常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系 别： 机电工程学院 专 业： 数控技术 班 号： 数控081 学 生 姓 名： 王茜 学 生 学 号： 0804030109 设计（论文）题目： 数控技术及其在机械制造业中的应用
指 导 教 师： 唐静 设 计 地 点： 常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 8.2-8.24
数控技术的发展及其在机械制造中的应用
毕业设计（论文）开题报告
第 1页 共 24 页 机电工程学院 数控081 王茜
数控技术的发展及其在机械制造中的应用
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
毕业设计（论文）任务书
专业 数控 班级 数控081 姓名 王茜
一、课题名称： 数控技术的发展及其对机械制造业的影响
二、课题应达到的要求 随着计算机技术为主导的现代科学技术的发展和以
“时间驱动”为重要特征的市场竞争的加剧，产品更新换代的速度加快以及
人们对商品需求的多样化，传统的机械制造业正在发生极其深刻的改变，多
品种小批量生产的比重越来越大，对产品的交货质量和成本要求越来越高，
要求现代制造技术具有较高的柔性，即要求机械制造业对各种外界因素的适
应能力或者产品适应市场的变化能力越来越强，亦即要求空间和时间的灵活
性越来越大，其关键的技术是数控技术。
三、主要工作内容 1、数控技术在机床中的应用：机床设备是机械工业的
“母机”，只有机床设备实现了机电一体化，加工出来的产品才能达到质量稳
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
定可靠，企业才有较强的应变能力。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，即把计算机作为一种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。2、数控技术在工业机器人中的应用 ：工业机器人是一种能模拟人的手、腕和臂等部分动作，按照预定的运动轨迹、动作等要求编成程序，使工业机器入实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。工业机器人可以在改善劳动条件下保证生产安全、提高产品质量和生产率方面起重要作用。3、数控技术在其它方面的应用：数控技术除上述的应用范围外，还有常与数控机床配套使用，用来测量在数控机床上加工的零件的位置、尺寸和形状误差的计算机数控三坐标测量机。此外，还有利用数控技术加工出各种形状的工件的数控弯管机、数控激光切割机和数控火切割机等。
四、主要参考文献： 1、林其骏．数控技术与应用[M]．第1版．北京：机械工业出版社．1 998：11—1 8 ；2，王隆太．先进制遣技术[M]．第1版．北京：机械工业出版社．2005：11 6—1 58 ；3，李明贵．反映现代工业发展趋势的先进制造技术仞．机电工程技术，2005，34(2)：13—15；4、胡俊，王字晗，吴祖育，等．数控技术的现状和发展趋势叨．机械工程师，2000，
(3)：5-7．
学 生（签名） 年 月
日
指 导 教师（签名） 年 月 日
教研室主任（签名） 年 月 日
系 主 任（签名） 年 月
日
目录
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
摘要 ................................................................................................................................ 6
前言 ................................................................................................................................ 6
第一章 数控加工及其优势.............................................................................................. 7
1.1 数控加工 ........................................................................................................... 7
1.2 数控加工的优势 ................................................................................................ 7
1.2.1 加工效率高.............................................................................................. 7
1.2.2 加工精度高.............................................................................................. 7
1.2.3 劳动强度低.............................................................................................. 7
1.2.4 适应能力强.............................................................................................. 8
1.2.5 工作环境好.............................................................................................. 8
1.2.6 就业容易、待遇高 ................................................................................... 8
第二章 数控技术的特点及其在机械制造中的作用 ....................................................... 8
2.1 数控技术 ........................................................................................................... 8
2.2数控技术的特点 ................................................................................................. 9
2.3 数控技术在机械制造业中的作用 ....................................................................... 9
第三章 我国数控技术的发展历程、现状及其趋势 ..................................................... 10
3、1 我国数控技术的发展历程 ............................................................................. 10
3．2我国数控技术的发展现状 .............................................................................. 10
3．3 数控技术的发展趋势 .................................................................................... 11
3.3.1.高速、高精加工技术及装备的新趋势 .................................................... 11
3.3.2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 ................................................. 12
3.3.3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 .............. 12
3.3.4. 重视新技术标准、规范的建立.............................................................. 13
第四章 数控技术在机械制造业中的应用 ...................................................................... 14
