【文章內(nèi)容簡介】 大。 數(shù)控機床的發(fā)展 人類歷史是一部始終“有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造、有所前進(jìn)”的發(fā)展史，數(shù)控機床的歷史也如 人類歷史一樣，在跨越了半個多世紀(jì)的發(fā)展進(jìn)步之后，一直向更高、更快、更強的的境界發(fā)展。根據(jù)目前的發(fā)展動態(tài)，數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。 （ 1）越來越高速化的數(shù)控技術(shù)。 向高速化方向發(fā)展的數(shù)控機床，充分地發(fā)揮了現(xiàn)代刀具材料的性能，不但大幅度提高了零件的表面加工質(zhì)量和精度，而且還降低了加工成本、提高了加工效率，適應(yīng)了制造業(yè)對低成本、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)的需求。所以，在最近的幾年中各國都竟相開發(fā)出新一代的高速的數(shù)控機床，加快了高速化機床的發(fā)展進(jìn)程。目前高性能的數(shù)控和伺服系統(tǒng)、高速的主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速 15,000100,000r/min） 、高速且高加 /減速度的進(jìn)給運動部件（快移速度達(dá) 150m/min 以上，加速度達(dá) 以上，切削徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 進(jìn)給速度達(dá) 100m/min 以上）以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的發(fā)現(xiàn)，并且都取得了意想不到的成果，提高了技術(shù)水平。在大功率高速主軸、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具、超高速切削機理、高加 /減速度直線電動機驅(qū)動進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)得以解決的情況下，大量涌現(xiàn)了新一代高速數(shù)控機床，滿足制造業(yè)快速發(fā)展的需要。 （ 2）越來越智能化的數(shù)控技術(shù) 。 通過與快速發(fā)展的人工智能相融合的數(shù)控技術(shù)，使數(shù)控機床具備了以下的功能：自適應(yīng)控制，自動編程，運動參數(shù)動態(tài)補償，學(xué)習(xí)控制，前饋控制，工藝參數(shù)自動生成，模糊控制，三維刀具補償，自動識別負(fù)載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)等。并且具有非常友好的人機界面，同時具備了讓系統(tǒng)功能更趨于完善的故障診斷專家系統(tǒng)和故障監(jiān)控功能。隨著越來越成熟的人工智能（包括專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制等）理論與技術(shù)，也使數(shù)控機床的智能化程度得到了極大的提高，目的在于更好地實現(xiàn)對人類智力的延伸。 (3)越來越網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控技術(shù)。 數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化的重要意義主要體現(xiàn)在三個方面，首先是在企業(yè)之間，敏捷制造（ AM）等先進(jìn)制造模式更加需要數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化功能，大大推動了企業(yè)間的合作與資源共享；其次是對數(shù)控機床制造商和用戶，數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化使制造商能夠通過計算機網(wǎng)絡(luò)為用戶提供遠(yuǎn)程故障診斷、維修、技術(shù)咨詢等服務(wù)；最后是在企業(yè)內(nèi)部，具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控機床可充分實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部資源和信息的共享，使企業(yè)底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更加簡便有效。因此，數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足制造企業(yè)、制造系統(tǒng)、生產(chǎn)線對信息集成的需求，同時也是新的制造模式如、虛擬企業(yè)、敏捷制造 的重要基礎(chǔ)。 （ 4）越來越復(fù)合化的數(shù)控技術(shù)。 增加了數(shù)控機床的復(fù)合加工功能即為數(shù)控機床的復(fù)合化，并且進(jìn)一步提高了工序的集中度，減少了多工序加工零件的上下料時間，避免了在不同機床上的零件進(jìn)行的工序轉(zhuǎn)換，從而增加了工序間等待和輸送時間，降低了零件的生產(chǎn)周期，最終滿足了敏捷生產(chǎn)的現(xiàn)代生產(chǎn)模式的需要?？捎脭?shù)控屋面加工龍門銑床（加工中心）來說明復(fù)合化數(shù)控機床的效益，它可以大大縮短零件的生產(chǎn)周期至工序分散的非數(shù)控機床的 16%，并且能夠使加工過程中的切削時間比率由 17%增至 70%，從而提高了機床的利用率，同時減少了由于 多次安裝零件引起的誤差，便于保證加工精度。