数控技术的发展及应用论文_数控技术发展论文
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摘 要
简要介绍了当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(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。
关键词：数控技术
应用
发展
目录
摘 要.................................................................................................1
目 录.................................................................................................1 第1章 绪 论................................................................................2
1.1 数控技术的概述.................................................................2 1.2 数控技术简介.....................................................................2 第2章 数控技术的分类及关键技术............................................3
2.1数控系统的控制原理.........................................................32.1.1计算机数控系统............................3 2.2.2CNC系统的硬件结构.........................4 2.2数控技术的关键技术.........................................................5 第3章 数控机床的应用................................................................9
3.1数控机床的概述.................................................................9 3.2数控机床精度的选择.......................................................10 3.3 数控机床故障实用诊断技术及方法...............................11 3.4数控机床的维护...............................................................13 3.5数控机床分类...................................................................15 第4章 数控技术的发展趋势......................................................16 4.1数控技术发展概况...........................................................16 4.2数控技术发展趋势...........................................................17 结 论...............................................................................................19 参考文献...........................................................................................19 致 谢..............................................................错误！未定义书签。
第1章 绪 论
1.1 数控技术的概述
数控技术是一种集机、电、液、光、计算机、自动控制技术为一体的知识密集型技术，它是制造业实现现代化、柔性化、集成化生产的基础，同时也是提高产品质量，提高生产率必不可少的物质手段。在发达国家中，数控机床已经普遍大量使用，而我国数控技术的应用同发达国家相比差距很大，目前我国机床的数控化率仅为1.9％，而日本高达30％，美国超过了40％，国家规划在2010年前，使数控化率达10％以上。数控化率每增加一个百分点，需要5-6万台数控机床。这样算来，我国数年内将增加40-50万台数控机床，相应需要60-80万数控专业技术人才。
特别是我国加入WTO后，越来越多的发达国家把制造基地转入中国，我国将成为二十一世纪的“国际制造业加工中心”，全国制造企业数控化是国家制定的一项科技战略发展目标，数控及其应用技术将成为各类加工企业的主要基本技术
1.2 数控技术简介
数控技术，简称数控（Numerical Control）。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。