4．1数控技术在机床中的应用 .............................................................................. 14
4.1.1体系结构的发展趋势 .............................................................................. 15
4.1.2开放性 .................................................................................................... 18
4.1.3 运动并联化 .......................................................................................... 18
4.1.5信息交互网络化 ..................................................................................... 19
4.1.6新型功能部件 ......................................................................................... 19
4.1.7高可靠性 ................................................................................................ 20
4.1.8加工过程绿色化 ..................................................................................... 20
4．2数控技术在工业机器人中的应用 ................................................................... 20
4．3数控技术在煤矿机械中的应用 ....................................................................... 21
4．4 数控技术在汽车工业中的应用 .................................................................... 21
结束语........................................................................................................................... 22
致谢 .............................................................................................................................. 22
参考文献 ....................................................................................................................... 23
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
摘要
在机械制造业中，数控加工技术已经越来越受到重视。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速度。以计算机为主导的数控技术(CNC) 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，极大的增强了机械制造的灵活性，提高设备的工作效率。改变了传统的机械制造的观念和技术，使人们越来越多地关注数控技术在机械制造中的应用与发展状况。数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到国家工业的发展和综合国力的提高。以数控技术为核心的机械设备的生产和应用已经成为衡量一个国家技术水平和战略地位的重要标准。如何能增强机械制造业对外界因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，最大限度的应用于机械制造行业。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。因此广泛采用数控技术应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业经济大国必须要大力提倡和广泛发展的。 简单分析了数控技术的发展历程、技术特点和在我国的发展现状。并在此基础上．结合数控技术在机床、工业机器人、煤矿机械和汽车工业中的应用说明了数控加工技术在机械制造业中的广泛应用，并对我国数控技术的发展做了展望。
关键词：数控技术；机械制造；发展应用
前言
随着计算机技术为主导的现代科学技术的发展和以“时间驱动”为重要特征的市场竞争的加剧，产品更新换代的速度加快以及人们对商品需求的多样化，传统的机械制造业正在发生极其深刻的改变，多品种小批量生产的比重越来越大，对产品的交货质量和成本要求越来越高，要求现代制造技术具有较高的柔性，即要求机械制造业对各种外界因素的适应能力或者产品适应市场的变化能力
越来越强，亦即要求空间和时间的灵活性越来越大，其关键的技术是数控技术。从第一台数控机床开发成功到现在已有50多年的历史，由传统的封闭式数控系统发展到现今的开放式PC数控系统。传统的计算机数控系统，由于采用封闭的体系结构，它的通用性、
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
软件移植性、功能扩展和维修都比较困难；开放式体系结构的计算机数控系统的发展，使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战。开放式计算机数控系统，采用软件模块化的体系结构，显示了优良的性能，能适应各种计算机的软件平台，具有统一风格的用户交互环境，操作、维护、更新换代和软件开发都比较方便，具有较高的性能价格比，已成为数控系统发展的方向
第一章 数控加工及其优势
1.1 数控加工
数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围复盖很多领域:(1)机械制造技术,(2)信息处理.加工.传输技术:(3)自动控制技术,(4)伺服驱动技术,(5)传感器技术:(6)软件技术等.计算机对传统机械制造产业的渗透.完全改变了制造业.制造业不但成为工业化的象征.而且由于信息技术的渗透.使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地.
1.2 数控加工的优势
1.2.1 加工效率高
利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面。而加工过程是由计算机控制，所以零件的互换性强，加工的速度快。
1.2.2 加工精度高
同传统的加工设备相比，数控系统优化了传动装置,提高分辨率,减少了人为误差，因此加工的效率可以得到很大的提高。
1.2.3 劳动强度低
由于采用了自动控制方式，也就是说加工的全部过程是由数控系统完成，不象传统加工手段那样烦琐，操作者在数控机床工作时，只需要监视设备的运行状态。所以劳动强度很低。
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
1.2.4 适应能力强
数控加工系统就象计算机一样，可以通过调整部分参数达到修改或改变其运作方式，因此加工的范围可以得到很大的扩展。
1.2.5 工作环境好
数控加工机床是机械控制、强电控制、弱电控制为一体高科技产物，对机床的运行温度、湿度及环境都有较高的要求。
1.2.6 就业容易、待遇高
由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段，大量的数控机床和先进的加工手段的快速引进，却没有大量熟练数控技术操作的人员参与，因此造成该行业严重缺乏人才。
第二章 数控技术的特点及其在机械制造中的作用
2.1 数控技术
数控技术，简称“数控”。英文：Numerical Control（NC）。是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常 是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。19xx年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；19xx年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。19xx年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
2.2数控技术的特点
数控加工技术不同于传统的加工技术，其主要特点为：
