并联机床范文10篇
时间：2023-03-16 01:02:58
并联机床范文篇1
关键词：并联机床；精度分析；位姿误差
1并联机床误差基本分类及特点
（1）转换误差。转换误差是并联运动机床所特有的一种误差。它是由于控制系统中的运动学模型与实际机构运动学之间的差别造成的。产生这种误差的原因如下：运动学模型含有某些简化和假设，例如万向铰链的轴线与线性轴线不平坦性之间的差异是忽略不计的；并联机构几何参数数量大，相互之间是非线性耦合。
（2）动平台质量所造成的误差。由于并联运动机床的运动学柔性以及机床刚度在整个工作空间内不是常数，动平台的质量(重力)将导致实际机床结构的静态弹性变形量随机床动平台的位置而变化。
（3）弹性变形。弹性变形是机床构件在受力后的变形量。除上面提到的重力外，切削力和加速运动时的惯性力是并联运动机床变形的主要来源。并联运动机床动态载荷下的精确弹性变形是通过计算方法获得。
（4）振动误差。并联运动机床的动态刚度取决于它的固有频率，最低固有频率将限制机床的动态性能。通过刀头点位置测量和控制来进行补偿。
（5）驱动误差。对于用高速切削的并联机床来说，驱动误差是不可忽视的。在高速运动的情况下，当驱动力变化，或者改变速度方向时，就不可避免的产生驱动误差，使加工工件的表面质量下降，出现波纹。
（6）热变形。热变形是一种半静态的、变化缓慢的误差来源，与传统机床一样，它对并联运动机床的工作精度带来不良影响。并联运动机床的构件大多中高速下运动，发热量较大，加以结构紧凑，散热条件较差，热变形就成为影响机床工作精度的因素。
2误差模型的建立
2.1并联6-SPS机构及其坐标系
图1是并联6-SPS机构及坐标系示意图，其上、下平台各有6个球铰Ai、Bi(i=1-6)，中间用驱动杆相联。动坐标系o''''-x′y′z′位于上平台(活动平台)几何中心，o′点为刀头点所在位置。x′轴垂直A1A6，z′轴垂直上平面向上。固定坐标系o-xyz位于下平台几何中心坐标，x轴垂直B1B6，z轴垂直下平台向上。
设动平台第i个铰点Ai在在动坐标系内坐标为ci，在固定坐标系中的坐标为Pi，R为动坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵，即变换矩阵。P=［xp，yp，zp］T为动坐标系的原点在固定坐标系上的坐标（绝对坐标）。则有：
3计算实例
并联6-SPSStewart机构上、下平台坐标系及结构参数分别如图2所示，设结构参数为：ra=600mm，rb=800mm，αa=π/4，αb=π/6，绕下平台坐标轴z、y、x的顺序转角(旋转方向按右手法则，规定拇指向坐标轴方向)分别为φ=30°，θ=40°，Ψ=40°，给定各结构参数误差如表，,所得主轴端位姿误差如表2。
参考文献
并联机床范文篇2
并联机床(ParallelMachineTools)，又称并联结构机床(ParallelStructuredMachineTools)、虚拟轴机床(VirtualAxisMachineTools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，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。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。
图1并联机床的运动仿真模拟图
1并联机床的特点
整体而言，传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改进。另外，由于其进给速度的提高，从而使高速、超高速加工更容易实现。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值。
随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：
(1)结构简单、价格低
机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。
(2)结构刚度高
由于采用了封闭性的结构(closed-loopstructure)使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。
(3)加工速度高，惯性低
如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。
(4)加工精度高
由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果(averagingeffect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。
(5)多功能灵活性强
由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。
(6)使用寿命长
由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。
(7)Stewart平台适合于模块化生产
对于不同的机器加工范围，只需改变连杆长度和接点位置，维护也容易，无须进行机件的再制和调整，只需将新的机构参数输入。
(8)变换座标系方便
由于没有实体座标系，机床座标系与工件座标系的转换全部靠软件完成，非常方便。
Stewart平台应用于机床与机器人时，可以降低静态误差(因为高刚性)，以及动态误差(因为低惯量)。而Stewart平台的劣势在于其工作空间较小，且其在工作空间上有着奇异点的限制，而串联工作平台，控制器遇到奇异点时，将会计算出驱动装置无法达成的驱动命令而造成控制误差，但Stewart平台在奇异位置会失去支撑部分方向的力或力矩的能力，无法完成固定负载对象。
