高速数控机床的关键技术范文
时间：2023-12-20 17:55:54
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关键词：数控技术；一体；变化；核心
数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化是当今制造业的发展方向，机械制造的竞争其实质是数控的竞争。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“高档数控机床与基础制造装备”确定为16个科技重大专项之一。通过国家相关计划的支持，我国在数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术。这主要体现在以下几个方面：
（1）中高档数控机床的开发取得了较大进展，在五轴联动、复合加工、数字化设计以及高速加工等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控加工机床，精密及超精密数控机床以及一大批专门化高性能机床，并形成了一批中档数控机床产业化基地。
（2）关键功能部件的技术水平、制造质量逐年稳步提高，功能逐步完善，部分性能指标接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。开发出了高速主轴单元、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、高速导轨防护装置、直线电机、数控转台、刀库与机械手、A/C 轴数控铣头、高速工具系统、数字化量仪等高性能功能部件样机，其中有的品种已实现小批量生产。
（3）中高档数控系统开发研究与应用取得一定成果。通过自主研发或与国外开展技术合作，在中档数控系统的开发和生产上取得明显进展。初步解决了多坐标联动、远程数据传输等技术难题；为适应数控系统的配套要求，相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统，并形成了系列化产品。
1、与国外的差距
1.1高档数控机床的国内供应能力不足。尽管我国机床行业近年来取得了长足的发展，数控化率稳步提高，但机床消费和生产的结构性矛盾仍然比较突出。目前，国内对中高档机床的需求量逐渐超过低档机床。但国产数控机床以低档为主，高档数控机床绝大部分依赖进口。
1.2自主创新能力不足。长期以来，我国机床制造业的基础、共性技术研究工作主要在行业性的研究院所进行。能力薄弱，技术创新投入不足，引进消化吸收能力差，低水平生产能力过剩，自主创新能力不高，缺乏优秀技术人才。虽然国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对基础共性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，企业的市场响应速度慢。
1.3 产品质量、可靠性及服务等能力不强。国产机床在质量、交货期和服务等方面与国外著名品牌相比存在较大的差距。在质量方面，国产数控系统的可靠性指标MTBF 与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、加工中心的MTBF 与国际上先进水平也有较大差距。在交货期方面，绝大多数企业由于任务重拖期交货。服务体系不健全，在市场开拓、成套技术服务、快速反应能力等方面不能满足市场快节奏和个性化的要求。
1.4 功能部件发展滞后。机床是由各种功能部件（主轴单元及主轴头、滚珠丝杠副、回转工作台和数控伺服系统等）在床身、立柱等基础机架上集装而成的，功能部件是数控机床的重要组成部分。数控机床整体技术与数控机床功能部件的发展是相互依赖、共同发展的，所以功能部件的创新也深深地影响着数控机床的发展。我国数控机床功能部件已有一定规模，电主轴、主轴单元、数控系统等也有专门的制造厂家，其中个别产品的制造水平接近国际先进水平。但整体上，我国机床功能部件发展缓慢、品种少、产业化程度低，精度指标和性能指标的综合情况还不过硬。目前，滚珠丝杠、数控刀架、电主轴等功能部件仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高档数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件等还依赖进口。
2、国内数控机床的发展趋势
根据2004年10月，完成的《数控机床产业发展专项规划》。国内数控机床大致发展趋势表现在以下几方面：
2.1 智能、高速、高精度化
新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件（如电主轴、直线电机、LM 直线滚动系统等）主轴转速达15，000r/min 以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。一台机床的重复定位精度如果能达到0.005 mm（ISO 标准、统计法），就是一台高精度机床，在0.005mm（ISO 标准、统计法）以下，就是超高精度机床。高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造（CAM）系统的发展，精密度已达到微米级。
2.2 设计、制造绿色化
绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发、制造及其活动对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计；可拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设计等。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，通过绿色生产过程生产出绿色产品。数控机床在制造时要考虑：节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环保型工艺设计等
2.3 复合化与系统化
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一、数控的发展历史
1952年美国帕森斯（PARSONS）公司与麻省理工学院（MIT）合作试制了世界上第一台三坐标联动、利用脉冲乘法器原理工作、直线插补连续控制的立式数控铣床。1954年11月美国本迪克斯公司（Bendix一eooperation）生产了世界上第一台工业用数控机床。最初由电子管控制，随后经历了用晶体管控制、集成电路控制（NC）、计算机控制（CNC），直到用微处理器控制（MNC）。数控系统到现在已经发展到了第六代，数控系统采用电子管的为第一代（1952年），晶体管的为第二代（1959年），小规模集成电路的为第三代（1965年），20世纪70年代小型计算机开始用于数控系统（1970年），成为第四代数控系统。1974年微处理器开始用于数控系统，数控系统发展到第五代。前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC;从第四代开始的数控系统称为软接线（软件）数控，即计算机数控（CNC），其控制功能大部分由软件技术来实现，因而使得硬件得到简化，系统可靠性得到提高，功能更加灵活和完善[l.]。从20世纪末到今天，在生产中使用较多的数控系统还是第五代数控系统。第五代数控系统的ePu采用80286、80386芯片，用DOS3.3、DOS6.2软件。随着个人计算机的飞速发展，芯片的集成度越来越高，功能越来越强，成本也越来越低，软件和器件又越来越好，出现了以个人计算机（PC机）为平台的数控系统，数控系统进入第六代（1990年）。第六代数控系统采用现代个人计算机（PC机）、采用Windows95、Windows98或Windows20OO操作系统。第五代数控系统的存储量小，只有32KB、64KB，为解决存储器小的问题而采用RS232、Rs485接口，与计算机通信传输。由于受到通信瓶颈限制，不能进行高速进给，当插补线段长度小于0.05mm时加速度只有每分钟几百毫米，不能满足高速进给的需要。而第六代数控系统的存储量可达120GB以上，cAD、cAM的加工代码可通过网络传到硬盘上，网络速度比RS232接口速度提高了几千倍，加工数据可在加工前全部存储到硬盘上，避免了边加工边传送数据的缺点，解决了高速高精度加工的问题。第六代数控系统采用标准的计算机显示器，分辨率高、价格低、可靠性好，而且具有网络通信功能。
二、数控机床的发展趋势
随着计算机技术的发展，数控机床不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，它的性能日臻完善，应用领域日益扩大。同时，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要求，当前，世界数控技术及其装备正朝着下述几个方向发展。要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间;要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。
1.高速、高效
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。新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才-可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床，特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。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15000一100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60一120m/min，切削进给速度高达6Om/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，数控机床正在朝高速方向发展。
2.高精度
