数控技术在机械制造中地应用与发展.docx

1、数控技术在机械制造中地应用与发展石家庄理工职业学院毕业论文题 目：数控技术在机械制造中的应用与发展系 别： 机电工程系专 业： 机械制造及自动化学 制： 三 年姓 名： 刘 健学 号： 0911050224指导教师： 李 俊 霞 摘要.3第一章、数控技术概述.41.1数控技术.41.2数控技术特点.4第二章、数控技术在机械制造业的应用. .52.1数控技术在设备上的应用.52.2数控系统在工业生产上的应用.523数控系统在汽车工业方面的应用.524数控系统木材加工方面的应用. .525数控系统在采煤机制造方面的应用.6第三章、数控机床技术发展.7 3.1数控技术的发展方向.7 3.2数控技术的

2、发展条件.8 3.21 数控系统的硬件技术发展迅速.8 3.22 体系结构向开放式发展.8 3.23 实时操作系统进入CNC.9 3.24 现场总线技术开始广泛使用.9 3.25 PLC功能继续增强.10 3.26 CNC的通讯、网络功能不断扩大.103.27 数字式交流伺服成为主流.113.28 数控系统开发环境越来越友好.113.29 数控相关技术和社会服务体系正在逐步完善.12第四章、结论.13参考文献.14致谢.15 摘要数控技术在现代机械制造中起着至关重要的作用，随着计算机技术为主流的现代科技技术发展和市场产品竞争的加剧，传统的机械制造技术很难满足现代产品多样化的发展和日新月异的换代

3、速度。面对多品种小批量生产比重的加大，产品交货质量和成本要求的提高，要求现代的制造技术具有很高的柔性。如何能增强机械制造业对外界元素的适应能力以及产品适应市场的变化能力，就需要我们能利用现代数控技术的灵活性，最大限度的应用干机械制造行业。将机械设备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新的水平。从而满足现代市场的竞争需求。关键词：机械制造 数控技术 应用发展第一章 数控技术概述1.1数控技术及其特点1.1.1数控技术所谓数控技术，即是运用计算机编写程序对机械加工制造进行控制的技术。它是集传统的机械制造技术，计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、光机电技术于一体的现代制造业基础技术，具有高精

4、度，高效率、柔性自动化等特点。目前它是采用计算机控制，预先编程然后利用控制程序实现对设备的控制功能。由于计算机软件的辅助功能替代早期使用纯硬件电路组成的数控装置，使得输入数据的存储、处理、判断、运算等功能均由现场可编辑的软件来完成，这样极大的增强了机械制造的灵活性，提高设备的工作效率。1.1.2 数控技术特点(1)能方便地改变加工工艺参数，因而利于换批加工和新产品的研制。(2)能高质量的完成普通机床难以完成的复杂零件和零件曲面形状的加工。(3)可实现一次装夹工件完成多道工序的加工，从而能确保加工精度和减少辅助时间。 (4)采用模块化的标准工具，既减少了换刀和安装时间，又提高了工具标准化的程度和

5、工具的管理水平。当然，随着微处理器的发展以及现代SOPC技术的发展，无论从机械加工的生产技术发展还是从机械设备的维修检测以及集成程度的层次上，都势必有极大程度的提高。而我国现代数控技术的发展尚处于对国外产品的模仿阶段，缺乏技术创新。这不仅是对引进技术的消化不够，更重要的在于我们缺乏完善的技术创新环境和应有的创新机制。另外我们产品的可靠性和稳定性不高，网络化程度也不够，目前主要用于NC程序传送，串口通讯技术，其集成化、远程故障排除、网络化水平有限。所以，我们在数控技术的研究和应用上还有很长一段路要走，我们翘首以待中国的DNC(数字制造)技术能早日到来。第二章 数控技术在机械制造业的应用21数控技

6、术在设备上的应用机械设备是机械制造中的重中之重，面对现代机械制造业的需求，拥有了控制能力的机床设备是现代机电一体化产品的重要组成部分。计算机数控技术为机械制造业提供了良好的机床控制能力，即把计算机控制装置运用到机床上，也就是用数控技术对机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机床。它是以代码实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，主轴变速、刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作数字码记录在控制介质上，从而发出控制指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，以控制机床自动加工出我们所需零件。22数控系统在工业生产上的应用工业机器人和传统的数控系统一样是由控制单元、驱动单元和执