(1)能高质量地完成一般机床难以完成的复杂零件和曲面形状的加工；
(2)能方便地改变加工工艺参数(如切削用量)，因而利于换批加工和新产品的研制；
(3)可实现一次装夹工件完成多道工序加工，从而确保高质量的加工精度同时又减少了辅助时问；
(4)采用模块化标准工具，既减少了换刀和安装时间，又提高了工具标准化程度和工具的管理水平；
(5)便于实现计算机辅助制造。随着计算机技术的发展和微处理器的采用，数控技术得到了飞速发展和广泛的应用。
2.3 数控技术在机械制造业中的作用
随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品的生产设备提出了高性能、高精度和高自动化的要求。
在机械产品中，单件和小批量产品占到70﹪～80﹪。由于这类产品的生产批量小、品种多，一般都采用通用机床加工，其自动化程度不高，难于提高生产效率和保证产品质量。要实现这类产品生产的自动化成为了机械制造业中长期未能解决的难题。
为解决大批大量生产的产品的高产优质问题，一般采用专用机床、组合机床、专用自动化机床以及专用自动生产线和自动化车间进行生产。但其生产周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长，生产设备使用的柔性很差。
现代机械产品的一些关键零部件，往往都精密复杂，加工批量小，改型频繁，显然不能在专用机床或组合机床上加工。而借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。特别对空间的复杂曲线曲面，在普通机床上根本无法实现。
为了解决单件、小批量生产，特别是复杂型面零件的自动化加工，数控加工应运而生。自19xx年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标立式数控铣床以来，机械制造行业发生了技术革命，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段。以后成功研制了数控转塔式冲床、数控转塔钻床、加工中心MC等。随着CNC技术、信息技术、网络技术以及系统工程学的发展，在20世纪60年代以后先后出现了直接数字控制系统DNC、柔性制造系统FMS、柔性制造单元FMC、计算机集成制造系统CIMS等。
数控加工是机械制造中的先进加工技术。它的广泛使用给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，为机械制造行业和国民经济产生了巨大的效益。
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
第三章 我国数控技术的发展历程、现状及其趋势
3、1 我国数控技术的发展历程
数控技术从诞生至今，前后经历了五个发展阶段，即电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控、小型计算机数控、微处理器数控。目前数控系统的发展进入了—个良性的发展模式．即主板以超大集成电路板为主，处理器以单片机或PLC为主，控制核心单元以Pc机专业软件系统为主的发展模式。我国从19xx年起，由一批科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发，但当时收效甚微。改革开放后，我国数控技术逐步取得实质性的发展。通过引进国外技术，消化吸收和科技攻关，使得我国的数控技术有了质的飞跃，数控制造业进入了高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量尚不佳。“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用。目前国产数控系统主要为经济型(多采用单片机开发)，而我国高档数控市场的95％仍被国外公司占据，如日本的法拉克，德国的西门子等。
3．2我国数控技术的发展现状
我国的机械制造工业已具有一定的实力。机床工业高速发展，机床产品除满足国内建设需要外，还有部分产品远销国外。
(1)现已能生产小型仪表机床、重型机床，各种精密的、高度自动化的、高效率的机床。机床性能正在逐渐提高，有些机床性能已接近世界先进水平。
(2)目前生产的数控系统(以数控机床为主)大部分以PC机作为控制核心，使得我国生产的数控系统在硬件系统方面、软件系统方面都有不同程度的提升，增强了市场竞争力。
(3)目前已能生产100多种数控机床，并研制出六轴五联动的数控系统，可应用于更加复杂型面的加工。国产数控机床的分辨率已经提高到0．001mm。系统的可靠性也大大提升，这是由于我国生产数控系统均采用模块化设计，且电路板中广泛采用超大规模集成电路，保证了系统的整体可靠性。’
我国机械制造工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比还有很大差距。大部分高精度机床的性能还不能满足要求，精度保持性差，特别是数控机床的产量、技术水平和质量保证等方面都明显落后，这主要是管理落后、专业化生产水平低，工艺落后也是主要因素。由于工艺水平落后，使产品研制出来后也不能迅速转变成商品，即使从国外引进的机电产品技术，也不能形成批量生产。 目前，美国利用计算机数控技术已经成功实现了机械制造的“三个三”，即设计周期三个星期，试制周期三个月，无故障运
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
行三年。为此，机械工业部门提出了“加强工艺管理、严格工艺纪律为突破口，提高工艺水平，推行全面质量管理，打一场提高产品质量的硬仗”作为工艺工作的指导方针。这是振兴我国机械工业的重大战略措施之一。随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，在21世纪中，加工技术将向着超精密、超高速以及发展新一代加工设备的方向发展。而数控加工技术的—个重要发展趋势是：工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学，使工艺模拟技术得到迅速发展。
3．3 数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。
3.3.1.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60000r/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10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
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。
3.3.2. 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。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联 动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
3.3.3. 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
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
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。
3.3.4. 重视新技术标准、规范的建立
（1） 关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在20xx年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
（2） 关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个 生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。
目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划
(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。
第四章 数控技术在机械制造业中的应用
4．1数控技术在机床中的应用
机床设备是机械工业的“母机”，只有机床设备实现了机电一体化，加工出来的产品才能达到质量稳定可靠，企业才有较强的应变能力。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，即把计算机作为一种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。
数控机床是以数字化的信息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、机床电机的启动和停止、主轴变速、工件松开夹紧、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，发出各种指令控制机床伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需零件。