典型的復(fù)合化數(shù)控機床有 5 面加工與 5軸聯(lián)動數(shù)控機床。通常由于數(shù)控機床與主機、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、編程技術(shù)難度大等原因，制約了關(guān)于 5面加工與 5軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展。當(dāng)前在電主軸出現(xiàn)的情況下，大為簡化了 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)，大幅度降低了其制造難度和成本，縮小了數(shù)控系統(tǒng)的價格差距，最終推動了復(fù)合加工機床（含 5 面加工機床）和復(fù)合主軸頭類型的 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 （ 5）越來越開放化的數(shù)控技術(shù)。 基于 PC 的 CNC 系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的是具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，其對外開放的有硬 件、軟件和總線規(guī)范，并且可以大量采用通用微機的先進(jìn)技術(shù)（如多媒體技術(shù)等），從而圖形掃描自動編程、實現(xiàn)聲控自動編程等功能。徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 由于具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)可供利用的軟、硬件資源十分的充足，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且極大的方便用戶的二次開發(fā)，同時使用戶能夠?qū)⒓夹g(shù)訣竅和特殊應(yīng)用歸結(jié)到控制系統(tǒng)之中，從而大大的推動了數(shù)控系統(tǒng)多品種、多檔次的開發(fā)和應(yīng)用。開放式的體系結(jié)構(gòu)不僅可以通過升檔或剪裁使之構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，而且可以通過擴展從而構(gòu)成不同類型的數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，從而大大縮短了開發(fā)生 產(chǎn)周期。開放化的體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)具有更加良好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，而且大大方便了數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。所以近幾年許多國家都在紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國的 NGC、歐盟的 OSACA、日本的 OSEC 和中國的 ONC 等。 （ 6）越來越精密化的數(shù)控技術(shù)。 為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，同時也是為了達(dá)到改善普通機電產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和可靠性的目的，滿足減少其裝配時的工作量從而達(dá)到提高裝配效率的目的，數(shù)控機床的精密化越來越高。隨著最近幾年高新技術(shù)的發(fā)展以及機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，數(shù)控機床用戶對加 工精度的要求也隨著提高。在滿足精密和超精密的需要的方面，世界上的各個工業(yè)強國都在努力發(fā)展高精度的數(shù)控機床。在最近的10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 +10um 提高到 +5um，精密級數(shù)控機床的加工精度則從 +3～ 5um 提高到 +1～ ，超精密數(shù)控機床加工精度已開始進(jìn)入納米級（ ） 。 先進(jìn)數(shù)控加工技術(shù) 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制（ Direct Numerical Control）又稱為分布式數(shù)字控制（ DNC），其研究始于 20世紀(jì) 60年代。它指的是用一臺通用計算機直接控 制和管理若干臺數(shù)控機床進(jìn)行零件或裝配的系統(tǒng)，所以又稱為計算機群控，如圖 所示。當(dāng)時的研究目的主要是為了解決早期數(shù)控設(shè)備成本高等問題。 70 年代以后， DNC 已經(jīng)由簡單的直接數(shù)字控制發(fā)展為分布式數(shù)字控制。分布式數(shù)控既具有直接數(shù)字控制的所有功能，也具有系統(tǒng)控制、系統(tǒng)信息收集及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視等功能。相對群控而言，它的最大的優(yōu)點在于 DNC 中的各數(shù)控機床都能夠自治。此時，如果主控計算機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中的各數(shù)控機床仍然是可以繼續(xù)工作的。