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（<10纳米），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，以适应现代科技发展的需要。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。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。
3.高可靠性
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在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。
为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。
1 总体战略
制定符合中国国情的总体发展战略，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。通过对数控技术和产业发展趋势的分析和对我国数控领域存在问题的研究，我们认为以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路将是一种符合我国国情的发展数控技术和产业的总体战略。
1.1 以科技创新为先导
中国数控技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新的成分不多。这种局面在发展初期的起步阶段，是无可非议的。但到了世界数控强手如林的今天和知识经济即将登上舞台的新世纪，这一常规途径就很难行通了。例如，在国外模拟伺服快过时时，我们开始搞模拟伺服，还没等我们占稳市场，技术上就已经落后了；在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时，我们就跟着搞这类所谓的数字伺服，但至今没形成大的市场规模；近来国外将数字式伺服发展到用网络（通过光缆等）与数控装置连接时，我们又跟着发展此类系统，前途仍不乐观。这种老是跟在别人后面走，按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统，在技术上难免要滞后，再加上国外公司在我国境内设立研究所和生产厂，实行就地开发、就地生产和就地销售，使我们的产品在性能价格比上已越来越无多大优势，因此要进一步扩大市场占有率，难度自然就很大了。
为改变这种现状，我们必须深刻理解和认真落实“科学技术是第一生产力”的伟大论断，大力加强数控领域的科技创新，努力研究具有中国特色的实用的先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。这样，才不会被国外牵着鼻子，永远受别人的制约，才有可能用先进、实用的数控产品去收复国内市场，打开国际市场，使中国的数控技术和数控产业在21世纪走在世界的前列。
1.2 在商品化上狠下工夫
近几年我国数控产品虽然发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。
影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。
另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一旦发现问题，即立即反馈给开发部门予以解决。经过这样的测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。好些问题要等到用户去给我们挑出来。这样，即使一个小问题也将严重影响国产数控产品的声誉。
因此，我们应充分重视上述问题，在商品化上切实狠下工夫，将其作为数控产业的主干来抓，贯穿于技术研究、产品开发、试制、生产等的全过程中，从而将我们已有的技术水平较高的数控产品变成真正有市场的好商品。
1.3 将管理和营销作为产业发展重点
经过20来年市场风雨的冲击，国人已越来越认识到，技术固然重要，但在市场经济的环境下，要在激烈的全球竞争中获胜，管理和营销就显得更为重要。例如，我国台湾生产的数控机床不但占领了大陆市场的相当大的份额，而且还打进了美国市场。是台湾数控机床的技术和质量超过美国了吗？显然不是。那他们靠的是什么？重要的一条就是在企业管理和产品营销上下了工夫。而我们长期以来把主要精力放在开发技术和提高水平上，忽视了经营管理、市场开拓、产品营销等方面的工作，结果在新技术、新产品开发出来以后，在产品质量提高以后，企业仍然处于产品销售不畅的困境［1］。国内外的经验说明，数控产品的竞争力不仅取决于技术，更取决于经营管理能力和营销能力。
因此，从现在起我们应将管理和营销作为产业发展重点，真正摆脱计划经济时代所遗留下来的思维方式和工作习惯的束缚，建立适应市场的高效、灵敏的运行机制和有效的激励机制。通过这种机制，一方面切实加强企业管理，激发企业负责人和广大职工的负责精神、创造精神和献身精神，努力提高产品的竞争能力；另一方面充分调动企业内外、行业内外一切积极因素，大力加强市场开拓力度，奋力打通营销渠道。可以坚信，有过硬竞争力的产品，再加上北京开关厂那样的“找、挣、钻、抢”精神，我们就一定能在市场竞争中取得胜利。
1.4 大力加强技术支持和服务
数控系统和数控机床作为典型的高技术产品，对用户的技术支持和服务是相当重要的。以前国产数控产品丧失信誉的原因，除可靠性问题外，另一大问题就是缺乏有力的技术支持和服务。用户花了很多钱买的数控机床或数控系统，一旦出现问题却叫天天不应，叫地地不灵，以后谁还敢买我们的产品。因此，应将对用户的技术支持和服务当成重要的日常工作来抓，使我们在市场上向纵深挺进时，有一个强大后方。因此，为了取得数控产品市场竞争的全面胜利，必须建立以技术支持和服务为核心的强大后方。当然，为赢得主动，后方也须主动出击。目前，利用先进的信息技术手段（如网络和多媒体），将为建立新一代立体化的技术支持和服务体系开辟新的途径。
1.5 坚持可持续发展道路
可持续发展是下一世纪企业发展的重要战略，我国数控产业要有大的发展也必须坚持走可持续发展的道路。绿色是实现可持续发展的重要途径，其主要思想是清洁和节约。为此应大力加强绿色数控产品的开发，加速促进数控产品、数控产业以及整个制造业的绿色化，主要战略措施应考虑以下几方面：①有效减少产品制造及使用过程中的环境污染。如减少数控机床的铸件结构，消除铸造对环境的污染；将数控机床主轴的以油气、喷油等取代油雾，减少对生产环境的污染；在精密数控机床及其运行环境的温度控制中取消氟利昂制冷的恒温技术；以电传动代替机械传动，减少噪声污染。②大幅度降低资源消耗和能源消耗。如以软件代替硬件，从而减少硬件制造的资源和能源消耗及污染，并减少产品寿命结束后硬件装置的拆卸回收问题；以永磁驱动代替感应驱动，提高效率和功率因数，节约能源；以电传动代替机械传动，提高效率，减少能源消耗。③加强用数控技术改造传统机床。这既符合运用信息技术和自动化技术改造传统产业，使传统产业生产技术和装备现代化这一产业可持续发展的目标得以实现，又可取得巨大的经济效益。我国拥有普通机床数百万台，加强用数控技术改造传统机床将成为下世纪我国数控领域的重要发展方向。④大力发展绿色数控机床。绿色数控机床应是材料消耗少、能耗低、无污染，寿命长且便于拆卸回收的新型机床。例如，以并联结构代替串联结构就是开发绿色数控机床的一条途径，这是因为并联结构机床消耗的金属材料仅为常规串联结构机床的几分之一，其加工量也比常规机床大幅度减少，特别是消除了大型结构件的铸造，这将显著降低机床制造过程中的能源消耗和对环境的污染。此外，并联结构机床有利于采用电传动，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。
国际标准化组织制定了ISO14000环境管理标准，全球环境问题“法律化”的趋势正在进一步发展，可持续发展将成为企业通向国际市场的通行证［2］。因此，我们的数控产品要在下一世纪走向国际市场，我们的企业就必须“从我做起，从现在做起”。
2 技术途径
2.1 发展具有中国特色的新一代PC数控系统
数控系统是各类数控装备的核心，因此通过科技创新首先发展具有中国特色的新型数控系统，将是推动数控产业化进程的有效技术途径。
实践证明，10年来我们所走的PC数控道路是完全正确的。PC机（包括工业PC）产量大、价格便宜，技术进步和性能提高很快，且可靠性高（工业PC主机的MTBF已达30年［3］）。因此，以其作为数控系统的软硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且还可充分利用通用微机已有软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通讯等。此外，以通用微机作为数控平台还可获得快速的技术进步，当PC机升级换代时，数控系统也可相应升级换代，从而长期保持技术上的优势，在竞争中立于不败之地。
目前，PC数控系统的体系结构有2种主要形式：（1）专用数控加PC前端的复合式结构；（2）通用PC加位控卡的递阶式结构。另外还有一种正在发展的数字化分布式结构。其方案是将由DSP等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。这种系统虽然性能很好，但由于开发和生产成本太高，近期难以被国内广大用户所接受。我们认为，上述结构并不是符合中国国情的最好方案，适合中国国情的应是将所有数控功能全软件化的集成式结构，因为这种结构的硬件规模最小，不但有利于降低系统成本，而且更重要的是可以有效提高系统的可靠性。
几十年的经验表明，可靠性好坏是国产数控系统能否发展的关键。虽然影响数控系统可靠性的因素很多，但过大的硬件规模和较低的硬件制造工艺水平往往对可靠性造成最大的威胁。以往，国产数控系统在总体设计时由于种种原因的限制，不得不选用技术指标不太高的普通CPU，这样，为完成数控的复杂功能往往需要由多个CPU来组成系统，有时还需另加一些专用或通用硬件电路来实现数控系统的一些高实时性功能（如细插补、位置伺服控制等），从而造成系统硬件规模庞大。对于数控系统这种批量不大的产品，在国内现有工艺条件下，很难从硬件制造的角度保证系统的可靠性，因而使得国产数控系统在生产现场的表现不佳，对国产数控系统的形象和声誉造成严重影响，使得不少用户现在还心有余悸。