第一台数控机床是为了适应航空工业制造复杂零件的需要产生的。1 952年由美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的数控机床。之后，随着电子技术特别是计算机技术的发展，数控机床不断更新换代
据初步统计，近年来数控机床产量持续地以年均增长超过30%的速度快速增长。2004 年其产量达 52000 台以上，同比年增长40%，数控机床的消费量约74000 台，同比年增长32%。在数控机床的技术水平方面，由于市场需求的拉动，中高档数控机床的开发也取得了较大的进展，在五轴联动、复合加工、高速加工、超精加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破，并形成了一批中档数控机床产业化基地。
但是，另一方面进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机床消费额的增长趋势更快。20xx年数控机床的进口数量同比年增长30%，而进口消费额的增长却达52%，从而导致国产数控机床在国内市场消费额总额所占比例已不足30%。之所以出现这一现象，其主要原因在于国内市场对技术和附加值高的高效精密和高性能大重型数控机床需求增长，要依靠进口解决。
国内外数控机床主要技术指标差距很大。从上世纪80 年代起，我国机床制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注，已具有较强的市场竞争力。但由上表可以看到，在中、高档数控机床方面，与国外一些先进技术与产品仍存在较大差距，效率、精度和可靠性等方面均有明显差距，相当欧洲在上世纪90 年代中期水平，大部分处于技术跟踪阶段。
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数控技术的发展及其在机械制造中的应用
4.1.1体系结构的发展趋势
1、高速、高效
机床向高速化方向发展，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。20世纪90年代以来，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。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，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：在分辨率为1微米时，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率为0.1 m时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min
2、高精度
从精密加工发展到超精密加工，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（#lt;10nm），其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10 m提高到±5 m；精密级加工中心的加工精度则从±3～5 m，提高到±1～1.5 m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001m），主轴回转精度要求达到0.01～0.05 m，加工圆度为0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2 m，轴向窜动小于1 m，轴系不平衡度达到G0.4级。高速高精加工机床的进给驱动，主要有#quot;回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠#quot;和#quot;直线电机直接驱动#quot;两种类型。
此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度
90m/min，加速度1.5g。滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，19xx年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的#quot;零传动#quot;，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电
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机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2g，并且还有发展余地。
3、高可靠性
随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。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，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。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（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。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。
4、复合化
在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。
数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
5、多轴化
随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各
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大机床厂家积极开发和竞争的焦点。最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。
6、智能化
智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。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的智能化，如自适应控制，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、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性，
（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；
（2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；
（3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；
（4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；
（5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行；
（6）智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工
（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。
。
7、网络化
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数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称#quot;e-制造#quot;，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。数控应用软件日趋丰富和具有#quot;人性化#quot;。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。
4.1.2开放性
（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；
（2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；
（3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649
（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。
新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。