在 80 年代之后， CIMS 技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，擴大了 DNC 的內(nèi)涵和功能 ，并且開始注重車間的加工操作、生產(chǎn)計劃和技術(shù)準(zhǔn)備等基本作業(yè)的車間的集成信息，并進(jìn)行集中監(jiān)控與分散控制，而且通過局域網(wǎng)把生產(chǎn)任務(wù)分配給各個加工單元，同時相互交換信息，最終可以與整個工廠的計算機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，形成一個較大的、較完整的制造系統(tǒng)。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 圖 DNC 的基本功能是傳送 NC程序。隨著 DNC技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代 DNC 還具有制造數(shù)據(jù)傳送（ NC 程序上傳、 NC 程序校對文件下傳、刀具指令下傳、托盤零點值下傳、機器人程序下傳、工作站操作指令下傳等）、狀態(tài)數(shù)據(jù)采集（機床狀態(tài)、刀具信息和托盤信息等）、刀具管理 、上傳調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控、單元控制和 CAD/CAPP/CAM 接口等功能。 目前， DNC 技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在 DNC 與 CIMS 的集成、 DNC 系統(tǒng)的模塊化與商品化、基于現(xiàn)場總線與計算機局域網(wǎng)的 DNC產(chǎn)品開發(fā)，以及 DNC 產(chǎn)品與數(shù)控系統(tǒng)的配套開發(fā)和生產(chǎn)等方面。 柔性制造系統(tǒng) 柔性制造單元（ FMS）是以中心控制計算機和加工中心為主體，再配上托盤自動交換裝置或工業(yè)機器人、刀具和工件的自動檢測裝置、加工過程監(jiān)控裝置等組成的自動檢測加工系統(tǒng)。由于工件一次裝夾后可在柔性制造單元中的加工中心上加工， 因此比加工中心具有更高的制造柔性、加工精度和生產(chǎn)效率。 圖 所示為北京精密機床廠生產(chǎn)的 FMC1 型柔性制造單元。它由臥式加工中心、環(huán)形交換工作臺、托盤及托盤交換裝置組成。在加工過程中，工件裝夾在托盤上，類似通常的隨行夾具與工件一起流動。用于工件的輸送與中間存儲是環(huán)形工作臺，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動在環(huán)形導(dǎo)軌上回轉(zhuǎn)的是托盤座，并且每個托盤座上都有地址識別碼。當(dāng)一個工件完成加工之后，數(shù)控機床發(fā)出完結(jié)信號，通過托盤交換裝置將加工完的工件（包括托盤）拖到回轉(zhuǎn)臺的空位處，然后轉(zhuǎn)到裝卸工位，同時將待加工工件推至機床工作臺并 定位加工。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 圖 FMC1型柔性制造系統(tǒng) 1環(huán)形交換工作臺 2托盤座 3托盤 4加工中心機床 5托盤交換裝置 在車削 FMC 中一般不使用托盤交換工件，而是直接由機械手將工件安裝在卡盤中，裝卸料由機械手或機器人實現(xiàn)。 FMC 是在加工中心（ MC）、車削中心（ TC）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可以作為獨立運行的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行自動加工，也可以作為 FMS 的加工模塊。 FMC 具有規(guī)模小，成本低（相對FMS），占地面積小，便于擴展等優(yōu)點，它可在單元計算機的控制下，配以簡單的物料傳送裝置，擴展成小型的柔性制造系統(tǒng) ，特別適用于中、小型企業(yè)。 柔性制造系統(tǒng)（ FMS）由一組數(shù)控機床組成，它能隨機地加工一組具有不同加工順序及加工循環(huán)零件，實行自動運送材料及計算機控制，以便動態(tài)地平衡資源的供應(yīng)，從而使系統(tǒng)自動地適應(yīng)零件生產(chǎn)混合的變化及生產(chǎn)量的變化。一般認(rèn)為，柔性制造系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)組成。圖 所示為一柔性制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 13 柔性制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 （ 1） 加工系統(tǒng)。加工系統(tǒng)又稱為加工單元或制造單元，它由 自動化設(shè)備、檢驗站、清洗站、裝配站等組成，是 FMS 的基本制造單元。加工系統(tǒng)中的自動化加工設(shè)備通常由 5～10臺 CNC 機床、加工中心及其附屬設(shè)備（如工件裝卸系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、切屑處理系統(tǒng)和刀具交換系統(tǒng)等）組成。 （ 2） 物料儲運系統(tǒng)。物料儲運系統(tǒng)在計算機控制下主要實現(xiàn)工件、刀具和夾具的輸送及入庫存放，它由自動化倉庫。中央刀具庫、自動輸送小車、輸送帶及搬運機器人等組成。在 FMS 中，工件一般通過專用夾具安裝愛托盤上，工件輸送時連同整個托盤一起由自動輸送小車進(jìn)行輸送。刀具輸送是利用利用機器人實現(xiàn)刀具進(jìn)出系統(tǒng)以及系統(tǒng)中央倒庫和各 加工設(shè)備刀庫之間的刀具輸送。 （ 3） 信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)