现代数控机床是机电一体化的典型产品，是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术集合。现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。
数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。
数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作数控机床。在加工中工零件的特点是：被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。
第2章 数控技术的分类及关键技术
2.1数控系统的控制原理
2.1.1计算机数控系统一、CNC系统的组成与特点
二、CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图2-1所示。
根据上述组成框图，CNC系统有如下特点： 1.灵活性 对于NC系统，一旦提供了某些控制功能，就不能被改变，除非改变硬件。而CNC系统，只要改变相应的软件即可，而不要改变硬件。2.通用性 在CNC系统中，硬件采用通用的模块化结构，而且易于扩展，并结合软件变化来满足数控机床的各种不同要求。接口电路由标准电路组成，给机床厂和用户带来了很大方便。这样用一种CNC系统就能满足多种数控机床的要求，当用户要求某些特殊功能时，仅仅改变某些软件即可。3.可靠性 CNC系统中，零件数控加工程序在加工前一次性全部输入存储器，并经过模拟后才被调用加工，这就避免了在加工过程中由于纸带输入机的故障产生的停机现象。许多功能都由软件完成，硬件结构大大简化，特别是大规模和超大规模集成电路的采用，可靠性得到很大的提高。4.数控功能多样化 CNC系统利用计算机的快速处理能力，可以实现许多复杂的数控功能，如多种插补功能、动静态图形显示、数字伺服控制等。5.使用维护方便 有的CNC系统含有对话编程、图形编程、自动在线编程等功能，使编程工作简单方便。编好的程序通过模拟运行，很容易检查程序是否正确。CNC系统中还含有诊断程序，使得维修十分方便。
2.2.2CNC系统的硬件结构
数控系统的硬件由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成，这四部分之间通过I/O接口互连。数控装置是数控系统的核心，其软件和硬件来控制各种数控功能的实现。输入/输出装置主要有键盘、纸带阅读机、软盘驱动器、通信装置、显示器等，用以控制数据的输入/输出，监控数控系统的运行，进行机床操作面板及机床机电控制/监测机构的逻辑处理和监控，并为数控装置提供机床状态和有关应答信号。机床电器逻辑控制装置接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，实现数控机床的顺序控制。在现代数控系统中机床电器逻辑控制装置已经被可编程序控制器（PLC）取代。驱动装置一般是以轴为单位的独立体，用以控制各轴的运动。数控装置的硬件结构按CNC装置中的印制电路板的插接方式可以分为大板结构和功能模块（小板）结构；按CNC装置硬件的制造方式，可以分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
一、大板结构和功能模板结构 1．大板结构
大板结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PC板、图形控制板、附加I/O板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路版，其它电路板是小板，插在大印制电路板上的插槽内。这种结构类似于微型计算机的结构。
2．功能模块结构
在这种结构中，整个CNC装置按功能模块化分为若干个模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计，每一个功能模块做成尺寸相同的印制电路板，相应功能模块的控制软件也模块化。用户根据需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就组成了自己需要的CNC系统的控制装置。常用的功能模板有CNC控制板、位置控制板、PC板、存储器板、图形板和通信板等。FANUC系统15系列就采用了功能模块式结构。
二、单微处理器结构和多微处理器结构 1．单微处理器结构
在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控装置的各个任务。其它功能部件，如存储器、各种接口、位置控制器等都需要通过总线与微处理器相连。
图2-2是单微处理器结构图。2．多微处理器结构
随着数控系统功能的增加、数控机床的加工速度的提高，单微处理器数控系统已不能满足要求，因此，许多数控系统采用了多微处理器的结构。若在一个数控系统中有两个或两个以上的微处理器，每个微处理器通过数据总线或通信方式进行连接，共享系统的公用存储器与I/O接口，每个微处理器分担系统的一部分工作，这就是多微处理器系统。如图2-3所示的数控系统带有4个CPU。目前使用的多微处理器系统有三种不同的结构，即主从式结构、总线式多主CPU结构和分布式结构。
2.2数控技术的关键技术
数控装备的高速度、高精度、高柔性和高自动化程度，向数控系统和伺服驱动系统提出了新的要求，下面主要从数控系统与伺服驱动系统方面介绍其关键技术。要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速度地作出反应。采用32位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。主轴高速化的手段是直接把电机与主轴连接成一体，从而可将主轴转速大大提高。采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杠技术，在提高轮廓加工速率的同时，提高了加速度。