因此，我们在开发新型数控系统时，应优先选用新型高性能CPU（如高主频的Pentium II、Pentium III等）作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控的所有功能。这样，可大幅度减小系统硬件的规模。此外，还应在软件设计、电源设计、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计和施工等方面采用强抗扰高可靠性设计与制造技术，从而全面提高系统的可靠性。
由于一个新型高性能CPU可以代替数十个普通CPU（如80286、80386等），因此，在基于高性能CPU的PC平台上不仅可以完成数控系统的基本功能（如信息处理、刀补计算、插补计算、加减速控制等）和开关量控制功能（内装PLC），而且还可以完成伺服控制功能。这样，以前由DSP完成的数字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量变换控制等）均可由PC中的CPU完成，从而实现内装式伺服控制，这不仅有效缩小了数控部分的硬件规模，而且还大幅度缩小了伺服控制部分硬件规模。
这种具有内装PLC和内装伺服控制的全软件化集成式数控系统，其硬件规模将达到最小化，整个数控系统除一个PC平台外，剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈接口。这既有效提高了系统可靠性，又消除了信息传递瓶颈，提高了系统性能，同时还可显著降低系统成本，使系统（包括电机）售价将可降至现有数控系统的一半左右。显然，这种高性能、高可靠性、低成本的新型数控系统将具有极强的竞争力，有望为开创中国数控的新局面作出贡献。
此外，集成化PC数控系统还有一大优点，就是容易实现开放式结构。这是因为，这种系统的硬件本身已经是完全开放的，构成开放式数控系统的工作完全在软件上，只要制定好标准和协议，从信息处理、轨迹插补、加减速控制、开关量控制到伺服控制都可以实现开放，从而可大大方便用户的使用。
2.2 推进数控功能部件的专业化生产
解决数控系统问题后，如何实现数控机床的模块化设计与制造便是我国机床制造企业快速响应市场需求，在竞争中获胜的另一关键。要实现数控机床的模块化设计制造，必须解决数控机床功能部件的专业化生产问题。目前我国在这方面离实际需求还有相当大的差距。因此，在今后的若干年内，我们必须大力促进数控机床功能部件的开发和专业化生产。其要点如下：
(1)新型永磁电主轴单元 电主轴已成为国际市场上最热门的数控机床功能部件。但目前这类产品几乎都为感应异步型，存在以下突出问题：①转子上存在绕组，有大电流流过，因此转子发热严重，直接影响主轴精度；②低速出力小且转矩脉动大，难以满足宽范围切削要求；③效率和功率因素低，不仅电机体积和重量大而且要求逆变器容量大、耗能多；④控制系统复杂、成本高。
因此，利用我国稀土永磁材料的优势，开发新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决现有电主轴存在的问题，形成具有中国特色的新一代电主轴产品。由于永磁电主轴的机械结构和控制系统都较感应异步型电主轴简单，因此易于进行专业化大规模生产。当然，这还要攻克主轴支承（陶瓷轴承、流体动静压轴承、磁悬浮轴承）技术、高精度高速动平衡技术、高速驱动、检测与控制技术、高可靠性安全保证技术等关键技术。
(2)廉价的高性能伺服系统 目前，一套进给交流伺服系统（驱动器+电机）的价格一般都在万元以上，主轴伺服系统的价格高达数万元，已成为降低国产数控机床成本的一大障碍。因此，应配合新型集成化国产数控系统的发展，大力开发廉价的高性能内装式伺服系统。由于内装式伺服的硬件部分只有电机和功率接口，充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电机的造价降下来，而采用智能化的IPM模块作为功率接口也很便宜，因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内，将是完全可能的。
(3)直线交流伺服系统 直线交流伺服系统是下一世纪数控机床不可缺少的功能部件，目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究、开发和推广应用。考虑到常规机床的防磁问题较难解决，而并联机床的防磁相对容易，因此可为常规结构机床开发感应异步型直线电机，为并联结构机床开发永磁同步型直线电机，从而扬长避短，构成符合实际应用要求的新型高速高精度进给系统。在此基础上，可进一步开发将驱动与支承合二为一的磁悬浮工作台。
(4)零传动数控转台与摆头 数控转台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度，因而必须另辟蹊径开发新型零传动（无机械传动链）数控转台和摆头，以促进我国高速高精度多坐标数控机床的发展。
(5)高速高精度检测装置 高速高精度是下世纪数控机床发展的主题，这不但需要高性能的控制和驱动，同时还需要高品质的检测环节，因此应在现有技术基础上，进一步开发0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)线位移传感器和100万脉冲/r的角位移传感器，此类技术国外对我国是封锁的。
2.3 加速数控机床的全国产化，打好市场翻身仗
数控产业化的最终成功将体现在数控机床的全国产化和市场占有率上。在上述总体战略指导下，采取抓两头（低价位数控机床和高速高效数控机床）、带中间（普通数控机床）、促重型（重型关键装备）的方针，将是在国内市场上快速收复失地，在国际市场上稳步进军，最终打赢国产数控机床市场翻身仗的一种有效战术和策略。关于普通数控机床的发展已有许多文章作了专门论述，因此下面仅就低价位数控机床、高速高效数控机床和重型数控机床的发展问题作一讨论。
(1)大力发展低价位数控机床 低价位机床是功能满足用户要求(无功能浪费)、技术指标适中、可靠性好、价格便宜的普及型数控机床。这类机床已成为国际市场上数控机床的发展趋势之一，也是国内众多用户渴求的产品，其市场前景相当广阔。然而，如果采用国外数控系统（包括伺服）按照传统思路来发展低价位机床，是很难将价格降至广大用户所能接受的水平的。因此，采用本文提出的新型集成化国产数控系统来发展高性能的低价位数控机床，将是一条最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此构成的全国产普及型数控车床的售价完全可以控制在10万元以内，三坐标数控铣床可控制在15万元左右，加工中心可控制在20万元左右。此价位的国产数控机床将是具有较强竞争力的。
(2)加速开发高速高效数控机床 高速高效是数控机床发展的另一大潮流。发展高速高效数控机床的技术途径可有以下几条：①通过提高切削速度和进给速度，从而达到成倍提高生产效率，有效提高零件的表面加工质量和加工精度并解决常规加工难以解决的某些特殊材料（如铝钛合金、模具钢、淬硬钢）和特殊形状零件（如复杂薄壁零件）的高效加工问题。②通过工艺复合，减少工件的安装次数，有效缩短搬运和装夹时间。例如，将五面五轴加工中心与立车复合构成万能加工中心，可实现一次装卡完成零件的大部分（或全部）加工。③采用高速高精度圆周铣加工孔和以螺旋轨迹插补实现不钻底孔的直接攻丝等新加工方法，大幅度减少换刀次数，提高加工效率。④为数控机床开发智能寻位加工功能，消除对精密夹具和人工找正的依赖，有效缩短单件小批加工的准备时间。
在我国现实条件下如果沿用传统思路是难以实现上述途径的，因此，必须立足国情，结合实际勇于创新，大胆探索新的道路。 考虑到常规数控机床在总体结构上基本上采用工件和刀具沿各自导轨共同运动的方案，一方面由于机床传动环节刚性不足和导轨中的摩擦阻力较大，使运动部件难以获得高的进给速度；另一方面由于工件、夹具和工作台的总质量比较大，使之难以获得高的加速度。此外，传统机床结构是一种串联开链结构，组成环节多、结构复杂，并且由于存在悬臂部件和环节间的联接间隙，不容易获得高的总体刚度，因此难以适应高速高效加工的特殊要求。为此，开发国产高速高效数控机床时，可采用工件固定，以直线电机组成并联短链直接驱动主轴和刀具运动、将高速高精度传动与高刚度支撑合二为一的适合于高速高效加工中心的新型结构。采用该结构的高速高效数控机床不但速度高、刚度高，如果在传动与控制上处理得当，可以达到比常规机床更高的加工精度和加工质量，而且具有机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高，制造成本低，易于经济化批量生产等显著优点。因此，沿此思路发展高速高效数控机床将是一条符合国情、易于取得成功的道路。
(3)突破重型数控机床的设计制造技术 重型数控机床（特别是多坐标重型数控机床）是国民经济和国防生产中的重大关键设备，属于战略物资，真正先进的重型数控机床国外是不可能卖给我们的，因此，在我国下世纪数控产品的发展中必须依靠自己的力量进行解决。发展重型数控机床必须有过硬的基础，我们在数控机床国产化的进程中应不断总结经验，加强基础技术和关键技术研究，充分发挥我国产学研相结合的优势，各部门通力合作、共同努力，争取在下世纪初取得突破性进展。
目前，在发展重型数控机床中除需加强基础理论研究外，还应加强其关键技术研究。例如，重型机床的控制就是需要加以特殊解决的关键问题。因重型机床加工的工件特别昂贵不允许报废，为了确保机床工作可靠，在数控系统中可采用双（或多）CPU冗余工作方案，以确保运算和控制的绝对正确，并在出现故障时自动诊断、自动修复或自动替补，确保加工不出问题。此外，在电源上可采取双蓄电池供电的全隔离供电方案，即一组电池在给系统供电时，可对另一组电池进行充电，电网与控制系统是完全隔离的。这就彻底消除了重型车间中电网电压波动厉害、干扰严重对数控系统造成的影响，从而有效保证系统的可靠性。又如，重型数控机床的驱动也是一大关键问题。当行程长度超过5 m，普通滚珠丝杆就难以胜任大负荷的传动，因此目前一般采用预加负载的双齿轮-齿条机构、静压蜗杆-蜗母条机构、四足（或双足）爬行进给机构等来实现长行程传动。但这些方案存在结构复杂、速度和加速度低、动态性能差、难以达到高精度、维护保养复杂等问题。为此可发展阵列式高效直线电机直接驱动技术和空间并联机构驱动技术，以新的途径来解决重型数控机床的高速、高精度驱动问题。除此之外，机床结构的优化设计、长行程精密检测、重力变形补偿、切削力变形补偿、热变形补偿等也是重型数控机床中必须解决的关键问题，必须予以充分重视。