2并联机床的研究现状
自从1965年Stewart提出著名的Stewart平台机构，从此开始了基于Stewart并联机构的虚拟机床研究。但开始，人们还只是对这种机构停留在理论分析上。1994年，在美国芝加哥IMTS博览会上首次展出并引起世界轰动的并联6条腿机床(又称并联机床)，在经过随后持续三年的全球跟进浪潮后，在世界范围内已逐渐降温。这是因为并联机床在理论和实践上有一系列的难题，难以在短期内解决。
DCB510并联机床
目前，国内外有许多公司和研究单位在研究虚拟轴机床。我国的并联机床研究起步较晚，但成果显著。其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1997年12月25日与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机-VAMT1Y。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水平，其中部分理论成果属国际首创。目前正在进行虚拟轴机床系列化、实用化的研究，与多家机床骨干厂家进行了新型虚拟轴机床商品化样机的研制工作，以期实现虚拟轴机床的产业化。其中与昆明机床股份有限公司、江东机床厂和大连机床厂联合研制的三种不同构型的机床已经问世，并与2001年在CIMT上展出，有望在近期实现商品化。与昆明机床股份有限公司共同研制的XNZ63虚拟轴机床，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，其综合指标达到了国际先进水平。与江东机床厂联合开发的一台龙门式虚拟轴机床，结构采用双柱龙门工作台移动式，可完成4坐标联动。与大连机床厂联合研制的DCB-510五轴联动串并联机床，能够通过并联机构实现X、Y和Z方向的移动，采用传统的串联方式实现主轴头的A和C方向的转动。另外由天津大学设计并与天津市第一机床厂联合研制的并联机床也获得成功并达到实用化水平。
哈工大与齐齐哈尔第二机床企业集团联合研制的BJ-1并联机床，现有机型技术参数为：①加工范围：f400×250；②主轴转速：0～8000r/min；③电主轴功率：9kW；④杆系伺服电机功率：0.75kW；⑤重复性精度：0.002mm(静态)；⑥定位精度：0.015mm；⑦体积：1800×1500×2300；⑧数控系统：研华工控机+六轴联动卡。
东北大学最新研制的DSX5-70型三杆虚拟轴机床是由三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床。其中，两自由度串联机构置于运动平台上，整个机构通过三杆的伸缩和两驱动轴可实现五轴联动，用以完成多种作业任务。
由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河——2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的，在保持原并联机构的诸多优点，如高刚度，高精度和高的运动速度外，用变异机构扩大了机床的运动范围。
瑞典NeosRobotics公司由于采用了并联加串联的方案，从低层次应用做起，逐步积累经验和财力，向高层次应用发展，以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施，其并联机床产品早已进入实用，至今已创200余台的惊世销售业绩。该公司展出的Tricept845加工中心，其体积定位精度达到±50µm，重复定位精度达±10µm，这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距，但对并联机床已属重大的突破，具有实用价值。其进给速度已达90m/min，加速度已达2g，主轴功率为30～45kW，24,000～30,000r/min，采用瑞士IBAG公司电主轴、Siemens840D数控系统和Heidenhain的测量系统。该加工中心采用模块化结构。三杆结构组件有0°、45°、90°三种布局可任选(即分别组成卧式、倾斜45°和立式加工中心)。
德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工，其主要技术参数为：工作台：630×630，X，Y，Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为30°，主轴最高速度为3000r/min，功率为16kW，腿的最大进给速度为30m/min，加速度为10m/s。
德国Index的美国分公司将并联机床用于车床，生产出了V100型三杆并联机构的“倒立车”(即主轴和工件在上作X、Z轴运动，而刀具在下不动，可回转换刀，但不作任何直线运动的立式车床，我国习称为“倒立车”)。它具有如下优点：①外形紧凑。车床不象加工中心，工件相对刀具的移动范围较小，克服了并联机构空间有效利用率低的弱点。②车床一般只需两个自由度(X和Z轴)，现用三杆几何机构，可以获得X、Y、Z三个自由度，冗余的一个自由度可用作自由上下料用。另外，为了增加刚度，Index采用两根杆起一根杆作用的双杆机构，与我国天津第一机床总厂结构类似。V100安装5英寸卡盘，其主要技术参数为：电主轴转速为8000r/min，功率为26.48kW。X、Y、Z行程分别为1450mm、150mm、175mm，可自动上下料。
美国Hexel公司将6杆并联结构作成独立部件应用于转塔铣床。这可将低价的普通铣床升级为5轴联动铣床。其主要技术参数为：工作台直径710mm，X、Y行程范围为直径305mm的圆，Z轴178mm，A轴±25µm，最大进给速度为5.1m/min，重91kg。