一、除不断采用新型功能部件外，还需在以下几个方面进行深入研究：
1.高速加工动力学建模及控制
高速运动下的对象已经不能用纯静态的方法处理，数控问题也不再能归结为几何问题或静力学问题。作为一个动态对象，它并不是“亦步亦趋”地跟随所施加的控制，而力图表现出它的“个性”；另一方面，所施加的控制必须充分顾及被控制对象的动态特性，才能得到预期的控制效果。因此，已经不能像传统的数控系统那样，可以将控制系统与被控制对象分开来研究和制造，而必须作为一个整体来处理，研究其在高速状态下的动力学问题，以及超高速运动控制条件下光、电信号的时滞影响及其消除的问题。在高速情况下，必须研究集数控系统与控制对象为一体的整体动力学建模、基于整体动力学模型的非线性控制策略、智能化控制方法等。
2.机电特性参数的辨识、分析与控制优化
高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。
3.高速、高精插补运算和控制算法
高速、高精插补是将复杂轨迹按控制规律分解成伺服控制指令。轮廓加工时，加工程序由巨量微小线段构成，高速加工除需保证微段程序连续执行外，还需根据轨迹变化及时预测各轴状态，实现高加速度运行要求。这就要求对微段程序的高速、高精插补、高速预处理，微段程序的加减速控制，超前G代码预测(Look ahead)，复杂轨迹的直接插补以及高速数据传输等进行深入的研究。
4.面向高速高精加工的数控编程原理及方法
传统的数控编程解决了中低速加工中的刀位轨迹生成问题，但是高速加工却对数控编程从原理与方法上提出了更高的要求。为此,必须在研究高速加工工艺机理的基础上，研究适用于高速高精加工的数控编程原理及方法。在这方面，高速加工工艺机理、高速加工工艺参数知识库、基于高速加工非线性运动误差补偿的刀位轨迹规划、加工程序平滑过渡、高速加工中进给速度优化、基于STEP标准、面向加工特征的高级NC代码语言等都是需要研究的内容。
二、高精度化技术
提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术来实现。
在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率，提高位置检测精度的方法。然而在高速、高精加工的情况下，在线动态测量和补偿存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测原理研究，以及控制误差的在线和实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。为解决在高速、高精加工中的小步长与大行程之间的矛盾，需要研究新的高速驱动原理及机构。
在机床误差补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，近年来对设备热变形误差补偿和空间误差综合补偿技术的研究已成为世界范围的研究课题。
三、智能化技术
模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策系统、专家系统等理论与技术的发展及其在制造业中的成功运用，为数控设备智能化水平的提高建立了可靠的技术基础。智能化正成为数控设备研究及发展的热点，目前采取的主要技术措施包括：
1.自适应控制技术
提高加工效率是制造加工技术发展永恒追求的目标。现在的数控机床对加工过程的控制还是开环控制，即它们只能忠实地执行人们预先为它编好的加工程序，而对加工过程中工况的变化，缺乏相应的识别能力和足够的自律控制能力。因此，零件的加工质量和加工效率强烈地依赖于工艺人员的经验和知识。此外，加工状况复杂多变，工艺人员为了确保安全往往选择较保守的加工参数，使加工效率和质量的提高受到限制。同时，加工状况(如刀具状况、加工中的振动等)将直接影响设备加工的效率、质量和安全，这种情况在铣削加工大型零件(如加工大型水轮机叶片)时更是如此。因此，加工过程的自适应控制技术，对提高大型零件加工的效率，保障加工设备安全可靠运行是十分重要的。
加工过程的自适应控制技术是指数控装备能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，向数控系统反馈信息，通过将过程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度，并保证加工设备安全。有资料表明，应用该技术在铣削加工时其效率可以提高30％左右。
2． 专家系统技术
将专家的经验和切削加工的一般规律与特殊规律存人计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，大大缩短生产准备时间的目的。
3． 故障自诊断技术
故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。
4． 智能化交流伺服驱动技术
目前已开始研究能自动识别负载，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，使驱动系统获得最佳运行参数。
四、网络化技术
数控设备的网络化技术是指能支持远程监视、诊断和控制，支持网络制造资源共享、支持装备参与网络化环境下制造系统集成的技术。其主要技术内容有：
1． 网络环境下的数控装备的集成技术