3 结语
制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和产业发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上，对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨，提出了以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。
我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！
作者简介
周 凯 男，1954年生。清华大学（北京市 100084）精密仪器与机械学系副教授、工学博士。主要从事数控技术、机电控制工程、制造科学与制造系统等方面的研究工作。取得科研成果15项。70余篇。
参考文献1 杨皖苏，严鸿和.机械科学与技术，1997，26(4):1～6
篇4
按照《路线图》，在高档数控机床与基础制造装备领域，到2020年，国内市场占有率超过70%;到2025年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%，总体进入世界强国行列。
在机器人领域，到2020年，自主品牌工业机器人国内市场占有率达到50%，国产关键零部件国内市场占有率达到50%，新一代机器人的核心技术取得突破;2025年，形成完善的机器人产业体系，机器人研发、制造及系统集成能力力争达到世界先进水平，新一代机器人样机研制成功，并实现一定规模的示范应用。
高档数控机床实现智能化
高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床，基础制造装备是制造各种机器和设备的装备之总称。高档数控机床与基础制造装备包括金属切削加工机床、特种加工机床、铸、锻、焊、热处理等热加工工艺装备、增材制造装备等，具有基础性、通用性和战略性的特征。
我国已连续多年成为世界最大的机床装备生产国、消费国和进口国。未来10年，电子与通讯设备、航空航天装备、轨道交通装备、电力装备、汽车、船舶、工程机械与农业机械等重点产业的快速发展以及新材料、新技术的不断进步将对数控机床与基础装备提出新的战略性需求和转型挑战。对数控机床与基础制造装备的需求将由中低档向高档转变、由单机向包括机器人上下料和在线检测功能的制造单元和成套系统转变、由数字化向智能化转变、由通用机床向量体裁衣的个性化机床转变，电子与通讯设备制造装备将是新的需求热点。
为适应市场需求，《路线图》提出的发展目标是，到2020年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过70%，数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到60%、10%，主轴、丝杠、导轨等中高档功能部件国内市场占有率达到50%;到2025年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%，其中用于汽车行业的机床装备平均无故障时间达到2000小时，精度保持性达到5年;数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到80%、30%;主轴、丝杠、导轨等中高档功能部件国内市场占有率达到80%;高档数控机床与基础制造装备总体进入世界强国行列。
按照《路线图》，在重点产品上，将重点针对航空航天装备、汽车、电子信息设备等重点产业发展的需要，开发高档数控机床、先进成形装备及成组工艺生产线。包括：电子信息设备加工装备、航空航天装备大型结构件制造与装配装备、航空发动机制造关键装备、船舶及海洋工程装备关键制造装备、轨道交通装备关键零部件成套加工装备、汽车关键零部件加工成套装备及生产线、汽车四大工艺总成生产线、大容量电力装备制造装备、工程及农业机械生产线等产品。
在增材制造装备领域，将重点突破具有系列原创技术的钛合金、高强合金钢、高强铝合金、高温合金、非金属工程材料与复合材料等高性能大型关键构件高效增材制造工艺、成套装备、专用材料及工程化关键技术，发展激光、电子束、离子束及其它能源驱动的主流工艺装备;攻克材料制备、打印头、智能软件等瓶颈，打造产业链。
在高档数控系统方面，重点开发多轴、多通道、高精度插补、动态补偿和智能化编程、具有自监控、维护、优化、重组等功能的智能型数控系统;提供标准化基础平台，允许开发商、不同软硬件模块介入，具有标准接口、模块化、可移植性、可扩展性及可互换性等功能的开放型数控系统。
在高性能功能部件方面，重点开发20000～40000r/min高速电主轴、多轴联动主轴头、精密光栅、高速高精度主轴轴承、1~2级滚珠丝杠导轨、定位精度小于6”的转台等，研发高性能功能部件精密加工、成形、检测、装配成套装备。
在关键共性技术上，重点攻克数字化协同设计及3D/4D全制造流程仿真技术、精密及超精密机床的可靠性及精度保持技术、复杂型面和难加工材料高效加工及成形技术、100%在线检测技术。
在应用示范工程方面，将开展国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”智能化升级工程、航空航天高端制造装备应用示范工程、汽车轻量化材质关键部件及总成新工艺装备应用示范工程、舰船平面/曲面智能化加工流水线应用示范工程。
在战略支撑与保障方面，《路线图》建议，一是组建国家数控机床共性技术协同创新中心，集中解决数字化设计技术、动静热特性试验技术以及可靠性、精度保持性等制约性关键技术。二是组建国家先进成形工艺创新中心、推进制造工艺与制造装备的紧密结合。
新一代机器人示范应用
机器人是一种半自主或全自主工作的机器，集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，是智能制造的代表性产品。机器人包括在制造环境下应用的工业机器人和非制造环境下应用的服务机器人两大类。其中，服务机器人根据应用环境不同又分为应用于家庭或直接服务于人的个人/家用服务机器人和应用于特殊环境的专业服务机器人。
近年来，我国机器人市场快速发展。2014年，中国工业机器人销量达到5.6万台，成为全球第一大工业机器人市场。养老助残、救灾救援、公共安全等多种型号服务机器人已经开始进入示范应用，清洁机器人、两轮自平衡车和模型无人机等家用服务机器人已经进入消费市场。预计到2020年工业机器人销量将达到15万台，保有量达到80万台;到2025年工业机器人销量将达到26万台，保有量达到180万台。
按照《路线图》设定的发展目标，2020年，我国基本建成以市场为导向、企业为主体、产学研用紧密结合的机器人产业体系。自主品牌工业机器人国内市场占有率达到50%，国产关键零部件国内市场占有率达到50%，产品平均无故障时间(MTBF)达到8万小时;服务机器人在养老、康复、社会服务、救灾救援等领域实现小批量生产及应用;新一代机器人的核心技术取得突破;培育出2~3家年产万台以上、产值规模超过百亿元、具有国际竞争力的龙头企业，打造出5~8个机器人配套产业集群。
到2025年，形成完善的机器人产业体系，机器人研发、制造及系统集成能力力争达到世界先进水平。自主品牌工业机器人国内市场占有率达到70%以上，国产关键零部件国内市场占有率达到70%，产品主要技术指标达到国外同类水平，平均无故障时间达到国际先进水平;服务机器人实现大批量规模生产，在人民生活、社会服务和国防建设中开始普及应用，部分产品实现出口;新一代机器人样机研制成功，并实现一定规模的示范应用;有1~2家企业进入世界前五名。
工业机器人、服务机器人及新一代机器人是下一步发展的重点。其中，在工业机器人领域，要实现多关节工业机器人、并联机器人、移动机器人的本体开发及批量生产，使国产工业机器人在焊接、搬运、喷涂、加工、装配、检测、清洁生产等方面的实现规模化集成应用。
在服务机器人领域，要重点开发养老助残、家政服务、社会公共服务、教育娱乐等消费服务领域机器人;重点开发医疗康复机器人、空间机器人、救援机器人、能源安全机器人、无人机等特种机器人。
在新一代机器人领域，要积极研发能够满足智能制造需求，特别是与小批量定制、个性化制造、柔性制造相适应的，可以完成动态、复杂作业使命，可以与人类协同作业的新一代机器人。
在关键零部件上，要重点研发机器人专用摆线针轮减速器、谐波减速器、高速高性能机器人控制器、伺服驱动器、高精度机器人专用伺服电机、传感器等产品。在传感器上，要重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉、光敏、高频测量、激光位移等传感器，满足国内机器人产业的应用需求。
在关键共性技术方面，一是攻克整机技术，以机器人的系列化设计和批量化制造，提高机器人产品的控制性能、人机交互性能和可靠性性能，提高机器人负载/自重比、人机协作安全为目标，分阶段开展关键共性技术攻关。二是部件技术，以突破机器人关键零部件、满足国内市场应用，满足与人协作型机器人的关键部件需求，满足新型机器人关键部件需求为目标，分阶段开展关键共性技术攻关。三是集成应用技术，以提升机器人任务重构、偏差自适应调整的能力，提高机器人在人机共存环境中完成复杂任务的能力，促进机器人融入人类生活为目标，分阶段开展关键共性技术攻关。
在应用示范工程方面，要推进机器人关键零部件研制及应用示范工程，支持减速器、控制器、伺服电机及驱动器、传感器等关键零部件的研制及产业化应用。推进工业机器人核心技术研究及应用示范工程，支持工业机器人核心技术、多工业机器人协作技术及智能工业机器人技术研究，并按照细分行业推进示范应用。推进服务机器人技术研究及应用示范工程，重点支持医疗、康复、养老、助残、救援等社会公共服务机器人的研制，创造良好社会和政策环境，推进国产产品的示范应用。推进机器人人才培养示范工程，加强机器人相关专业学科建设，加强多学科交叉整合，加强国际交流与学习，加快引进海外高端人才，设立机器人教学示范点，培养基础人才。
篇5
机械工业是为国民经济提供技术装备和为人民生活提供耐用消费品的装备产业。国民经济各部门生产技术的进步和经济效益的高低，在很大程度上取决于它所采用机械装备的性能和质量，机械工业的技术水平是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志之一。
