控制在15萬元左右，加工中心可控制在20萬元左右。

　　此價位的國產數(shù)控機床將是具有較強競爭力的。

　　(2)加速開發(fā)高速高效數(shù)控機床　 高速高效是數(shù)控機床發(fā)展的另一大潮流。

　　發(fā)展高速高效數(shù)控機床的技術途徑可有以下幾條：①通過提高切削速度和進給速度，從而達到成倍提高生產效率，有效提高零件的表面加工質量和加工精度并解決常規(guī)加工難以解決的某些特殊材料(如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼)和特殊形狀零件(如復雜薄壁零件)的高效加工問題。

　　②通過工藝復合，減少工件的安裝次數(shù)，有效縮短搬運和裝夾時間。

　　例如，將五面五軸加工中心與立車復合構成萬能加工中心，可實現(xiàn)一次裝卡完成零件的大部分(或全部)加工。

　　③采用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實現(xiàn)不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數(shù)，提高加工效率。

　　④為數(shù)控機床開發(fā)智能尋位加工功能，消除對精密夾具和人工找正的依賴，有效縮短單件小批加工的準備時間。

　　在我國現(xiàn)實條件下如果沿用傳統(tǒng)思路是難以實現(xiàn)上述途徑的，因此，必須立足國情，結合實際勇于創(chuàng)新，大膽探索新的道路。

　　考慮到常規(guī)數(shù)控機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案，一方面由于機床傳動環(huán)節(jié)剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大，使運動部件難以獲得高的進給速度;另一方面由于工件、夾具和工作臺的總質量比較大，使之難以獲得高的加速度。

　　此外，傳統(tǒng)機床結構是一種串聯(lián)開鏈結構，組成環(huán)節(jié)多、結構復雜，并且由于存在懸臂部件和環(huán)節(jié)間的聯(lián)接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應高速高效加工的特殊要求。

　　為此，開發(fā)國產高速高效數(shù)控機床時，可采用工件固定，以直線電機組成并聯(lián)短鏈直接驅動主軸和刀具運動、將高速高精度傳動與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結構。

　　采用該結構的高速高效數(shù)控機床不但速度高、剛度高，如果在傳動與控制上處理得當，可以達到比常規(guī)機床更高的加工精度和加工質量，而且具有機械結構簡單，零部件通用化、標準化程度高，制造成本低，易于經濟化批量生產等顯著優(yōu)點。

　　因此，沿此思路發(fā)展高速高效數(shù)控機床將是一條符合國情、易于取得成功的道路。

　　(3)突破重型數(shù)控機床的設計制造技術　 重型數(shù)控機床(特別是多坐標重型數(shù)控機床)是國民經濟和國防生產中的重大關鍵設備，屬于戰(zhàn)略物資，真正先進的重型數(shù)控機床國外是不可能賣給我們的，因此，在我國下世紀數(shù)控產品的發(fā)展中必須依靠自己的力量進行解決。

　　發(fā)展重型數(shù)控機床必須有過硬的基礎，我們在數(shù)控機床國產化的進程中應不斷總結經驗，加強基礎技術和關鍵技術研究，充分發(fā)揮我國產學研相結合的優(yōu)勢，各部門通力合作、共同努力，爭取在下世紀初取得突破性進展。

　　目前，在發(fā)展重型數(shù)控機床中除需加強基礎理論研究外，還應加強其關鍵技術研究。

　　例如，重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關鍵問題。

　　因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢，為了確保機床工作可靠，在數(shù)控系統(tǒng)中可采用雙(或多)CPU冗余工作方案，以確保運算和控制的絕對正確，并在出現(xiàn)故障時自動診斷、自動修復或自動替補，確保加工不出問題。

　　此外，在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統(tǒng)供電時，可對另一組電池進行充電，電網與控制系統(tǒng)是完全隔離的。

　　這就徹底消除了重型車間中電網電壓波動厲害、干擾嚴重對數(shù)控系統(tǒng)造成的影響，從而有效保證系統(tǒng)的可靠性。

　　又如，重型數(shù)控機床的驅動也是一大關鍵問題。

　　當行程長度超過5 m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動，因此目前一般采用預加負載的雙齒輪-齒條機構、靜壓蝸桿-蝸母條機構、四足(或雙足)爬行進給機構等來實現(xiàn)長行程傳動。

　　但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動態(tài)性能差、難以達到高精度、維護保養(yǎng)復雜等問題。

　　為此可發(fā)展陣列式高效直線電機直接驅動技術和空間并聯(lián)機構驅動技術，以新的途徑來解決重型數(shù)控機床的高速、高精度驅動問題。

　　除此之外，機床結構的優(yōu)化設計、長行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償?shù)纫彩侵匦蛿?shù)控機床中必須解決的關鍵問題，必須予以充分重視。

　　3　結語

　　制定符合中國國情的總體發(fā)展戰(zhàn)略，確立與國際接軌的發(fā)展道路，對21世紀我國數(shù)控技術與產業(yè)的發(fā)展至關重要。

　　本文在對數(shù)控技術和產業(yè)發(fā)展趨勢的分析，對我國數(shù)控領域存在的問題進行研究的基礎上，對21世紀我國數(shù)控技術和產業(yè)的發(fā)展途徑進行了探討，提出了以科技創(chuàng)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(xù)發(fā)展道路的總體發(fā)展戰(zhàn)略。

　　在此基礎上，研究了發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機床整機等的具體技術途徑。

　　我們衷心希望，我國科技界、產業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識經濟給我們帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，為在21世紀使我國數(shù)控技術和產業(yè)走向世界的前列，使我國經濟繼續(xù)保持強勁的發(fā)展勢頭而共同努力奮斗!