研究网络环境下的数控装备网络互连技术(包括装备间的互连技术和装备内部的互连技术)，网络环境下的数字化制造装备分布式协同处理技术和异构设备网络集成技术等。
2． 远程操作、监控与远程诊断技术
研究实时监测数据的特征提取、识别和融合，诊断知识的组织以及推理算法，实时可靠的通信协议及数据的共享标准等；网络环境下数控装备运行状态的智能检测、监控和诊断技术；数控装备的网络全局调度技术、远程设计编程技术及远程操作技术等。
3． 网络管理技术的研究
在网络制造环境下，网络除了用于传输加工程序、实现网络操作和控制和远程诊断外，更为重要的是进一步提高机床的生产率。为此需要研究网络管理技术，即网络生产管理系统，网络CAD／CAM系统，面向网络化制造环境的数控装备的网络安全机制与防范技术等。
第3章 数控机床的应用
3.1数控机床的概述
数控机床起源于美国。1947年，美国帕森斯（Parsons）公司为了精确地制作直升机机翼、桨叶和飞机框架，提出了用数字信息来控制机床自动加工外形复杂零件的设想，他们利用电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路径的影响，使得加工精度达到±0.0015英寸（0.0381mm）。1949年，美国空军为了能在短时间内制造出经常变更设计的火箭零件，与帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作，于1952年研制成功世界上第一台数控机床——三坐标立式铣床，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。很快，数控技术的应用从美国逐步推广到欧洲地区和日本等国。我国于1958年也开始进行数控机床的研制工作，并取得了一定的成效。在某些领域，如大型车铣复合加工中心技术水平已达到了国际当代水平。
数控机床的数控系统已先后经历了两个阶段、六个时代的发展：电子管、晶体管、集成电路、小型计算机、微处理器及基于PC机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称为硬件连接数控（NC系统），其特点是具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂，可靠性不好；后三代为第二阶段，称为计算机软件系统（CNC系统），主要由计算机硬件和软件组成，其最突出的特点是利用存储器里的软件控制系统工作，这种系统容易扩展功能，柔性好，可靠性高。现在，开放式数控系统（ONC系统）正得到快速发展和应用。数控机床的类型，已从最初单一的铣床类数控机床，发展到如今的金属切削类、金属成型类、特种加工类和特殊用途类数控机床，其品种多达千余种。数控机床由程序介质、数控系统、伺服驱动和机床主体四大部分组成，它综合了计算机、自动控制、精密测量、机床制造及其配套技术的最新成果，成功地解决了现代产品多样化、零件形状复杂化、产品研制生产周期短、精度要求高的难题，是现代制造业的主流设备，也是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。
3.2数控机床精度的选择
数控机床根据用途又分为简易型、全功能型、超精密型等，其能达到的精度也是各不一样的。简易型目前还用于一部分车床和铣床，其最小运动分辩率为0.01mm，运动精度和加工精度都在(0.03～0.05)mm以上。超精密型按精度可分为普通型和精密型，一般数控机床精度检验项目都有20～30项，但其最有特征项目是：单轴定位精度、单轴重复定位精度和两轴以上联动加工出试件的圆度，如表1所示。
其他精度项目与表1内容都有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反映了该轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度，它反映了该轴在行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量该轴能否稳定可靠工作的基本指标。目前数控系统中软件都有丰富的误差补偿功能，能对进给传动链上各环节系统误差进行稳定的补偿。例如，传动链各环节的间隙、弹性变形和接触刚度等变化因素，它们往往随着工作台的负载大小、移动距离长短、移动定位速度的快慢等反映出不同的瞬时运动量。在一些开环和半闭环进给伺服系统中，测量元件以后的机械驱动元件，受各种偶然因素影响，也有相当大的随机误差影响，如滚珠丝杠热伸长引起的工作台实际定位位置漂移等。总之，如果能选择，那么就选重复定位精度最好的设备！
表1 数控机床精度特征项目
铣削圆柱面精度或铣削空间螺旋槽（螺纹）是综合评价该机床有关数控轴（两轴或三轴）伺服跟随运动特性和数控系统插补功能的指标，评价方法是测量加工出圆柱面的圆度。在数控机床试切件中还有铣斜方形四边加工法，也可判断两个可控轴在直线插补运动时的精度。在做这项试切时，把用于精加工的立铣刀装到机床主轴上，铣削放置在工作台上的圆形试件，对中小型机床圆形试件一般取在Ф200～Ф300，然后把切完的试件放到圆度仪上，测出其加工表面的圆度。铣出圆柱面上有明显铣刀振纹反映该机床插补速度不稳定；铣出的圆度有明显椭圆误差，反映插补运动的两个可控轴系统增益不匹配；在圆形表面上每一可控轴运动换方向的点位上有停刀点痕迹（在连续切削运动中，在某一位置停止进给运动刀具就会在加工表面上形成一小段多切去金属的痕迹）时，反映该轴正反向间隙没有调整好。单轴定位精度是指在该轴行程内任意一个点定位时的误差范围，它直接反映了机床的加工精度能力，所以是数控机床最关键技术指标。目前全世界各国对这指标的规定、定义、测量方法和数据处理等有所不同，在各类数控机床样本资料介绍中，常用的标准有美国标准（NAS）和美国机床制造商协会推荐标准、德国标准（VDI）、日本标准（JIS）、国际标准化组织（ISO）和我国国家标准(GB)。在这些标准中规定最低的是日本标准，因为它的测量方法是使用单组稳定数据为基础，然后又取出用±值把误差值压缩一半，所以用它的测量方法测出的定位精度往往比用其他标准测出的相差一倍以上。