经过近50年的发展，机械工业已经成为我国工业中具有相当规模和一定技术基础的最大产业之一。1997年实现销售收入13651亿元，占全国工业的21%；利润257亿元，税621亿元，分别占全国工业的15%；出口创汇363亿美元，占全国外贸出口额的20%。其发展速度高于同期工业的平均增长速度。
近年来，机械工业企业自主开发创新能力有所增强，1997年科技人员总数达48万人，技术开发经费支出达85亿元，占全行业销售收入的0.62%，有57家大型企业建立了国家级技术中心，有9%的企业建立了专门技术开发机构，行业整体技术水平有了明显进步，主要表现在：为国民经济提供成套技术装备和汽车的能力有较大提高；产品结构正向合理化方向发展。
尽管机械工业的综合技术水平近几年有了大幅度提高，但与工业发达国家相比，仍存在着阶段性的差距。主要问题在于：
1．科技进步对机械工业增长的贡献率目前仅为34%，先进国家高达70%以上。
2．产品设计技术、制造工艺及装备、制造过程自动化技术、管理技术落后，是制约机械产品水平的主要因素。
3．机械产品技术水平不高，达到80年代末、90年代初国际先进水平的仅占18%，达到80年代中期国际水平的占27%，其余产品均在80年代以前的水平线上。
从总体上看，机械工业技术开发能力和技术基础薄弱，发展后劲不足；技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化吸收仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。
（二）技术发展的总体目标
以数控机床、电力电子应用及自动化技术、大型农业机械和施工机械、轿车关键技术、环保装备五个方面作为重点，以发展和应用先进制造技术为手段，以高新技术和产品的产业化为突破口，以提高企业技术创新能力和竞争力为目标，提高企业技术创新水平。到2001年，提供1000种具有自主知识产权和较大市场需求潜力的产品。主要产品品种的40%达到90年代初国际水平，5%达到国际先进水平，90%的重点骨干企业产品标准接近或达到国际先进企业标准。
（三）技术发展的方向和重点
1．以数控机床为代表的基础机械
数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500种。1997年我国数控机床产量已达9051台（占机床总产值20%以上），但由于国产数控机床不能满足市场需求，在国内市场上的占有率逐年下降，每年仍需大量进口数控机床，进口额度大幅度增加。1996年进口达13924台（价值12.46亿美元）。
目前我国数控机床技术发展中存在的主要问题是：
（1）产品成熟度差，可靠性不高
国外数控系统平均无故障时间（MTBF）在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000～5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。
（2）产品品种少，不能满足市场需求
国外数控机床品种已达到1500种，国内只有500多种,且性能水平低，高速、高效、高精度产品几乎没有。
（3）创新能力低，市场竞争力不强
生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数都未能形成规模生产，企业效益差，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。
（4）数控机床行业的专业化零配件及部件的协作生产配套体系不健全，大多数企业都是“大而全、小而全”的结构模式。
近期我国在数控机床的发展方面，要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展：
（1）经济适用、量大面广的产品
经济适用的普及型数控车床、加工中心、数控铣床。
（2）高速、高效和专用、成套数控机床
高速、高效数控车床及加工中心；高效数控锻压成套装备，其中包括，可自动换头冲压机床、复合式柔性冲压中心、四边折弯机等；大型精密模具数控成套装备，其中包括数控仿型铣床及龙门式数控铣床、智能化电加工机床等。
（3）数控机床专业化配套系统
新一代数控及伺服系统系列产品；数控机床高速主轴、电主轴电机系列产品；数控机床机械手、刀库及动力刀架系列产品；数控机床高速配套零部件及辅件系列产品；其中包括，高速滚珠丝杆、高速陶瓷轴承、高速防护装置等系列产品。
发展目标：
（1）扶植重点企业开发经济适用、量大面广的数控机床并形成批量生产，使这些企业产品的市场占有率有明显提高，成为名牌产品；
（2）发展数十种高速、高效、专用、成套数控机床系列新品种，以满足汽车、农机、航空、模具等行业的需求；
（3）数控机床关键配套产品：数控系统，满足国内数控机床50%的配套需求；高速主轴及电主轴年产达千套；机械手、刀库、动力刀架及数控机床高速配套零部件、辅件系列产品满足国内50%的配套需求。
2．电力电子应用及自动化技术
电力电子技术是集微电子、计算机和自动化技术于一体的综合技术，是节能节材的最佳技术之一。目前，国外电力电子技术已经发展到以IGBT为代表的第三代，并向智能电力电子时展，我国现在仍处于以晶闸管为代表的第二代。国内电力电子市场品种满足率仅35%，新产品市场基本上被国外产品占领。
现场总线智能仪表和总线式自动测试系统是集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新一代自动化仪表系统，已成为世界范围自动化技术发展的热点，是当代工业自动化的主要标志。我国仍处于由模拟式仪表系统向数字式仪表系统过渡的模数混合式仪表系统阶段，水平落后10～15年，因此在低技术产品市场上还占有80%左右份额，但在高技术产品市场的占有率不到60%，新产品市场几乎全为国外产品占领。
因此，抓住当前时机在2～3年内以IGBT，现场总线智能仪表和自动测试系统为突破，攻克重点技术和产品，并实现产业化。这一领域重点发展：
（1）IGBT器件及其装置，大功率晶闸管及其装置
研制新一代双极晶体管IGBT、高品质大电流IGBT等大功率晶闸管制造技术，并开发变频调速装置、逆变开关电源、大容量整滤源等的工程应用。
（2）现场总线智能仪表
研制开发变送、执行、配套等类现场总线仪表。产品产业化技术开发、并开展示范工程的应用研究。
（3）自动测仪系统和设备
开发总线式自动测试系统的基础产品，形成适度规模，同时建立用于机电产品和社会公益事业的典型自动测试系统，做好示范和推广应用。
3.大型农业机械和施工机械
（1）农业机械
工业发达国家农机产品在不断采用新技术的基础上，正向高效、节能、保护农业环境方向发展。目前我国已能生产14大类、3000多个品种的农机产品，但是产品的综合技术水平仅相当于国外70年代水平。主要问题在于：
1）产品水平不高，品种不全综合技术经济指标落后，可靠性差，寿命短。以拖拉机为例，MTBF值国外可以达到330小时以上，而我国仅100余小时。品种上：大型缺，小型杂，不成系列。
2）产品生产达到经济规模的少，重复生产、小规模生产，难以保证质量。
农机领域重点发展：
1）促进农业生产产业化的大中型拖拉机及配套农具拖拉机平均无故障时间从110小时提高到300小时以上；
2）联合收割机联合收割机可靠性系数从0.5～0.7提高到0.9以上；
3）主要农产品加工机械（含烘干仓储机械）农村产业化和中西部地区脱贫致富需要的农产品深加工机械；
4）节水灌溉设备喷、滴灌设备将灌溉水的有效利用率由大水漫灌的40%提高到80%以上。
农机产品的使用可靠性及寿命指标普遍提高一倍以上，主要产品的技术标准与国际标准接轨。
（2）施工机械
施工机械是国民经济大型工程项目建设必须的关键设备。我国已初步具备16个大类，3100多个品种规格产品的生产能力，部分产品已开始进入国际市场。但与国民经济发展要求和国际先进水平相比较，差距还是很大。一是产品的综合技术水平不高，尤其是产品的质量、寿命、可靠性、安全舒适性等指标以及机电一体化等高新技术的应用与国外先进水平还有很大的差距；二是产品结构性短缺，成套服务能力差，远不能满足需要，如路面施工机械基本上还要靠进口；三是大部分企业生产规模小，制约着行业经济效益的进一步提高。
施工机械重点发展：
1）推土机、液压挖掘机、轮式装载机；
2）汽车起重机、大型叉车；
3）摊铺机、压路机；
4）无开挖式管道铺设机；
5）江河湖库清淤设备。
发展目标：
大型工程机械可靠性指标达到400小时，寿命指标达到10000小时。
4．轿车关键技术
我国汽车工业长期以卡车为主要产品，改革开放以后，轿车产品得到了快速发展。1998年轿车产量达到52万辆。
我国汽车工业存在的主要问题：
（1）重复建设严重，造成无序竞争，难以集中形成实力，发挥规模效益。
（2）自主开发能力薄弱，大多数企业“九五”期间仍偏重于对生产环节进行改造，包括多数中外合资的零部件企业对产品开发能力建设几乎没有投入。目前，国内对轿车产品尚不具备自主开发能力，机电一体化的高新技术零部件产品还必须引进技术。
近期轿车重点发展：
（1）经济型轿车
以轿车车身为突破口，利用技贸结合、与国外公司合作等方式，先抓车身联合研制，并建立经济型轿车的公用设计数据库，与CAS、CAD、CAE、CAM等技术结合，形成我国汽车工业在经济型轿车方面的自主开发能力。
（2）轿车动力总成
消化吸收引进技术，与国外有实力的企业进行合资、合作、联合开发，在国产汽油机上普及电控燃油喷射技术（EMS），并研究开发缸内直喷（GDI）技术，开发应用电控机械变速器（AMT）技术。
（3）轿车关键零部件
以机电一体化汽车电子部件为突破口，从引进技术、合资入手，在保证高起点、大批量、专业化生产的同时，要集中力量抓紧下一代新产品的研制开发和应用，重点是电控防抱死制动系统（ABS）、安全气囊（AirBag）、高效稳定的汽车尾气三元催化转换器，并达到与整车同步或超前发展。
（4）高附加值专用汽车和客车
重点开发各类高性能专用底盘。对专用汽车以低底盘车辆和沙漠越野车辆为主；客车以低地板城市客车为主，要求具有良好的动力性、操纵性、舒适性和低污染。
5．环保装备
环保产业是防治环境污染、改善生态环境、促进资源优化配置、支持资源综合利用的支柱产业。全世界环保机械的年销售额约2000亿美元，集中于美国、欧州、日本等经济发达国家。我国环保机械行业基础弱、起步晚，年产值仅100多亿人民币。随着各方面对环境保护的日益重视，可持续发展战略的实施，市场需求不断增长，环保机械将成为机械工业新的经济增长点。