7、行机构组成的。丰要运用机器设备的生产线上，比如装配、焊接，喷漆等方面。或者运用于复杂恶劣的劳动环境下下，完成人类难以完成的工作，比如深水作业、太空作业等。它可以模拟人手或者腕等动作通过程序完成对构件的搬运、抓取等动作。很大程度上改善了劳动条件，保证了生产质量和人身安全。尤其在汽车批量装配、喷漆或者大型集装箱的安装，搬运等方面起到了不可忽视的作用。在实际操作中，控制单元是由计算机系统组成，它好比人的中枢神经，指挥机器人按照写入内核的程序向驱动单元发出指令，完成预想的操作，同时同步检测执行动作，一旦出现错误或发生故障，由传感系统和检测系统反馈到控制单元，发出报警信号和相应的保护动作。而执行机构是由

8、伺服系统和机械构件组成。有动力部分向执行机构提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下完成规定操作。23数控系统在汽车工业方面的应用近些年来，汽车工业发展突飞猛进，在如此快速的发展过程中，汽车配件的加工技术业同步在飞速发展，而数控技术的应用，在一定程度上更大的加快了汽车配件的生产制造。将加工中心和其他高速数控机床的高速柔性生产集“高柔性”与“高效率”于一体不仅满足了产品更新换代频率越来越快的要求，做到一次投资。长期受益，又有不逊于组合机床刚性自动线的自造效率，从而打破了汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了多品种、中小批量的搞笑生产。其中复杂的零部件加工制造能够运用现代化数控加工技术中的快速

9、成形制造技术轻易实现，不但如此，还有一些其他方面的技术，如数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等，在汽车制造工业中都有了更加广泛的应用。当今世界的汽车加工制造业已经和数控加工技术的应用无法分开了。24数控系统木材加工方面的应用目前主要的CNC木材加上设备种类有：数控镂铣机，基本功能是三轴连动，具有多个(16)高速主轴电机，每个主轴即可单独工作，又可以任意组合或同时工作，可实现多个工件同时加工。具有效率高的特点，数控加工中心，根据功能可实现三轴联动、四轴联动或五轴联动，具有2套能够自动更换刀具的高速主轴电机和可装有众多刀具(含有加工单元)的刀库，每个主轴即可单独工作又可同时工作

10、，可自动快速更换刀具，机械手控制的缩放雕刻机，一般具有2一l 6个刀轴，能对平面或圆柱面进行批量的比例缩放雕刻全自动操作的机器人雕刻机，能对固定不动的工件进行表面雕刻并联式(杆件系统)运动机构的数控加工中心，是一种全新的机床，对板材加工没有任何限制；数控带锯机，基本功能是-二轴联动，是针对板材的曲线加工，提高了板材的利用率；数控多排钻，实现加工数据输入，钻排的自动定位，以提供工件精度和工作效率；数控仿形磨机，能进行刀具或图纸的图像采集，矢量化处理，数据标定，Nc指另生成及刀具刃磨加工；数控板材下料锯，具有压梁、先导锯和自动板材进料装置，所有的板材下料均通过按键存储，在线数据输入和板材下料最佳优

11、化编程令自动喷漆系统，能对固定或移动的工件进行表面的喷涂。25数控系统在采煤机制造方面的应用现代采煤机开发速度快，品种多，都是小批量的生产，各种机壳的毛坯制造越来越多地采用焊件，传统机械加工难以实现单件的下料问题，而使用数控气割，代替了过去流行的仿型法，使用龙骨板程序对采煤机叶片、滚筒等下料，从而优化套料的选用方案。使其发挥了切割速度快、质量可靠的优势，一些零件的焊接坡口可直接割出，这样大大提高了生产效率。同时，数控气割机装有自动可调的切缝补偿装置。它允许对构件的实际轮廓进行程序控制，好比数控机床上对铣刀的半径补偿一样。这样可以通过调节切缝的补偿值来精确的控制毛坯件的加工余量。例如在采煤机摆线

12、齿形的销轨轮，其切槽较深，加工余量大，普通铣床的加工余量不均匀。而数控铣床可解决这一问题较精确的控制。气割后在进行安全退火，改善了构件的组织和韧性。不但提高构件质量也降低了能源的无用浪费。在切削加工方面的应用，可实现形状复杂、精度要求高的零件加工。在采煤机浮动油封的结构中，使用时要求内环的凸曲面与外环的凹曲面的密封圈各处压缩量相等。压缩接触面积均匀，才能满足密封的功能，因此内外环凸凹曲面的加工精度直接影响密封的可靠性。用数控机床编程加工，较容易的保证其曲面精度，满足浮动油封的使用要求。此外，在采煤机减速机构中，其行星架等分孔的等分精度几每行孔的同轴精度都直接影响整机的传动精度和使用寿命，在加工

