【正文】 ；拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用； 經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)控制電路，布置各 傳感器。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以 “做得出、用得上、賣得掉 ”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品 。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 (數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 )的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問(wèn)題。 發(fā)展策略 從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21 世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè) ，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定 。 戰(zhàn)略考慮 我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步 “空芯 ”。 (4)技術(shù)方面企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。沒(méi)有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。 存在差距的主要原因 (1)認(rèn)識(shí)方面對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長(zhǎng)期性的特 點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足 。 (3)可持續(xù)發(fā)展的能力上，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng) 。 ，對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)水平和 產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì) (1)技術(shù)水平上，與國(guó)外先進(jìn)水平大約落后 10 至 15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。 (3)建立了一支數(shù)控研究、開(kāi)發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)高端數(shù)控技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國(guó)的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn) 廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。 (1)奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)我國(guó)現(xiàn)在己基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)己具備進(jìn)行商品化開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)己商品化、產(chǎn)業(yè)化。在 “九五 ”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá) 50， 配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng) (普及型 )也達(dá)到了 10%。第三階段是在國(guó)家的 “八五 ”的后期和 “九五 ”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。第二階段是在國(guó)家的 “六五 ”、 “七五 ”期間以及 “八五 ”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。 我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展 我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3 個(gè)階段 :第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。美國(guó)的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開(kāi)發(fā)者，他已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級(jí)模型(Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過(guò)程。 目前，歐美國(guó)家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計(jì)劃( ～ ) 。而在新標(biāo)準(zhǔn)下， NC 程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。 STEPNC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè) ，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過(guò)程，顯然，他已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。我國(guó)在 2021 年也開(kāi)始進(jìn)行中國(guó)的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。國(guó)內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造第 一 章 緒論 11 公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在 EMO2021 展中，日本山崎馬扎克（ Mazak)公司展出的 “CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡(jiǎn)稱 CPC)；日本大隈（ Okuma）機(jī)床公司展出 “IT plaza”（信息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱 IT 廣場(chǎng) )；德國(guó)西門子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（開(kāi)放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱 OME）等，反映 了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目 前許多國(guó) 家 對(duì) 開(kāi) 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 研 究 ， 如 美 國(guó) 的 NGC(The Next Generation WorkStation/Machine Control)、歐共體的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中國(guó)的 ONC(Open Numerical Control System)等。 3. 智能化、開(kāi)放 式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 在 EMO2021 展會(huì)上，新日本工機(jī)的 5 面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5 面加工和 5 軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得 實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。一般認(rèn)為， 1 臺(tái) 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于 2 臺(tái) 3 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)， 5 軸聯(lián)動(dòng)加工可比 3 軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸 、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 在加工精度方面，近 10 年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm提高到 5μm，精密級(jí)加工中心則從 3～ 5μm，提高到 1～ ，并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) ()。美國(guó) CINCINNATI 公司的HyperMach 機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá) 60m/min，快速為 100m/min，加速度達(dá) 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 60000r/min。 從 EMO2021 展會(huì)情況來(lái)看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/min左右。