环保机械行业主要差距在于：
（1）产品结构不合理，品种少
初级产品所占比重较大，具有当代水平的机电一体化产品少，急需的大型成套设备不能满足现实市场需求。在目前3000多种环保机械产品中，约有五分之一的产品由于性能、可靠性、适用性、结构设计等原因，应该限制生产或限期淘汰。大型烟气脱硫、脱氮成套设备、大型城市污水处理厂成套设备、大型城市垃圾处理厂成套设备目前主要依赖进口，高浓度有机废水、难降解工业废水处理
技术及设备发展缓慢。
（2）产品质量、技术水平比国际先进水平落后20年
相当多的产品没有行业或国家标准，产品规格型号、基本性能参数不统一，质量检测无依据。
（3）生产企业规模小、开发能力薄弱
规模小、装备条件差、检测手段不全的中小企业占全行业企业总数的78%。年产值在3000万元以上的企业仅占全行业的3.2%，并且主要集中在电除尘器、袋式除尘器等少数几种产品生产领域。
近期环保机械重点发展：
（1）烟气脱硫设备
循环流化床锅炉及炉内脱硫脱硝技术（CFPBC、PFBC技术）、大型整体煤气化燃气蒸汽联合循环技术及装备（IGCC技术）。
（2）城市污水处理成套设备
活性污泥法、氧化沟法、移动曝气法为主体的城市污水处理成套设备，以日处理10～25万吨污水处理厂为目标，提供污水处理成套设备、污泥利用和处置成套设备、控制和监测系统。
（3）城市固体垃圾处理和综合利用装备
城市生活垃圾分类、焚烧、堆肥技术及装备，以日处理100吨、300吨处理厂为目标，提供垃圾处理成套装备。
（4）环境监测仪器
便携式多功能多参数水质监测仪、12种总量控制的污染物监测仪、大气环境污染监测仪器和系统以及水处理过程自动控制系统等。提高产品档次、水平、可靠性和精度。
主要目标：
（1）大型成套设备的国产化率达到70%以上；一般工程项目的设备国产化率达到90%以上；高浓度有机废水和难降解工业废水处理技术及成套设备国产化率达到80%以上。
篇6
机械工业是为国民经济提供技术装备和为人民生活提供耐用消费品的装备产业。国民经济各部门生产技术的进步和经济效益的高低，在很大程度上取决于它所采用机械装备的性能和质量，机械工业的技术水平是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志之一。
经过近50年的发展，机械工业已经成为我国工业中具有相当规模和一定技术基础的最大产业之一。1997年实现销售收入13651亿元，占全国工业的21%；利润257亿元，税621亿元，分别占全国工业的15%；出口创汇363亿美元，占全国外贸出口额的20%。其发展速度高于同期工业的平均增长速度。
近年来，机械工业企业自主开发创新能力有所增强，1997年科技人员总数达48万人，技术开发经费支出达85亿元，占全行业销售收入的0.62%，有57家大型企业建立了国家级技术中心，有9%的企业建立了专门技术开发机构，行业整体技术水平有了明显进步，主要表现在：为国民经济提供成套技术装备和汽车的能力有较大提高；产品结构正向合理化方向发展。
尽管机械工业的综合技术水平近几年有了大幅度提高，但与工业发达国家相比，仍存在着阶段性的差距。主要问题在于：
1．科技进步对机械工业增长的贡献率目前仅为34%，先进国家高达70%以上。
2．产品设计技术、制造工艺及装备、制造过程自动化技术、管理技术落后，是制约机械产品水平的主要因素。
3．机械产品技术水平不高，达到80年代末、90年代初国际先进水平的仅占18%，达到80年代中期国际水平的占27%，其余产品均在80年代以前的水平线上。
从总体上看，机械工业技术开发能力和技术基础薄弱，发展后劲不足；技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化吸收仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。
（二）技术发展的总体目标
以数控机床、电力电子应用及自动化技术、大型农业机械和施工机械、轿车关键技术、环保装备五个方面作为重点，以发展和应用先进制造技术为手段，以高新技术和产品的产业化为突破口，以提高企业技术创新能力和竞争力为目标，提高企业技术创新水平。到2001年，提供1000种具有自主知识产权和较大市场需求潜力的产品。主要产品品种的40%达到90年代初国际水平，5%达到国际先进水平，90%的重点骨干企业产品标准接近或达到国际先进企业标准。
（三）技术发展的方向和重点
1．以数控机床为代表的基础机械
数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高技术含量的机电一体化产品。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500种。1997年我国数控机床产量已达9051台（占机床总产值20%以上），但由于国产数控机床不能满足市场需求，在国内市场上的占有率逐年下降，每年仍需大量进口数控机床，进口额度大幅度增加。1996年进口达13924台（价值12.46亿美元）。
目前我国数控机床技术发展中存在的主要问题是：
（1）产品成熟度差，可靠性不高
国外数控系统平均无故障时间（MTBF）在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000～5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。
（2）产品品种少，不能满足市场需求
国外数控机床品种已达到1500种，国内只有500多种,且性能水平低，高速、高效、高精度产品几乎没有。
（3）创新能力低，市场竞争力不强
生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数都未能形成规模生产，企业效益差，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。
（4）数控机床行业的专业化零配件及部件的协作生产配套体系不健全，大多数企业都是“大而全、小而全”的结构模式。
近期我国在数控机床的发展方面，要采取跟踪高级型、发展普及型、扩大经济型，以普及型为主的策略，重点发展：
（1）经济适用、量大面广的产品
经济适用的普及型数控车床、加工中心、数控铣床。
（2）高速、高效和专用、成套数控机床
高速、高效数控车床及加工中心；高效数控锻压成套装备，其中包括，可自动换头冲压机床、复合式柔性冲压中心、四边折弯机等；大型精密模具数控成套装备，其中包括数控仿型铣床及龙门式数控铣床、智能化电加工机床等。
（3）数控机床专业化配套系统
新一代数控及伺服系统系列产品；数控机床高速主轴、电主轴电机系列产品；数控机床机械手、刀库及动力刀架系列产品；数控机床高速配套零部件及辅件系列产品；其中包括，高速滚珠丝杆、高速陶瓷轴承、高速防护装置等系列产品。
发展目标：
（1）扶植重点企业开发经济适用、量大面广的数控机床并形成批量生产，使这些企业产品的市场占有率有明显提高，成为名牌产品；
（2）发展数十种高速、高效、专用、成套数控机床系列新品种，以满足汽车、农机、航空、模具等行业的需求；
（3）数控机床关键配套产品：数控系统，满足国内数控机床50%的配套需求；高速主轴及电主轴年产达千套；机械手、刀库、动力刀架及数控机床高速配套零部件、辅件系列产品满足国内50%的配套需求。
2．电力电子应用及自动化技术
电力电子技术是集微电子、计算机和自动化技术于一体的综合技术，是节能节材的最佳技术之一。目前，国外电力电子技术已经发展到以IGBT为代表的第三代，并向智能电力电子时展，我国现在仍处于以晶闸管为代表的第二代。国内电力电子市场品种满足率仅35%，新产品市场基本上被国外产品占领。
现场总线智能仪表和总线式自动测试系统是集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新一代自动化仪表系统，已成为世界范围自动化技术发展的热点，是当代工业自动化的主要标志。我国仍处于由模拟式仪表系统向数字式仪表系统过渡的模数混合式仪表系统阶段，水平落后10～15年，因此在低技术产品市场上还占有80%左右份额，但在高技术产品市场的占有率不到60%，新产品市场几乎全为国外产品占领。
因此，抓住当前时机在2～3年内以IGBT，现场总线智能仪表和自动测试系统为突破，攻克重点技术和产品，并实现产业化。这一领域重点发展：
（1）IGBT器件及其装置，大功率晶闸管及其装置
研制新一代双极晶体管IGBT、高品质大电流IGBT等大功率晶闸管制造技术，并开发变频调速装置、逆变开关电源、大容量整滤源等的工程应用。
（2）现场总线智能仪表
研制开发变送、执行、配套等类现场总线仪表。产品产业化技术开发、并开展示范工程的应用研究。
（3）自动测仪系统和设备
开发总线式自动测试系统的基础产品，形成适度规模，同时建立用于机电产品和社会公益事业的典型自动测试系统，做好示范和推广应用。3.大型农业机械和施工机械
（1）农业机械
工业发达国家农机产品在不断采用新技术的基础上，正向高效、节能、保护农业环境方向发展。目前我国已能生产14大类、3000多个品种的农机产品，但是产品的综合技术水平仅相当于国外70年代水平。主要问题在于：
1）产品水平不高，品种不全综合技术经济指标落后，可靠性差，寿命短。以拖拉机为例，MTBF值国外可以达到330小时以上，而我国仅100余小时。品种上：大型缺，小型杂，不成系列。
2）产品生产达到经济规模的少，重复生产、小规模生产，难以保证质量。
农机领域重点发展：
1）促进农业生产产业化的大中型拖拉机及配套农具拖拉机平均无故障时间从110小时提高到300小时以上；
2）联合收割机联合收割机可靠性系数从0.5～0.7提高到0.9以上；
3）主要农产品加工机械（含烘干仓储机械）农村产业化和中西部地区脱贫致富需要的农产品深加工机械；
4）节水灌溉设备喷、滴灌设备将灌溉水的有效利用率由大水漫灌的40%提高到80%以上。
农机产品的使用可靠性及寿命指标普遍提高一倍以上，主要产品的技术标准与国际标准接轨。
（2）施工机械
施工机械是国民经济大型工程项目建设必须的关键设备。我国已初步具备16个大类，3100多个品种规格产品的生产能力，部分产品已开始进入国际市场。但与国民经济发展要求和国际先进水平相比较，差距还是很大。一是产品的综合技术水平不高，尤其是产品的质量、寿命、可靠性、安全舒适性等指标以及机电一体化等高新技术的应用与国外先进水平还有很大的差距；二是产品结构性短缺，成套服务能力差，远不能满足需要，如路面施工机械基本上还要靠进口；三是大部分企业生产规模小，制约着行业经济效益的进一步提高。