13、中心上加工行星架，不仅保证了图样的精度要求，同时加工效率也很高，是用坐标镗床加工的58倍。在无链牵引的采煤机行走机构中，驱动轮和摆线销轨轮，参数采用的都是大模数(大于等于25)少齿数(z小于l7)。在加工时，受齿轮加工机床和齿轮刀具所限，难以实现范成加工或仿行加工，用数控镗铣床编程加工比较容易实现，大大减少了生产投入和工艺准备时间。目前，所有采煤机种大模数少齿数的齿轮一般都是用数控镗铣床编程加工的，编出加工一个齿形的子程序，利用角度偏置或坐标旋转编程功能，加工其余齿形。精度满足使用要求，加工效率比较高。三大机壳的加工一直是采煤机制造业中的关键，加工效率及精度直接影响到采煤机的制造周期和使用寿命

14、。现代采煤机结构大都是多电机“分控横摆”在每种机壳上都有电机安装孔，此类孔孔径比较大。另外再加工牵引壳体端面的对接孔时，由于另一端是耳子与截割部摇臂相联，只能卧式加工。在坐标镗床拉坐标加工20多个孔，加工效率很低。用数控机床编程加工效率可提高47倍，而且用同一个加工程序，另用镜像功能可以加工左、右牵引机壳及其与其联接的中间箱体两端面上的对接孔，逼近效率高，精度也很高。随着采煤机产品开发的种类增多。新的工装胎具数量也相应增多，生产投入增加，制造周期也长。利用数控机床编程加工可替代一些胎具工装，如在机壳上使用数量较多的钻磨胎具等。减少很多胎膜具的设计与制造。对数控机床加工替代不了必不可少的工装，可

15、用数控机床来加工此类工装，缩短了工艺准备时间。数控机床的充分使用，大大的提高了加工质量，减少了生产的投入，缩短了制造周期。数控机床具有高速切削加工的设备基础，特别是在采煤机市场竞争日益激烈的情况下，如何提高制造质量和加工效率，增强竞争力，更多的占有市场份额，应用先进的制造技术是立足之本。在压力加工技术方面，在热压力加工范围内。数控系统在热态成型方面起着越来越大的作用。在液压锻造压力机上装上数控系统，能够达到较高的工作速度，提高了生产率，缩短了每件加工时间，降低了能耗，锻造精度高压力机的经济性得到明显提高。 第三章 数控机床技术发展3.1数控技术的发展方向机械设备最早的控制装置是手动控制器。目前

16、，继电器接触器控制仍然是我国机械设备最基本的电气控制形式之一。到了20世纪奶年代至50年代，出现了交磁放大机电动机控制，这是一种闭环反馈系统，系统的控制精度和快速性都有了提高。20世纪60年代出现了晶体管晶闸管控制，由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅调运性能大为改善，而且减少了机械设备和占地面积，耗电少，效率局，完全取代了交磁放大机电动机控制系统。在20世纪的60年代出现丁一种能够根据需要方便地改变控制程序，结构简单、价格低廉的自动化装置顺序控制器。随着大规模集成电路和微处理器技术的发展及应用，在20世纪70年代出现了一种以微处理器为核心的新型工业控制器可编程序控制器。这种器件完全能

17、够适应恶劣的工业环境，由于它具备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前已作为一种标准化通用设备普通应用于工业控制。随着计算机技术的迅速发展，数控机床的应用日益广泛，进一步推动了数控系统的发展，产生了自动编程系统、计算机数控系统、计算机群控系统和天性制造系统。计算机集成制造系统及计算机辅助设计、制造一体化是机械制造一体化的高级阶段，可实现产品从设计到制造的全部自动化。世界已经步入了新的机电一体化时代，它是以数字化制造技术为核心的时代，数控机床就是其中的代表。如今欧美日等发达国家已经先后完成了数控机床产业化进程，而我国还处于发展阶段，还有很大的发展空间。数控机床是机床业未来发展的必然趋势