3.3 数控机床故障实用诊断技术及方法
数控机床是机电一体化紧密结合的典范，是一个庞大的系统，涉及机、电、液、气、电子、光等各项技术，在运行使用中不可避免地要产生各种故障，关键的问题是如何迅速诊断，确定故障部位，并及时排除解决，保证正常使用，提高生产效率。
一、数控机床的故障诊断技术
1.数控系统自诊断。开机自诊断数控系统在通电开机后，都要运行开机自诊断程序，对系统中关键的硬件和控制软件进行检测，并将检测结果在CRT上显示出来。运行自诊断运行自诊断是数控系统正常工作时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以及与数控装置相连的其他外部装置进行自动测试、检查，并显示有关状态信息和故障信息。2.在线诊断和离线诊断。在线诊断是指通过数控系统的控制程序，在系统处于正常运行状态下，实时自动地对数控装置、PLC控制器、伺服系统、PLC的输入输出和其他外部装置进行自检，并显示状态信息、故障信息。脱机诊断当数控系统出现故障时，需要停机进行检查，这就是脱机诊断。脱机诊断的目的是修复系统的错误和定位故障，将故障定位在最小的范围。远程诊断实现远程诊断的数控系统，必须具备计算机网络功能。因此，远程诊断是近几年发展起来的一种新型的诊断技术。数控机床利用数控系统的网络功能通过互联网连接到机床制造厂家，数控机床出现故障后，通过机床厂家的专业人员远程诊断，快速确诊故障。
二、数控机床故障的实用诊断方法
1.诊断常用的仪器、仪表及工具万用表－可测电阻、交、直流电压、电流。相序表－可检测直流驱动装置输入电流的相序。转速表－可测量伺服电动机的转速，是检查伺服调速系统的重要依据。钳形电流表－可不断线检测电流。测振仪－是振动检测中最常用、最基本的仪器。短路追踪仪－可检测电气维修中经常碰到的短路故障现象。逻辑测试笔－可测量数字电路的脉冲、电平。IC测试仪－用于数控系统集成电路元件的检测和筛选。工具－弹头钩形扳手、拉锥度平键工具、弹性手锤、拉卸工具等。2.诊断用技术资料主要有：数控机床电气说明书，电气控制原理图，电气连接图，参数表，PLC程序，编程手册，数控系统安装与维修手册，伺服驱动系统使用说明书等。数控机床的技术资料非常重要，必须参照机床实物认真仔细地阅读。一旦机床发生故障，在进行分析的同时查阅相关资料。3.故障处理。故障软故障－由调整、参数设置或操作不当引起硬故障－由数控机床（控制、检测、驱动、液气、机械装置）的硬件失效引起。故障处理对策除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源，应保持故障现场。从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。如不能消失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。4.数控系统故障诊断方法。直观法（望闻问切）：问－机床的故障现象、加工状况等看－CRT报警信息、报警指示灯、电容器等元件变形烟熏烧焦、保护器脱扣等听－异常声响闻－电气元件焦糊味及其它异味摸－发热、振动、接触不良等。参数检查法：参数通常是存放在RAM中，有时电池电压不足、系统长期不通电或外部干扰都会使参数丢失或混乱，应根据故障特征，检查和校对有关参数。隔离法：一些故障，难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常采用隔离法。同类对调法用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板，或将功能相同的模板或单元相互交换。功能程序测试法：将G、M、S、T、功能的全部指令编写一些小程序，在诊断故障时运行这些程序，即可判断功能的缺失。5.故障诊断应遵循的原则。第一，先外部后内部数控机床的检修要求维修人员掌握先外部后内部的原则，由外向内逐一进行检查排除。第二，先机械后电气首先检查机械是否正常，行程开关是否灵活，气动液压部分是否正常等，在故障检修之前，首先注意排除机械的故障。第三，先静后动维修人员本身要做到先静后动。首先询问机床操作人员故障发生的过程及状态，查阅机床说明书、图纸资料，进行分析后，才可动手查找和处理故障。
数控机床是现化企业进行生产的一种重要物质基础，是完成生产过程的重要技术手段，强化管理是关键，“防”与“治”的结合是解决数控机床“使用难、维修难”的唯一
3.4数控机床的维护
数控机床的维护概述延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种故障，提高数控机床的平均无故障工作时间和使用寿命。
一、数控机床使用中应注意的问题1．数控机床的使用环境对于数控机床最好使其置于有恒温的环境和远离震动较大的设备（如冲床）和有电磁干扰的设备。2．电源要求。3．数控机床应有操作规程进行定期的维护、保养，出现故障注意记录保护现场等。4．数控机床不宜长期封存。5．注意培训和配备操作人员、维修人员及编程人员
