基于PLC技术的普通车床数控化系统改造设计文献综述.docx

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基于PLC技术的普通车床数控化系统改造设计文献综述

文献综述

机械设计制造及其自动化

基于PLC技术的普通车床数控化系统改造设计

随着世界经济的全面快速发展，我国也正迎着这快速发展的脚步随之赶上。

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，数控机床的应用越来越广，并不断向开放式、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、开放式

　　为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

2、基于PC的第六代方向

　　基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。

至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。

PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。

远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

3、高速化、高效化

　　机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

　　根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。

还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。

4、高精度化

　　精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。

从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。

超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。

随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。

新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。

　　随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。

为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。

5、高可靠性

　　数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

6、智能化

　　随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。

（1）应用自适应控制技术

　　数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工

　　将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行

另外，数控系统是数控产品的核心技术之一，从50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品，其间三起三落。

经过多年来不断的调整、优化、重组、开拓，中国数控产业通过自行研究、引进合作、独立开发、推进产业化进程，国产数控系统已经取得重大突破。

在庆祝建国50周年之际，我们可以充满信心地说，中国的数控产业已经渡过了最艰难的时期，开始在产业化的道路上开拓前进。

在充满信心的同时，我们更应清醒地认识到，走向新世纪的中国数控产业，尽管获得了新的发展机遇，但面临着更严峻的挑战，需要以更大的勇气、智慧和努力来攀登新的历史性台阶。

1我国数控产业化的现状

1.1数控产业的基本情况

我国数控机床生产厂共有100多家，其中能批量生产的企业有42家（国有企业30家，民营企业5家，合资、独资企业7家），平均年产量40～50台，几家重点企业年产量可达400～700台；数控系统（包括主轴和进给驱动单元）生产企业约50家，但生产具有一定批量的企业有8家，其中国有企业3家，民营企业2家，合资、独资企业3家；生产数控机床配套产品的企业共计300余家，产品品种包括八大类2000种以上。

我国数控系统分为3种型级，即经济型、普及型和高级型。

这是根据我国当前市场需求的实际情况，按技术应用不同领域和复杂程度进行的阶段性标准来划分的。

在经济型数控系统中，我们具有很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床的市场上，国产数控系统是“一花独秀”（其中有10%左右的是合资企业产品）。

在普及型数控系统的市场中，我们正在取得进展。

进入90年代以来，我国数控系统的各方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京—法那科、西门子数控（南京）有限公司等合资企业的基本力量。

当然，拥有我国自主版权的数控系统在市场开拓上仍要尽更大的力量。

1.2技术状况

80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控系统2个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。

“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。

数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。

新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。

在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000r/min～18000r/min）、快速进给（60m/min）、快速换刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定的基础。

当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型系统向开放型系统过渡的时期。

从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。

我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平。

目前，已新开发出数控系统80种。

自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。

例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1μm当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。

尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。

特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。

同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。

这些成果为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。

2数控产业发展面临的问题

2.1缺乏产业规模

在一段时间里，我国数控机床产品品种相对较少，开发和交货周期较长，由于没有按市场需求进行开发，批量不大，不能满足市场需求，市场占有率较低；质量不稳定（可靠性是突出的质量症结），性能水平与国外相对有一定差距，竞争力不强；软件开发投入不足，开发的数控系。

2.2缺乏发展数控产业的政策和技术配套体系

40多年来，我国政府对数控机床的发展给予了大量的财力和物力支持，在政策上也陆续出台了一些支持措施，对数控机床的发展起了很好的促进作用。

但在政策的配套及相互制约方面力度不够，在引进外资和扩大开放的同时，对国产数控机床的必要保护显得过于单薄。

例如，进口产品可以免除关税和进口环节税，而国内产品却很少能享受这种待遇。

同时，数控机床的发展需要较高的零部件专业化技术配套体系来支承，而我国工业发展的总体水平尚不能满足这种体系的建立，国家对这种配套体系的建立没有大举措出台，也缺少相应的政策支持，因而未能对数控产业的发展起到更有力的推动作用。

2.3缺乏技术创新、产品更新和产业调整的内在动力

1994年，机床工具工业总产值（1990年不变价）达到176亿元，销售收入达到200亿元，机床总产量创记录地达到26万台。

普通机床、一般量刃具等的比例高达93%以上，但数控机床、专用机床及各种自动线所占比例却很小。

在当时过热的经济增长刺激下，各类产品均出现供不应求的现象。

在普通机床销售势头良好的形势下，机床工具行业被市场假像所迷惑，大部分企业顾及眼前利益，没有及时依靠壮大起来的财力进行调整，而是一味加大普通机床产量，放弃了已开始进行的产业调整、产品调整、组织结构调整，放松了技术创新，看不到产业的发展趋势，从而错过了调整的最佳时机，丧失了更进一步发展的技术基础和产品基础。

2.4　面临国外强手竞争的巨大压力

进入90年代以来，我国国内市场对数控机床和数控系统迅速增长，成为工业发达国家竞相争夺的目标。

面对强手如林的国际竞争对手，国内数控机床和数控系统无论是性能、质量，还是价格都难以与发达国家产品相抗衡，面临着进口冲击的强大压力。

3我国数控产业发展的条件

3.1稳定增长的市场需求

我国数控机床80年代以来有了迅速发展，平均年产量增长20%以上；数控机床市场消费量从1990年的2588台增长至1996年的18000台；目前已是世界数控机床第三进口大国。

进入90年代以来，我国数控机床生产企业都经历了结构调整、转变机制的艰苦磨砺过程。

由于市场结构的变化，使得1997年数控机床市场消费量下降到14329台。

同时由于进口减少，国产数控机床市场占有率上升到45.9%；1998年数控机床市场消费量下降到11528台，国产数控机床市场占有率达到53%。

1994～1998年，我国机床工具行业的产值持续滑坡，由于市场变化和结构调整，市场容量减少到原来的75%，总产值为149.6亿元，其中金属加工机床约为90多亿元，市场占有率达到47%，机床（金切和锻压）总产量只有10万台，而在10万台机床的销售额中，数控机床自动化生产线及各种先进量刃具达到27.7%。

正是由于结构的变化，才有可能