施工机械重点发展：
1）推土机、液压挖掘机、轮式装载机；
2）汽车起重机、大型叉车；
3）摊铺机、压路机；
4）无开挖式管道铺设机；
5）江河湖库清淤设备。
发展目标：
大型工程机械可靠性指标达到400小时，寿命指标达到10000小时。
4．轿车关键技术
我国汽车工业长期以卡车为主要产品，改革开放以后，轿车产品得到了快速发展。1998年轿车产量达到52万辆。
我国汽车工业存在的主要问题：
（1）重复建设严重，造成无序竞争，难以集中形成实力，发挥规模效益。
（2）自主开发能力薄弱，大多数企业“九五”期间仍偏重于对生产环节进行改造，包括多数中外合资的零部件企业对产品开发能力建设几乎没有投入。目前，国内对轿车产品尚不具备自主开发能力，机电一体化的高新技术零部件产品还必须引进技术。
近期轿车重点发展：
（1）经济型轿车
以轿车车身为突破口，利用技贸结合、与国外公司合作等方式，先抓车身联合研制，并建立经济型轿车的公用设计数据库，与CAS、CAD、CAE、CAM等技术结合，形成我国汽车工业在经济型轿车方面的自主开发能力。
（2）轿车动力总成
消化吸收引进技术，与国外有实力的企业进行合资、合作、联合开发，在国产汽油机上普及电控燃油喷射技术（EMS），并研究开发缸内直喷（GDI）技术，开发应用电控机械变速器（AMT）技术。
（3）轿车关键零部件
以机电一体化汽车电子部件为突破口，从引进技术、合资入手，在保证高起点、大批量、专业化生产的同时，要集中力量抓紧下一代新产品的研制开发和应用，重点是电控防抱死制动系统（ABS）、安全气囊（AirBag）、高效稳定的汽车尾气三元催化转换器，并达到与整车同步或超前发展。
（4）高附加值专用汽车和客车
重点开发各类高性能专用底盘。对专用汽车以低底盘车辆和沙漠越野车辆为主；客车以低地板城市客车为主，要求具有良好的动力性、操纵性、舒适性和低污染。
5．环保装备
环保产业是防治环境污染、改善生态环境、促进资源优化配置、支持资源综合利用的支柱产业。全世界环保机械的年销售额约2000亿美元，集中于美国、欧州、日本等经济发达国家。我国环保机械行业基础弱、起步晚，年产值仅100多亿人民币。随着各方面对环境保护的日益重视，可持续发展战略的实施，市场需求不断增长，环保机械将成为机械工业新的经济增长点。
环保机械行业主要差距在于：
（1）产品结构不合理，品种少
初级产品所占比重较大，具有当代水平的机电一体化产品少，急需的大型成套设备不能满足现实市场需求。在目前3000多种环保机械产品中，约有五分之一的产品由于性能、可靠性、适用性、结构设计等原因，应该限制生产或限期淘汰。大型烟气脱硫、脱氮成套设备、大型城市污水处理厂成套设备、大型城市垃圾处理厂成套设备目前主要依赖进口，高浓度有机废水、难降解工业废水处理
技术及设备发展缓慢。
（2）产品质量、技术水平比国际先进水平落后20年
相当多的产品没有行业或国家标准，产品规格型号、基本性能参数不统一，质量检测无依据。
（3）生产企业规模小、开发能力薄弱
规模小、装备条件差、检测手段不全的中小企业占全行业企业总数的78%。年产值在3000万元以上的企业仅占全行业的3.2%，并且主要集中在电除尘器、袋式除尘器等少数几种产品生产领域。
近期环保机械重点发展：
（1）烟气脱硫设备
循环流化床锅炉及炉内脱硫脱硝技术（CFPBC、PFBC技术）、大型整体煤气化燃气蒸汽联合循环技术及装备（IGCC技术）。
（2）城市污水处理成套设备
活性污泥法、氧化沟法、移动曝气法为主体的城市污水处理成套设备，以日处理10～25万吨污水处理厂为目标，提供污水处理成套设备、污泥利用和处置成套设备、控制和监测系统。
（3）城市固体垃圾处理和综合利用装备
城市生活垃圾分类、焚烧、堆肥技术及装备，以日处理100吨、300吨处理厂为目标，提供垃圾处理成套装备。
（4）环境监测仪器
便携式多功能多参数水质监测仪、12种总量控制的污染物监测仪、大气环境污染监测仪器和系统以及水处理过程自动控制系统等。提高产品档次、水平、可靠性和精度。
主要目标：
（1）大型成套设备的国产化率达到70%以上；一般工程项目的设备国产化率达到90%以上；高浓度有机废水和难降解工业废水处理技术及成套设备国产化率达到80%以上。
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关键词：数控；高速加工技术；分析
1 数控高速加工技术应用
1.1 高速切削加工技术
高速切削加工技术是一项先进的切削加工技术，由于其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工大幅度提高，切削机理也发生了根本的变化，所以常规切削加工中倍受困扰的一系列问题，通过高速切削可得以解决。与常规切削加工相比，高速切削具有它的特点：（1）加工效率高，随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高，单位时间内的材料切除率可达到常规切削的3-6倍，甚至更高。此外，高速切削机床快速空行程速度的提高缩短了零件加工辅助时间，也极大地提高了切削加工效率。（2）切削力降低，切削热对工件的影响小：高速切削中在切削速度达到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是径向切削力降低更明显。同时，95%-98%以上的切削热被切屑飞速带走，仅有少量切削热传给了工件，工件基本上保持冷态。因此特别适合加工薄壁类、细长等刚性差的零件和易于变形的零件。（3）加工精度高，高速加工刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；自由切削力小，热变形小，残余应力小易于保证加工精度和表面加工质量，因此采用高速切削常可省去车、铣削后的精加工工序。（4）可切削钛合金、高温合金等各种难加工的材料：航空航天等尖端部门的零件制造大量采用难加工的材料。例如钛合金，这种材料化学活性大，导热系数小，弹性模量小，因此刚性差，加工时易变性，而且切削温度高，单位面积的切削力大，零件表面的冷硬现象严重，刀具后刀面磨损剧烈。若采用涂层整体硬质合金刀具高速切削钛合金，切削速度可达200m/min以上（比传统切削加工速度高10倍左右），加工效率和零件表面加工质量都能获得大幅度的提高。
1.2 数控车床加工技术
数控加工是指在数控机床上对零件进行加工的工艺方法。一般来说，数控车床加工技术主要涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两大方面，数控加工中地刀具、夹具等工装也在其涉及的范围内。数控机床运动的可控性为数控加工提供了硬件基础，但是数控机床也是按照提供给它的指令（加工程序）来执行运动的，因此数控加工工艺的制定和零件加工程序的编制是实现数控加工的重要环节，是获得合格零件的保证。特别是对于复杂零件加工，其重要性甚至超过数控机床本身。由此可见，数控车床加工技术一种能高效、优质的实现产品零件加工的有关理论、方法与实践技术，是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基础与关键。
1.3 数控快速点磨削技术
快速点磨削技术是由德国Junker公司在1994年开发的一种集CNC、CBN超硬磨料、超高速磨削三大先进技术于一体的高效率、高柔性先进加工工艺，主要是用于轴套类零件地加工。它采用超薄层CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，是目前高速磨削最先进的技术形式之一。快速点磨削主要有以下特点：（1）在磨削工件外圆时，工件的轴线与砂轮的轴线并不是始终处于水平状态，而是在水平和垂直方向都旋转一个角度，以实现砂轮与工件理论上的点接触。通过数控系统控制这两个方向的点磨变量角和X、Y方向的联动速度来实现对不同形状表面的加工。（2）快速点磨削砂轮采用超硬磨料CBN，这种材料具有高硬度，高耐磨性等特点，使砂轮的速度可以达到90-160m/s，从而保证快速点磨削具有较高加工效率。（3）通常快速点磨削砂轮采用CBN材料或者人造金刚石超薄砂轮，厚度只有4-6mm，这样的薄砂轮可以大大减少砂轮质量，这不仅能降低砂轮的造价还能减少砂轮运转时的不平衡度，从而降低运转时施加在轴上的离心力。（4）Junker公司数控快速点磨削机床采用了多项专利技术，例如砂轮三点定位安装系统，砂轮主轴电平衡自动控制系统，机密导轨系统以及砂轮在线修整技术，从而保证机床的加工性能。
2 数控高速加工技术分析
2.1 提高生产率
生产率与切削用量有着密切的关系。合理的切削用量是保证生产率的重要因素。相当于传统加工方式用大直径的刀具、大切深、大切宽的切削用量，而在高速加工方式下，都采用小直径的刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高加工效率。高速加工的进给速度一般是传统加工方式的5-10倍，材料去除率可提高3-6倍，从而大大地提高了生产效率。
2.2 改善加工产品的质量
由于高速加工的切削力大幅度减小，刀具和被加工零件之间的系统振动很小，容易得到很好的表面加工质量，可作为机械加工的最终精加工工序和镜面加工。另外一方面，由于主轴转速高，刀具和工件的接触频率大为增加，在加工表面产生高频压应力，从而大幅度减小加工表面的表面粗糙度、提高加工表面的接触刚性和零件的耐磨性能。尤其是在模具行业，采用高速加工工艺，模具的平均使用寿命提高3倍。
3 结束语
机械制造业是一个国家最基本的行业，它的发展水平直接影响我国经济水平，为了我国经济的飞跃和国民生产总值的提高，国家对重大科技产业项目也越来越重视，综合科学技术水平将日益提高，高速加工技术已经站在世界制造技术的顶端，因此高速加工技术在国内机械制造业将日趋实用和普及。数控高速加工技术以其高精度的高数加工特点受到了各个行业的青睐。就目前而言已经在航空航天、汽车行业和高精度的模具行业得到了广泛的应用。
参考文献
[1]朱晓春.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2]周正干，王美清，李和平.高速加工的核心技术和方法[J].航空制造技术，2000（3）.