二、数控系统的维护1．严格遵守操作规程和日常维护制度。2．防止灰尘进入数控装置内漂浮的灰尘和金属粉末容易引起元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至损坏元器件。3．定时清扫数控柜的散热通风系统。4．经常监视数控系统的电网电压电网电压范围在额定值的85％～110％。5．定期更换存储器用电池。6．数控系统长期不用时的维护经常给数控系统通电或使数控机床运行温机程序。7．备用电路板的维护机械部件的维护机械部件的维护
三、刀库及换刀机械手的维护1.用手动方式往刀库上装刀时，要保证装到位，检查刀座上的锁紧是否可靠2.严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞；3.采用顺序选刀方式须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。其他选刀方式也要注意所换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生；4.注意保持刀具刀柄和刀套的清洁;5.经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作；6.开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。
四、滚珠丝杠副的维护1.定期检查、调整丝杠螺母副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；2.定期检查丝杠支撑与床身的连接是否松动以及支撑轴承是否损坏。13 如有以问题要及时紧固松动部位，更换支撑轴承；3.采用润滑脂的滚珠丝杠，每半年清洗一次丝杠上的旧油脂，更换新油脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠，每天机床工作前加油一次；4.注意避免硬质灰尘或切屑进入丝杠防护罩和工作过程中碰击防护罩，防护装置一有损坏要及时更换。
五、主传动链的维护1.定期调整主轴驱动带的松紧程度； 2.防止各种杂质进入油箱。每年更换一次润滑油； 3.保持主轴与刀柄连接部位的清洁。需及时调整液压缸和活塞的位移量；4.要及时调整配重。
六、液压系统维护1.定期过滤或更换油液；2.控制液压系统中油液的温度；3.防止液压系统泄漏；4.定期检查清洗油箱和管路；5.执行日常点检查制度。
七、气动系统维护1.清除压缩空气的杂质和水分；2.检查系统中油雾器的供油量；3.保持系统的密封性；4.注意调节工作压力；5.清洗或更换气动元件、滤芯；
八、预防性维护的目的是为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。1.人员安排 为每台数控机床分配专门的操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都要不断地努力提高自己的业务技术水平。2.建规建档 针对每台机床的具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案，管理者要经常检查、总结、改进。3.日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，包括保养内容(如坐标轴传动系统的润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统，传动带的松紧，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等)及各功能部件和元气件的保养周期(每日、每月、半年或不定期)。
九、我们懂得了数控机床的维护与保养的目的和意义后，还必须明确其基本要求。主要包括：1.在思想上要高度重视数控机床的维护与保养工作，尤其是对数控机床的操作 者更应如此，我们不能只管操作，而忽视对数控机床的日常维护与保养。2.提高操作人员的综合素质：数控机床的使用比使用普通机床的难度要大，因为数控机床是典型的机电一体化产品，它牵涉的知识面较宽，即操作者应具有机、电、液、气等更宽广的专业知识；再有，由于其电气控制系统中的CNC系统升级、更新换代比较快，如果不定期参加的专业理论培训学习，则不能熟练掌握新的CNC系统应用。因此对操作人员提出的素质要求是很高的。为此，必须对数控操作人员进行培训，使其对机床原理、性能、润滑部位及其方式，进行较系统的学习，为更好的使用机床奠定基础。同时在数控机床的使用与管理方面，制定一系列切合实际、行之有效的措施。3.要为数控机床创造一个良好的使用环境：由于数控机床中含有大量的电子元件，它们最怕阳光直接照射，也怕潮湿和粉尘、振动等，这些均可使电子元件受到腐蚀变坏或造成元件间的短路，引起机床运行不正常。为此，对数控机床的使用环境应做到保持清洁、干燥、恒温和无振动；对于电源应保持稳压，一般只允许±10%波动。4.严格遵循正确的操作规程：无论是什么类型的数控机床，它都有一套自己的操作规程，这既是保证操作人员人身安全的重要措施之一，也是保证设备安全、使用产品质量等的重要措施。因此，使用者必须按照操作规程正确操作，如果机床在第一次使用或长期没有时，应先使其空转几分钟；并要特别注意使用中注意开机、关机的顺序和注意事项。5.在使用中，尽可能提高数控机床的开动率：在使用中，要尽可能提高数控机床的开动率。对于新购置的数控机床应尽快投入使用，设备在使用初期故障率相对来说往往大一些，用户应在保修期内充分利用机床，使其薄弱环节尽早暴露出来，在保修期内得以解决。如果在缺少生产任务时，也不能空闲不用，要定期通电，每次空运行1小时左右，利用机床运行时的发热量来去除或降低机内的湿度。6.要冷静对待机床故障，不可盲目处理:机床在使用中不可避免地会出现一些故障，此时操作者要冷静对待，不可盲目处理，以免产生更为严重的后果，要注意保留现场，待维修人员来后如实说明故障前后的情况，并参与共同分析问题，尽早排除故障。故障若属于操作原因，操作人员要及时吸取经验，避免下次犯同样的错误。7.制定并且严格执行数控机床管理的规章制度:除了对数控机床的日常维护外，还必须制定并且严格执行数控机床管理的规章制度。主要包括：定人、定岗和定责任的“三定”制度，定期检查制度，规范的交接班制度等。这也是数控机床管理、维护与保养的主要内容。