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， 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
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的一个新的焦点。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。
4.1.3 运动并联化
并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定
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导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。
并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。
4.1.4极端化、大型化和微型化
国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。
4.1.5信息交互网络化
对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单。
4.1.6新型功能部件
为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：
（1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用；
（2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态
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性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；
（3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。
4.1.7高可靠性
数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。
4.1.8加工过程绿色化
随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。
4．2数控技术在工业机器人中的应用
工业机器人是一种能模拟人的手、腕和臂等部分动作，按照预定的运动轨迹、动作等要求编成程序，使工业机器人实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。工业机器人可以在改善劳动条件、保证生产安全、提高产品质量和生产率方面起重要作用。它主要用在机器制造业的生产线上装卸料和装配方面，以及在诸如喷漆、喷砂、焊接等恶劣的劳动环境下进行工作，甚至在人类无法进入的环境如深水作业、对放射性物质的操作、太空作业等条件下进行工作。
工业机器人系统由执行机构、动力部分和控制部分等组成。执行机构由伺服驱动装置和机械结构等组成，能模仿人臂的动作}动力部分向执行机构的驱动装置提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下实现动作；控制部分由微机数控系统组成，是工业机器人的指挥系统，它控制机器人按规定的程序运动，并可记忆各种指令信息，如动作顺序、运动轨迹、运动速度等，向驱动装置发出指令，使工业机器人完成规定的动作；必要时还可对工业机器人的动作进行监视，当动作出错或发生故障时发出报警信号；对于较高级
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的工业机器人还有检测传感系统和感觉系统。
发展机器人对国民经济和科学研究有重要作用。
4．3数控技术在煤矿机械中的应用
我国是—个煤炭大国，煤炭资源在我国的能源系统中占有举足轻重的地位。这就决定了我国的煤机企业的任务是为煤炭系统生产高质量、高可靠性的煤炭开采及保护装备。在激烈的市场竞争的条件下，如何谋生存、求发展，煤机行业本身的水平关键要看创新能力、人员素质和企业素质的提高。企业设备数控化程度高低(数控设备占主要设备拥有量比率)是代表工业化水平的标志，同时要组建符合厂情的生产模式，机床的配置上要根据被加工零件的图纸的复杂程度、精度、材质、数量和热处理等因素来选择机床：
(1)机床选用的前提．
①能否保证零件的技术要求，达到图纸要求的加工质量；
②能否有利于提高生产率；
③能否充分利用现有的设备，降低生产成本，最后进行综合分析。
(2)机床选用原则
①当零件不复杂，加工精度较低，生产批量较小时，宜选用普通机床；
②对于多品种、中小批量的零件，当零件复杂程度高时，宜选用数控机床； ③当零件批量很大时，最好选用专用机床；
④当零件批量较大，复杂程度较高时，宜选用数控专用机床。
根据煤矿机械的具体情况，不可能进行全面投资购置大量数控加工机床等设备，要充分利用好现有的各种型号的加工机床，采取普通机床加数控机床的生产模式，制定出加工精度等级，数控机床与普通机床最大的优势在于精加工精度高重复性好，加工质量稳定。精度要求低的在普通机床上加工，精加工要求高的在高精度的数控机床上加工。另一方面，煤机企业要针对目前企业主要装备是普通机床的现状，充分利用现有的设备资源，在普通旧机床基础上，按照要求，选择国产或进口数控系统，对旧机床实行数显、数控改造。通过数控化改造使之成为全新概念的数控机床，达到投入少，易操作，功能和精度较高并能满足要求，来实现整体机床数控化的提高，以适应日益复杂的加工过程。
4．4 数控技术在汽车工业中的应用
汽车工业近20年来发展尤为迅猛，在快速发展的过程中，汽车零部件的加工技术也在快速发展，数控技术的出现，更加快了复杂零部件快速制造的实现过程。
将高速加工中心和其它高速数控机床组成的高速柔性生产线集“高柔性”与“高效率”于—体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的产效率，从而打破汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现
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了多品种、中小批量的高效生产。如美国F0rd汽车公司和Ingersoll机床公司合作，经过多年的努力，研制成HVM80型卧式加工中心。同时采用高速电主轴和直线电机，主轴最高转速为24000r／min，工作台最大进给达7612m／min，即不到18工作台可行程lm，瞬间完成一个工作行程。用这种高速加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入要减少40％。
由上面这个例子可以看出，数控加工技术中的快速成形制造技术在复杂的零部件加工制造中可以很轻易方便的实现，不仅如此，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得到了广泛深入的应用。21世纪的汽车加工制造业已经离不开数控加工技术的应用了。
结束语
PC机进人数控领域，极大的促进了数控技术的发展，也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供了机遇。机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进数控制造技术的世界潮流。将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之。在我国研究和发展数控制造技术势在必行。
绿色再制造业是一个具有广泛发展前景的新兴产业，然而至今尚无人对再制造工艺知识的分类进行探讨，设计出满足再制造企业需求的工艺知识管理系统。本文根据再制造生产的特点对再制造工艺知识进行分类，对再制造工艺知识管理系统进行研究。该系统无疑对实现再制造工艺知识的共享，缩短再制造产品的生产周期等诸多方面有显著的作用，所建立的再制造工艺知识管理系统是对再制造工程技术信息化的有益补充。 致谢
本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的毕业论文的，同窗之间的友谊永远长存，在学习和生活期间，也始终感受着老师的指导和无私的关怀，我受益匪浅。再次向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本论文能够顺利完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在论文中得以体现。同时我在网上也搜集了不少资料，才是我的论文顺利完成，在此向学院机电工程学院的所有老师表示由衷的谢意。
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毕业设计（论文）成绩评定表
一、指导教师评分表（总分为70分）
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二、答辩小组评分表（总分为30分）
三、系答辩委员会审定表
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