　　作者簡介

　　周　凱　男，1954年生。

　　清華大學(北京市　100084)精密儀器與機械學系副教授、工學博士。

　　主要從事數(shù)控技術、機電控制工程、制造科學與制造系統(tǒng)等方面的研究工作。

　　取得科研成果15項。

　　發(fā)表論文70余篇。

　　參考文獻

　　1　楊皖蘇，嚴鴻和.機械科學與技術,1997，26(4):1～6

　　2　陳玉祥.中國機械工程, 1998，9(5):1～4

　　3　周延佑.中國機械工程,1998，9(5): 5～24

　　【2】一種典型零件的數(shù)控銑削仿真加工

　　論文 關鍵詞:機床 數(shù)控銑削 三維仿真 虛擬現(xiàn)實

　　論文摘要:介紹了一種典型零件的數(shù)控銑削仿真加工，采用CAXA軟件生成NC代碼，利用CAXA軟件的CAM功能進行數(shù)控仿真，然后加載到VNUC仿真軟件的 計算 機模擬機床里，模擬真實機床運動，最后通過數(shù)據(jù)線將G代碼傳輸?shù)綄嶋H機床，形成“虛擬+現(xiàn)實”的仿真模式。

　　這種模式彌補了CAD/CAM軟件數(shù)控仿真的種種不足，將虛擬的機床運動與實際的數(shù)控操作融為一體，可使用戶既掌握數(shù)控銑削加工的基本原理，又掌握數(shù)控系統(tǒng)操作的基本技能。

　　中國論文聯(lián)盟www.LWLM.com編輯。

　　現(xiàn)代 機械制造所需要的大量數(shù)控技術人才主要來自相關專業(yè)的大中專院校及培訓機構。

　　為滿足實踐性教學培訓的需求，需要建立專門的機加工實訓基地投人大量的數(shù)控設備及場地，其成本非常高昂;并且學生在操作初學階段，非常容易發(fā)生刀具與工件、夾具 、機床的干涉和碰撞現(xiàn)象，既造成 了易耗品的浪費，又使實訓教師勞動強度加大，造成人力的浪費。

　　因此 ，某職業(yè)技術學院對數(shù)控初學階段的學生首先安排在數(shù)控仿真室進 行學習，然后再采 用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，vn)技術實行課堂、實習指導一體化化教學。

　　VR技術主要利用計算機對機械制造的作業(yè)環(huán)境、過程進行完全可視化模擬 ，評價各個焦點對象 (機床、待加工件、刀具等 )的運動 ;然后通過數(shù)據(jù)線將 G代碼傳輸?shù)綄嶋H機床 ，使傳統(tǒng)的 VR技術與現(xiàn)實場景結合起來 ，形成 “虛擬 +現(xiàn)實”的模式。

　　作者：王亞輝 趙冬晗

　　圖 1為 “虛擬 +現(xiàn)實”示意圖。

　　作者僅從計算機虛擬動畫技術來模擬實際的銑削加工。

　　1 典型零件結構和 CAXA軟件數(shù)控仿真加工

　　1.1 典型零件結構

　　圖2所示為數(shù)控銑削加工零件。

　　該零件長度為120mm，寬度為 100mm，厚度為 20mm，除了需要加工上面的成型面外，還要加工兩個深孔，采用的毛坯材料為45鋼。

　　1.2 零件的數(shù)控模擬仿真

　　數(shù)控機床通過零件程序對其加工過程進行控制零件程序的正確與否直接決定加工質量和效率的高低，而且不正確的加工程序還會導致生產事故。

　　零件程序的檢驗方法有幾種。

　　方法之一是在正式加工前讓機床空運行，空運行只能對機床運動是否正確即有無干涉碰撞作粗略的估計;而若用實物試切的方法，則可對加工過程是否正常及加工結果是否滿足要求作出較準確的判斷。

　　但試切是一項費時且昂貴的工作，其效率很低而且需要增加生產成本，此外試切過程的安全性也得不到保障。

　　在計算機上利用三維圖形技術對數(shù)控加工過程進行模擬仿真，可以快速、安全和有效地對NC程序迅速進行修改，免除反復試切過程，降低材料消耗和生產成本，提高工作效率。