[3]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
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1.1复杂整体叶轮数控加工的概念及其发展
复杂整体叶轮数控加工是指在机床上利用整体叶轮数控技术对零件进行加工的一个复杂的过程。复杂整体叶轮数控加工和非复杂整体叶轮数控加工的流程从整体上来说是大致相同的，但在技术上却大相径庭。采取数字信息控制和加工零件的复杂整体叶轮数控加工方法是针对零件种类多样、相同型号产量少、结构复杂、精度要求高等现实状况达到高效化和自动化加工的有效方法。复杂整体叶轮数控加工的发展方向是高速和高精度。上世纪50年代，MIT设计了APT。APT具有程序简洁，方法灵活等优势。但也有很多不足之处如对于复杂的几何形状，无法表达几何即视感[1]。为修正APT的不足，1978年，法国达索飞机公司开发了CATIA。这个系统有效的解决了几何形状复杂、难以表达即视感的缺陷。国内外从事整体叶轮数控加工的相关领域，针对实际生产加工中的各项关键技术进行了较为细致的研究，并且将诸多可行性成果投入到实践过程中，取得了极佳的生产效益。例如：通过分析了五坐标数控加工中非线性误差产生的原因，建立了适用于五坐标数控加工的非线性误差计算模型。再如，针对五坐标数控加工中刀轴矢量的转动会产生非线性误差及刀轴矢量受机床转动行程限制的问题，提出了满足允许加工误差的五坐标数控加工刀具轨迹计算方法。总之，这些针对复杂整体叶轮数控加工关键技术的研究内容，对与实践加工过程而言，值得借鉴并应用。
1.2复杂整体叶轮数控加工的内容
复杂整体叶轮数控加工的内容有挑选适宜在数控机床上加工的零件，对复杂整体叶轮数控加工方案进行确定；详细绘制所加工零件和叶轮的图纸；确定复杂整体叶轮数控加工的详细流程，如具体工作的分工、工作的前后顺序、加工器具、叶轮的选择与位置确定、与其他加工工作的衔接等；修正复杂整体叶轮数控加工的流程。确定复杂整体叶轮数控加工中的允许误差；指挥叶轮数控机床上一些技术部分工作等。
2.复杂整体叶轮数控加工的关键技术
2.1复杂整体叶轮数控加工的关键技术内容
复杂整体叶轮数控加工的关键技术的内容就是明确零件的什么部位需要进行复杂整体叶轮数控加工，经过什么流程，如何确定这些流程的前后顺序等等。通常在复杂整体叶轮数控加工时确定零件加工的工作步骤有如下几种方法：按所使用的工作器具确定。为了减少切换工作器具次数，节省时间，可以采取将同一种工作器具集中使用的方法来确定工作步骤。在一个工序中使用同一个工作器具的全所有步骤率先集中，统一完成后然后再使用第二种工作器具进行该种工作器具所要加工的所有步骤，以此类推。平面孔系零件一般使用点位、直线操控数控机杨国生湖南机电职业技术学院湖南长沙410151床来加工，制定加工的工作步骤时，着重于控制加工精度、成品率和加工所需时间。旋转体类零件通常使用数控车床或磨床加工。在车床上加工时，一般加工成品冗余多，使用粗加工方法。数控车床上用到低强度加工器具加工细小凹槽的情况很频繁，因此适于斜向进刀，一般不要崩刃。平面轮廓零件一般使用数控机床加工。方法上应该着重把控切入与切出的方向。使用直线和圆弧插补功能的数控机床在加工不规则零件的曲线轮廓时，一定要用最短的直线段或圆弧段来无限逼近零件轮廓，让零件的误差在合格的基础上加工的直线段或弧段的数量最少为最佳方案[2]。立体轮廓零件：某些形状的零件被加工时，由于零件的形状和表面质量等多方面问题致使零件强度较差。机床的插补方法可以解决这一难题。在加工飞机大梁直纹曲面时，如果加工机床是三轴联动便只能使用效率较低的球头铣刀；如果机床是四轴联动，则可以使用效率比球头铣刀高的圆柱铣刀铣削。
2.2复杂整体叶轮数控加工的关键技术过程
复杂整体叶轮数控加工的关键技术的一般过程要经过阅读零件，技术分析，制定技术，数控编程，程序传输。复杂整体叶轮数控加工之前应该绘制好零件的加工设计图稿。在数控机床上加工零件时，应该先按照之前绘制好的零件图稿来分析零件的结构、材质、几何形状、大小和精度要求，并采用分析结果作为确定零件复杂整体叶轮数控加工技术过程的基础。确定复杂整体叶轮数控加工技术过程，要先详细了解零件复杂整体叶轮数控加工的内容和原则；之后再设计加工过程，挑选机床和加工零件所需的器具，确定零件的加工位置和装夹，确定复杂整体叶轮数控加工中工作的步骤和顺序，确定每个工作步骤中具体的工作器具的使用方法及切割大小；还需要填写复杂整体叶轮数控加工的技术文件、加工程序及程序校验等。通过实际的操作经验总结，单纯的按照之前设定的复杂整体叶轮数控加工程序来实际操作加工零件依然存在很多缺陷。因为人力工作可能对程序的具体步骤和原理不够明确，对编程人员的本意理解也不是很透彻，通常需要编程人员在零件加工时对加工人员进行现场的指导，这种情况对于零件数量较少的加工状况还能勉强正常工作，但对于时间长、数量大的生产情况，就会生出很多问题。所以，编程人员对复杂整体叶轮数控加工程序比较复杂和不易理解的部分进行适当的补充和说明的作用是不可小觑的，尤其是要针对那些需要长时间和大批量生产零件的复杂整体叶轮数控加工程序特别关键。
2.3复杂整体叶轮数控加工的关键技术中应注意的问题
在复杂整体叶轮数控加工的关键技术中一定要注意并且预防工作所使用的叶轮在工作中和零件等出现不必要的摩擦，所以一定要明确的强调工作人员复杂整体叶轮数控加工的关键技术编程中的加工器具的加工路线，使加工人员在加工前就都清楚明了的知道加工路线[2]。与此同时还应该设置好固定紧叶轮的位置，如此便可以减少不必要的问题出现。除此之外，对于某些程序问题需要调整程序及加工叶轮路线和位置时必须事先告知操作人员，以防出现不必要的问题。
3结语
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Abstract： CNC machine has now gone over half a century. Especially in recent years, with the rapid development of digitization and information technology, open CNC system with deep level has entered our vision and vigorously developed in order to adapt to the modern production technology. And now it gets more modular, versatile and intelligent. This paper made a simple introduction on the composition of CNC, development of CNC in our country, and its development direction.
关键词： 智能化；开放化；网络化； 数控技术；发展方向
Key words： intelligentize；open；internetization；CNC technology；the development direction
中图分类号：[TH-9] 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）32-0169-01
1数控系统的定义和构成
数控系统（computerized numerical contro，简称 CNC）：是采用计算机实现数字程序控制加工功能的系统。数控机床则是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，能综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密加工技术,发展前景十分广阔,因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要。数控系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、伺服驱动装置组成。由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。
2我国数控系统发展概况
自建国以来，我国一直存在在工业基础薄弱的状况。虽然经过不懈努力取得了一定的进步，但作为工业现代化的标志性产业――数控系统的开发与生产仍然与西方发达国家存在很多的差距。
目前，我国的数控系统多采用封闭体系，只能作为非智能的机床运动控制器使用。其加工程序需要在加工前事先通过手工或自动编程软件的方式进行编制，加工过程变量也往往根据操作人员或设计人员的经验以固定参数形式设定。
我国对数控技术的发展主要是通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化。现已取得很大的进展，基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业，同时带动了机电控制与传动控制技术的发展。近年来，我国数控机床一直保持两位数增长。机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，数控系统生产企业已有20家，国产数控系统年销售量达到7万多台，约占市场份额的64%。同时通过自主研发，国产数控系统的研究与开发也取得了巨大进展。如华中数控、航天数控、蓝天数控等企业先后开展了开放式数控系统体系结构和软硬件平台的研究，并由此开发了多种数控系统，打破了西方发达国家对我国的技术封锁和价格垄断。
3数控技术整体发展趋势
3.1 数控系统发展的高精度、高速度化高速高精高效化，速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。尽管现代工业已经出现高精度高速度的发展趋势，但是科学技术的发展是没有衡量标准的，“高精度、高速度”的内涵和定位也在不断从新修定。最终只能是向着下一个阶段的目标发展进步。
先进制造技术发展的主体从来都是――效率、质量。毕竟高速、高精加工技术可极大地提高效率，改善产品的质量和档次，降低生产成本和提高产品的市场竞争力。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，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
3.2 数控系统发展的智能化数控机床智能化的发展前景，非常广阔。它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标，也是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。预计在21世纪前半期，有可能在现有机床技术上实现单台机床的“适应控制”，并逐步向制造系统发展；在后半期，有可能建立不同程度智能化技术水平的CIM、CIMS，其发展时间的快慢，将取决于人类的努力和科学技术水平的提高。
3.3 数控系统发展的开放化、网络化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，数控系统开放化已经成为数控系统的未来必然之路。所谓开放式控制系统，它是一个保证不同的机床厂家和最终用户都能够方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的具有鲜明个性的名牌产品的开放式数控系统平台。目前许多国家正对开放式数控系统进行研究，其中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研究的核心。关于以上开放性的概念可从两个方面进行理解:一是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范而言的，以保证平台具有适应新技术的发展，并能够接受新的设备的能力。时间的开放性又有可扩展和可移植性两个方面。空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，它又可分为互操作性和互换性。由此可以看出，开放式数控系统具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应多种设备，灵活配置与集成；可顺应新技术的发展，实时加入各种新功能；能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，能有效保护用户原有投资。其优势不言而喻。目前美国的NGC、欧共体的OSACA、日本的OSEC，中国的ONC等生产厂商都在进行相应的研究工作。
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的研究工作推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
4结束语
随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对产品的质量和数量均提出了更高的要求。机械加工工艺过程的自动化程度必然成为成为上述要求的最重要保障措施。它不仅能够提高产品质量、生产率，降低生产成本，还能够极大地改善工人的劳动条件，减轻劳动强度。所以智能化、开放化和网络化必然成为数控技术发展的主要趋势。
参考文献：
篇10
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
2.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的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：
2.1高精度、高速度的发展趋势
尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。
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。
2.25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。
2.3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，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，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
3.结束语
随着人们对数控技术重视，它的发展越发迅速。文中简要陈述当前的发展趋势，另外数控技术的正不断走向集成化，并行化，仍有广阔的发展空间。
【论文关键词】：数控技术;趋势;智能
【论文摘要】：随着计算机业的快速发展，数控技术也发生了根本性的变革，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术，文章结合国内外情况，分析了数控技术的发展趋势。
参考文献
[1]王立新.浅谈数控技术的发展趋势[J].赤峰学院学报.2007.
[2]董淳.数控系统技术发展的新趋势[J].可编程控制器与工厂自动化.2006.