18、，它将朝着以下五个方向发展：第一、复合化。随着数控机床技术的发展，机床复合技术和复合加工技术逐渐成熟，在一台机床上可以实现车、铣、钻、攻丝、绞孔、扩孔等多种操作工序和实现工序间的复合加工，大大提高了机床效率。如今复合加工机床正朝着多样化的态势发展。第二、智能化。数控机床的智能化体现在系统的各个方面，如提高加工效率和加工质量的智能化，提高驱动性能和方便使用连接的智能化，追求简化编程与操作的智能化，为方便系统诊断与维修的智能诊断、智能监控等。目前数控机床的智能化技术已经在数控系统中得到了较多体现。第三、高精度化。精密加工技术的发展使数控机床加工精度由原来的丝级提升至目前的微米级和亚微米级，一些特种

19、加工精度甚至可达纳米级。第四、柔性化。机器人与主机的柔性化组合可以提高效率，得到了广泛应用。柔性自动化技术是制造行业满足市场需求和实现产品更新的主要手段。作为先进制造领域的基础技术，它已经成为各国制造行业发展的主流趋势。第五、绿色化。低碳节能是各行业发展的必然趋势，数控机床业也必然朝绿色化方向发展。数控技术和数控机床是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义。近几年来，在引进消化国外数控技术的基础上，我国已生产出自主版权的数控系统和数控机床，但是中、高档以上的数控系统仍然是以进口产品为主，研究目前数控机床及技术的现状

20、及未来的发展方向，将对开发出中、高档的数控产品，进一步扩大数控机床市场份额起到重要作用。3.2数控技术的发展条件3.21 数控系统的硬件技术发展迅速随着集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控硬件技术的更新换代注入新的活力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路(VLSI)、专用芯片(ASIC)及数字信号处理(DSP)技术。在电气装联上广泛采用表面安装(SMT)、三维高密度(three dimensional high density)技术，极大地提高系统的可靠性。高速高性能存储技术，比如闪烁存储(flash memory)，移动存储(PCMCIA card)等极大地方便用户。薄膜晶体管液晶显示器

21、(TFTLCD)技术使得显示装置趋于平板化，更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用“位以上的高速RISC CPU，保证高速、高精度的数控加工。以日本FANUC 16i/18i和160i/180i为例，已形成超小、超薄型控制器，主控板仅为名片一样大小，主处理器采用Pentium芯片。CNC和伺服采用50M/S的高速串行总线。用光缆连结I/O模块，采用分散配置，便于机电一体化。在通讯方面采用PCMCIA存储卡和外部计算机通讯，或采用调制解调器，用电话和人机通讯。嵌入式硬件的使用有望使得数控系统硬件更趋标准化、系列化。数控系统的开发成本也会随着降低。3.22 体系结构向

22、开放式发展开放式数控的讨论已有好些年了，但是应该看到，对于开放式结构至今没有一致性的定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议;而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致;对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动、传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口;对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自最终用户和集成商(机床厂)的压力，开放式结构的开发工作正在向前发展并将持续下去。目前的一个积极成果即是基于PC的CNC，即PC-based。世界上一些著名的数控制造商纷纷推出PC-based CNC系统，例如FANUC公司的FAN

23、UC 160/180，西门子公司的siemens 840Di，FAGOR公司的FAGOR 8070。由于采用了工业级PC机及桌面操作系统Windows，DOS等，其丰富的软、硬件资源给用户带来诸多的方便。应该看到，在数控加工这种强实时环境中，使用商用操作系统Win，DOS等，还尚未得到业界的完全认可。在理论上没有证明比现有传统的CNC更加优越。为应对开放式数控未来的发展，我国从2003年开始实施开放式数控国家标准GB/T18759.1。开放式数控(ONC)就其开放程度可分为三个层次。第一层次是具有可配置功能，开放的人机界面的通信接口及协议。第二层次为控制装置在明确固定的拓扑结构之下允许替换，增

24、加NC核心中的特定模块以满足客户的特殊要求。第三层次为拓扑结构的完全可变的全开放的控制装置。这三个层次中第一层次目前基本达到。未来的发展主要围绕第二个层次目标展开。3.23 实时操作系统进入CNC严格意义上说，数控控制软件中包含着实时操作系统的思想，例如任务调度、存储器管理、中断处理等，但这种技术是隐含的，是和数控应用程序比如插补，伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特的，不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商而言带来诸多不便。在开放式数控呼声日益高涨的今天，研究实时操作系统在CNC软件中的应用是顺理成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术发展迅猛，这对于数控控制软件的开发将产生革