　　因此，數(shù)控加工過程中的計算機仿真是 NC程序高效、安全和有效的檢驗方法。

　　1.2.1 CAM軟件生成刀具軌跡，輸出 NC程序代碼

　　毛坯是用來選擇刀具、確定切削用量和計算粗加工刀具軌跡的重要依據(jù)。

　　在完成零件造型設計之后，選擇加工定義毛坯命令，彈出定義毛坯對話框，在毛坯定義中選擇參照模型方式，則毛坯尺寸調整 為120mm×100mm X 20mm，如圖 3所示。

　　首先選擇等高線加工的加工方式。

　　然后設置軟件要求的一些參數(shù)，諸如加工邊界、刀具參數(shù)、走刀方式、切削用量參數(shù)等，再由編程人員在屏幕上拾取要加工的實體邊界，最后由 CAM軟件自動生成刀具加工軌跡，如圖4所示，再經后置處理，生成 NC程序代碼，NC程序代碼如圖5所示。

　　1.2.2 CAM軟件三維加工仿真

　　CAM軟件自動生成 NC程序代碼之后，軟件要進行語法檢錯與譯碼，轉換成仿真模塊所接受的格式，然后刀具軌跡 計算 模塊計算刀具軌跡，驅動軟件實現(xiàn)仿真運動。

　　同時控制刀具沿軌跡走刀，對毛坯切削的動態(tài)圖像顯示過程進行全方位的模擬仿真，如圖6所示 ，并對代碼進行反讀校驗。

　　仿真過程可以隨意放大、縮小和旋轉，便于觀察 細節(jié);可 以調節(jié)仿真速度;能顯示多道加工軌跡的加工結果;仿真過程中可以檢查刀柄 干涉 、快速移動過程(G00)中的干涉、刀具無切削刃部分的干涉情況;可以將切削余量用不同顏色 區(qū)分表示，并把切削仿真結果與零件理論形狀進行比較。

　　靈活、強大的加工仿真將加工的風險降為最低。

　　中國論文聯(lián)盟www.LWLM.com編輯。

　　2 VNUC軟件中的數(shù)控仿真加工

　　在數(shù)控加工實訓教學中，有很多問題需要解決，諸如實訓設備少，學生多，設備無法分配;實訓教學的安全問題;教師在實訓教學中的勞動強度太，神經高度緊張等。

　　為了解決這些問題，在實訓初級階段，建議在數(shù)控仿真軟件上進行操作練習。

　　VNUC數(shù)控加工仿真軟件是利用計算機虛擬動畫技術來模擬實際機床的加工過程，用它驗證數(shù)控加工程序的可靠性，預測切削過程的正確性，減少工件的試切，提高生產效率。

　　VNUC數(shù)控加工仿真軟件是讓學生在操作真正機床前先充分掌握安裝了不同類型數(shù)控系統(tǒng)的加工仿真操作，同時通過仿真演示積累一定的數(shù)控加工操作經驗，用起來形象、 科學 、安全、 經濟 。

　　選擇華中世紀星數(shù)控銑床，安裝毛坯和刀具，進行機床回零操作，然后進行對刀，并把刀具偏置值輸入到 G54坐標系中，最后把 CAXA生成的 NC代碼加載到 VNUC數(shù)控加工仿真軟件里，這時選擇 自動加工方式，再循環(huán)啟動就可以進行仿真加工了。

　　圖7為在VNUC數(shù)控加工仿真軟件里進行仿真加工。

　　然后把NC程序代碼通過工廠的局域網送到車間進行實際加工，加工之前再校驗 G代碼功能，看一下加工代碼的軌跡形狀，做到加工之前心 中有數(shù)。

　　這樣就形成“虛擬 +現(xiàn)實”的仿真模式，將虛擬的機床運動與實際的數(shù)控操作融為一體。

　　3 結束語

　　“虛擬 +現(xiàn)實”的仿真模式彌補了僅 CAM軟件仿真的不足，將虛擬的機床運動與實際的數(shù)控操作融為一體，可使用戶既掌握數(shù)控機床加工的基本原理，又掌握數(shù)控系統(tǒng)操作的基本技能。

　　因此，“虛擬 +現(xiàn)實”的仿真模式是以計算機虛擬機床代替真實機床，可以減少培訓成本，保證培訓質量。

　　具有強大的生命力和廣闊的 發(fā)展 前途。

　　參考 文獻 ：

　　【1】陳明，劉鋼，等.CAXA制造工程師——數(shù)控加工[M].北京 ：北京航空航天大學出版社，2006.1：373—393.

　　【2】陳樂堯，王興波.一種新的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)[J].機電工程技術 ，2005(9)：81—83.

　　【3】楊偉群.數(shù)控工藝培訓教程[M].北京：清華大學出版社 ，2005：178—179.

　　【4】侯勇強，馬雪峰.數(shù)控編程與加工技術[M].大連：大連理工大學出版社 ，2007：75-90.

　　【5】胡如祥.數(shù)控加工編程與操作[M].大連：大連理工大學出版社，2008：41—60.

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