3.5数控机床分类
数控机床可以有多种分类方式，其中最主要的分类方式是：
一、按照加工方式分类
1.金属切削类数控机床 如数控车床，加工中心，数控钻床，数控磨床，数控镗床等等。
2.金属成型类数控机床 如数控折弯机，数控弯管机，数控回转头压力机等。3.数控特种加工机床 如数控线（电极）切割机床，数控电火花加工机床，数控激光切割机床等。
4.其它类型数控机床 如火焰切割机床，数控三坐标测量机等。
二、按照数控系统功能水平分类
1.高档数控机床 2.中档数控机床 3.低档数控机床
四、按照数控机床的功能分类
1.经济型数控机床（功能少，简单，价格便易）。2.全功能数控机床（标准型数控机床）。
五、数控机床的结构及各部分功能: 15 1.程序——编程员所编写的零件加工程序。
2.输入设备——将程序，指令等输入到CNC中的操作设备，主要负责录入程序及参数。（系统操作面板，纸带机，计算机）
3.输出设备——将程序，参数，指令等输出或显示，以便操作者进行控制。4.CNC——计算机数字控制系统，是整个机床的大脑，一切控制指令都是由此发出，包括插补运算，轨迹控制，位置控制，报警显示，程序显示等等。
5.可程控制器——即PLC或PC，是机床与CNC之间的接口，因为CNC所能接收和控制的信号都是弱电信号，而机床各辅助部分均为强电信号，如冷却，润滑等，必需在它们之间加信号隔离转换设备，否则不仅增加系统功耗，更重要的是干扰系统正常工作。
6.主轴伺服——对CNC发出的主轴工作指令（方向，转速等）进行功率放大，驱动主轴电机旋转。
7.主轴电机。
8.伺服放大器——对CNC发出的轴控制位移指令进行功率放大，驱动各轴伺服电机旋转。
9.伺服电机——驱动各轴丝杠旋转，带动工作台移动。
10.位置检测——直接测量或间接测量工作台的位置，反馈到CNC，经CNC内部进行比较后，输出位移指令，控制工作台作进一步的运动。
第4章 数控技术的发展趋势
4.1数控技术发展概况
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；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
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，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
4.2数控技术发展趋势
一、性能发展方向
1.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。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。
2.柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
3.工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。
4.实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控 17 制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。
二、功能发展方向
1.用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。
2.科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。
3.插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、样条插补(A、B、C样条)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。
4.内装高性能PLC 数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。
5.多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。
三、体系结构的发展
1.集成化 采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。
2.模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。
3.网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。
4.通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。
结
论
当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合力。
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