近來(lái)采用大型整體鋁合金坯料 “掏空 ”的方法來(lái)制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來(lái)替代多個(gè)零件通過(guò)眾 多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（ CIRP）將其確定為 21世紀(jì)的中心研究方向之一。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面： 1. 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。 (2)可采用存儲(chǔ)卡改變輸入輸出。 e. 先進(jìn)的操作：性和維修性。 (3)可以用 C 語(yǔ)言編程； 32 位的 C 語(yǔ)言處理器可作為實(shí)時(shí)多任務(wù)運(yùn)行；它與梯形圖計(jì)算的 PMC 處理器第 一 章 緒論 9 并行工作。 d. 具有高速內(nèi)裝的 PMC(有的廠商稱為 PLC)， 以減少加工的循環(huán)的時(shí)間： (1)梯形圖和順序程序由專用的 PMC 處理器控制，這種結(jié)構(gòu)可進(jìn)行快速大規(guī)模順序控制。 (2)設(shè)備層通信網(wǎng)絡(luò)： 15㈠ 150i 采用 I／ 0 LINK(與日本標(biāo)準(zhǔn) JPCN—1 相對(duì)應(yīng)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。適應(yīng)工廠自動(dòng)化需要，支持標(biāo)準(zhǔn) FA 網(wǎng)絡(luò)及 DNC 的連接。 NURBS插補(bǔ)不需任何硬件。也可以進(jìn)行 NURBS(Non uniform rat 主 ona!B spline)插補(bǔ)。 (3)系統(tǒng)可在分辨率為 1nm 時(shí)工作，適用於控制超精機(jī)械。 (2)智能控制，計(jì)及機(jī)床的機(jī)械性能，可按最佳的允許進(jìn)給率和最大的允許加速度使機(jī)床的功能得到最大的發(fā)揮。 15i／ 150 主具有高精納米插補(bǔ)功能；即使系統(tǒng)的沒(méi)定編程單位為 1um，通過(guò)納米插補(bǔ)也可提供給數(shù)字伺服以 lnm 為單位的指令，平滑了機(jī)床的移動(dòng)量，提高了加工表面光潔度，大大減少加工工表面的誤差。功能以高速、超精為核心，并具有智能控制。其快移速度與分辨率關(guān)系如下表 11。這里以 FANUC 最先進(jìn)的 CNC 控制系統(tǒng) 15i／ 150i 為例說(shuō)明系統(tǒng)功能的發(fā)展。西門子最新推出 802D 的伺服控制就是由ProfibusDP 控制的。有的公司還有自己的總線，比如 FANUC 的 FSSB， I／ OLINK(相當(dāng)于 JPCN—1)， YASKAW^的 MOTIONLINK 等。它對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本非常重要。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線是面向：工廠底層自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：信息集成能力不強(qiáng)、系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差、專業(yè)性不強(qiáng)、可靠性不易保證、可維護(hù)性不高。其主要特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一，即一個(gè) I/0 點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及 CIMS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間單元控制級(jí)及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)及 I／ 0 控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層 ，向工廠級(jí)提供數(shù)據(jù)。 CNC 與通信網(wǎng)絡(luò)連系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶與 NC 生產(chǎn)廠直接 通信：進(jìn)而，把制造廠家連系一起，構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡(luò)。通過(guò) DNC 功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件程序的上傳或讀、寫 CNC 的數(shù)據(jù)： PLC 數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。 (2)車間單元控制級(jí)。這種通信通常分三級(jí)： (1)工廠管理級(jí)。大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。由于電力電子技術(shù)及控制理論、微處理器等微電子 技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運(yùn)算及處理能力的提高，特別是 DSP 的應(yīng)用，使系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。對(duì)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術(shù)取得的最大突破可以歸結(jié)為：交流驅(qū)動(dòng)取代直流驅(qū)動(dòng)、數(shù)字控制取代模擬控制、或者把它稱為軟件控制取代硬件控制。它由 兩個(gè)非接觸元件組成，即磁板和線卷滑座：電磁力直接作用于移動(dòng)的元件而無(wú)需機(jī)械連接，沒(méi)有機(jī)械滯后或螺距周期誤差，精度完全依賴于直線反饋系統(tǒng)和分級(jí)的支承，由全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)，剛性高，頻響好，因而可獲得高速度。從 80年代開(kāi)始，逐漸應(yīng)用在數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置上。如果把直流電機(jī)進(jìn)行 “里翻外 ”的處理，即把電驅(qū)繞組裝在定子，轉(zhuǎn)子為永磁部分，由轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測(cè)出磁極位置，這就構(gòu)成了永磁無(wú)刷電機(jī)。從 70 年代末， 交流異步電機(jī)雖然價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但早期由於控制性能差，所以很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。 (4)容易做成 ASIC 電路。 (2)基于數(shù)值計(jì)算，精度高。廣義上說(shuō)，采用計(jì)算機(jī)控 制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為 “軟件伺服 ”。由于它工作可靠，界面開(kāi)放，越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎。為了增加開(kāi)放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用 (1)方案，即在不變化原系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一塊 PC 板，提供鍵盤使用戶能把 PC 和 CNC 聯(lián)系在一起，大大提高了人機(jī)界面的功能比較典型的如 FANUC 的 150/160／ 180／ 210 系統(tǒng)。加上這些廠家長(zhǎng)期已經(jīng)生產(chǎn)大量的數(shù)控系統(tǒng)：體系結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)他們?cè)到y(tǒng)的維修服務(wù)和可靠性產(chǎn)生不 良的影響。但目前主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)最主要的性能是可靠性，象 PC 機(jī)存在的死機(jī)現(xiàn)象是不允許的。 (2)PC+運(yùn)動(dòng)控制板：把運(yùn)動(dòng)控制板插入 PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實(shí)時(shí)控制用，而 PC 機(jī)主要作非實(shí)時(shí)控制。機(jī)床制造商可以在該開(kāi)放系統(tǒng)的平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。首先就要求數(shù)控系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)界面和平臺(tái)開(kāi)放而自由地執(zhí)行和表達(dá)自己的思路。 數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提 高了加工精度、速度和效率。 1 .2. 2數(shù)控技術(shù) 數(shù)控技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1 開(kāi)放結(jié)構(gòu)的發(fā)展 數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近 50 年的歷史。 我國(guó)機(jī)械工業(yè)自主技術(shù)創(chuàng)新的積極