25、命性的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统，将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上“挂”，最终移植到一个硬件环境中去，形成最终使用户满意的数控系统，也就是个性化的CNC系统，这将是开放式数控的主要方向。未来实时Linux(RT Linux)有望成为CNC实时操作系统的主流。“Linux除了具有功能强大、高性能、稳定性好以及原代码开放等优势以外，其最大的特点是Linux内核具有非常良好的结构，即可由用户根据特殊的系统需求，对内核进行配置或裁剪，而这一特点恰恰满足了可开放式数控应用的差异性需求。3.24 现场总线技术开始广泛使用现场总线(field bus)实质上是工控网络中的低档产

26、品。因为底层设备通信有以下特点：1)通信环境恶劣，可能受到温度、湿度变化、尘埃、电压波动、机械振动和电磁场干扰等因素影响。2)信息传递主要是设备与设备之间，故对通信可靠性要求高。3)通信内容和时间一般可以预先设定，随机、自发产生的信息相对较少，这可使通信协议大大简化。4)由于有较多的监控信息，实时性要求高。 5)要求有一定的故障诊断和容错能力，以防止不必要的系统故障。6)距离短，频度高。基于上述特点，底层设备互连网络通常采用协议简单、响应迅速、可靠性高的主.从通信方式，使用工控网络中的低档产品，如现场总线。西门子公司的profibus首先应用在802D中、低挡数控系统中。对802D而言，24V

27、电源为“心脏”，PCU模块为“大脑”，profibus为“神经”。因为PCU和I/O以及伺服系统的连结均依靠p础bus。PCU为主站，PP1、PP2、611U为从站，并均有节点地址。FAGOR公司的SERCOS主要用于CNC和伺服系统的通讯且采用光缆。最高传输速率为4M baud。SERCOS将CNC(8055，8070)和主轴、坐标轴驱动连结起来，每个节点亦有相应地址。从FAGOR 8070开始，CNC和I/O的连结采用CAN总线。FANUC I/O Link是CNC连结扩展I/O的现场总线系统的总线，而FFSB则是连接CNC和伺服系统的总线。3.25 PLC功能继续增强可编程控制器(PLC

28、)在数控机床上主要完成MST功能(辅助功能)，即除了主运动以外的辅助功能，但目前PLC在数控机床上的功能正在逐渐扩大，例如：1)可通过报警文本编辑产生个性化的诊断页面。2)PLC直接控制坐标轴。3)在系统配置和初始化时发挥作用，这个作用对西门子系统的PLC最为明显。PLC的基本程序(非用户梯形图)在机床调整时，激活机床操作面板MCP并设置通道和主轴、坐标轴。通道相当FANUC中的Head。4)通过PLC提供的参数和CNC系统参数可以在PLC和零件加工程序之间传递信息，以完成某些特定功能。即PLC已经渗透到零件加工程序的编制中。单独的PLC可以完成全部的CNc功能，这已经成为现实。但就目前而言，

29、PLC主要还是在数控系统配置到机床上时起一个“接口”作用，包括MST功能，诊断功能等，这种功能正在不断扩大。3.26 CNC的通讯、网络功能不断扩大从早期的DNC，RS232、422和485一直到目前的MAP，EtIlemet等，数控机床的网络通讯功能在不断增强。为解决大容量零件加工程序的传递和存储，一是可采用DNC中的前端机进行分配和传输，即形成DNC主机一前端机.CNC的三层模式。而一台前端机可控制多台CNC。另外一种，对于带PCMC认卡的CNC系统，可利用该存储卡传递加工程序(一张卡为58M)。第二种最简单的方法可利用CNC和后台编辑功能，在切削时同时传递零件加工程序。CNC的通讯功能还

30、有一个目的是上传数控机床的状态及故障信息，以便上位机监控并进行故障诊断。西门子840D/810D可以通过电话线、ISDN、Internet、GSM或LAN、WAN、Intranet和上位机通讯，进行远程诊断，但需安装远程诊断软件、调制解调器，并有电话线或通过网卡进行。MAZAK公司的MAZATROL 640等亦具有这种功能。3.27 数字式交流伺服成为主流数字式交流伺服系统体积小，性能好，调试方便，克服了过去模拟伺服系统用电位器调节的不便。通过数字设定可优化速度、电流环，可进行转矩限制，进行加减速控制，另外可以和外部计算机通讯，备份伺服参数，并在上位机显示电流、扭矩波形，便于观察。CNC和数字式伺服的连接方法有以下几种：1）备有现场总线的系统。例如西门子802D，FAGOR 8055、8070等，采用如图1所示的连接。对FAGOR 8055，8070而言，现场总线SERCOS连接CNC和主轴、伺服驱动与图1连接相同。2）FANUC数字伺服连接。伺服电动机上的编码器将信号直接反馈给CNC系