瑞士技术院(ETH)、机床与制造技术院(IWF)和机器人院(IFR)也联合研制出了名为IWF的Hexaglide虚拟轴机床。
迄今为止，我们了解的虚拟轴并联机床有二自由度、三自由度、法面三自由度、纯移动三自由度四自由度、对称五自由度和六自由度等类型。虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自由度数控机床。
3并联机床的研究方向
并联机床组成原理的研究。研究并联机床自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。
并联机床运动空间的研究。包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求解(如数值求解法、球坐标搜索法等)、机床干涉计算及位置分析等。
并联机床结构设计的研究。并联机床的结构设计包括很多内容，如机床的总体布局、安全机构设计、数控系统设计(包括数控平台建造、数控系统编程、数控加工过程仿真等)。
并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究。并联机构封闭回路的特性，使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题，相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。关于并联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究(及机床制造前精度设计和精度描述)和系统输出精度研究(及机床制造后输出数据处理和精度评价)。并联机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。
并联机床误差研究。包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设计等问题。
并联机床模块设计与创建。根据工件加工的空间型和平面型，相应地把并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。并联机床按功能和结构可分为以下几个功能模块：①执行模块；②机座模块(静平台模块)；③动平台模块；④机架模块；⑤定位模块；⑥驱动模块；⑦控制和显示模块；⑧润滑与冷却模块。
并联机床范文篇3
（1）转换误差。转换误差是并联运动机床所特有的一种误差。它是由于控制系统中的运动学模型与实际机构运动学之间的差别造成的。产生这种误差的原因如下：运动学模型含有某些简化和假设，例如万向铰链的轴线与线性轴线不平坦性之间的差异是忽略不计的；并联机构几何参数数量大，相互之间是非线性耦合。
（2）动平台质量所造成的误差。由于并联运动机床的运动学柔性以及机床刚度在整个工作空间内不是常数，动平台的质量(重力)将导致实际机床结构的静态弹性变形量随机床动平台的位置而变化。
（3）弹性变形。弹性变形是机床构件在受力后的变形量。除上面提到的重力外，切削力和加速运动时的惯性力是并联运动机床变形的主要来源。并联运动机床动态载荷下的精确弹性变形是通过计算方法获得。
（4）振动误差。并联运动机床的动态刚度取决于它的固有频率，最低固有频率将限制机床的动态性能。通过刀头点位置测量和控制来进行补偿。
（5）驱动误差。对于用高速切削的并联机床来说，驱动误差是不可忽视的。在高速运动的情况下，当驱动力变化，或者改变速度方向时，就不可避免的产生驱动误差，使加工工件的表面质量下降，出现波纹。
（6）热变形。热变形是一种半静态的、变化缓慢的误差来源，与传统机床一样，它对并联运动机床的工作精度带来不良影响。并联运动机床的构件大多中高速下运动，发热量较大，加以结构紧凑，散热条件较差，热变形就成为影响机床工作精度的因素。
2误差模型的建立
2.1并联6-SPS机构及其坐标系
图1是并联6-SPS机构及坐标系示意图，其上、下平台各有6个球铰Ai、Bi(i=1-6)，中间用驱动杆相联。动坐标系o''''-x′y′z′位于上平台(活动平台)几何中心，o′点为刀头点所在位置。x′轴垂直A1A6，z′轴垂直上平面向上。固定坐标系o-xyz位于下平台几何中心坐标，x轴垂直B1B6，z轴垂直下平台向上。
设动平台第i个铰点Ai在在动坐标系内坐标为ci，在固定坐标系中的坐标为Pi，R为动坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵，即变换矩阵。P=［xp，yp，zp］T为动坐标系的原点在固定坐标系上的坐标（绝对坐标）。则有：
3计算实例
并联6-SPSStewart机构上、下平台坐标系及结构参数分别如图2所示，设结构参数为：ra=600mm，rb=800mm，αa=π/4，αb=π/6，绕下平台坐标轴z、y、x的顺序转角(旋转方向按右手法则，规定拇指向坐标轴方向)分别为φ=30°，θ=40°，Ψ=40°，给定各结构参数误差如表，,所得主轴端位姿误差如表2。
参考文献
［1］张曙，U•HeiSe1．并联运动机床［M］．北京：机械工业出版社，2003.
［2］黄真，方跃法.并联机器人机构学理论及其控制［M］．北京：机械工业出版社，1997.
并联机床范文篇4
关键词：并联机床；精度分析；位姿误差
1并联机床误差基本分类及特点
（1）转换误差。转换误差是并联运动机床所特有的一种误差。它是由于控制系统中的运动学模型与实际机构运动学之间的差别造成的。产生这种误差的原因如下：运动学模型含有某些简化和假设，例如万向铰链的轴线与线性轴线不平坦性之间的差异是忽略不计的；并联机构几何参数数量大，相互之间是非线性耦合。
（2）动平台质量所造成的误差。由于并联运动机床的运动学柔性以及机床刚度在整个工作空间内不是常数，动平台的质量(重力)将导致实际机床结构的静态弹性变形量随机床动平台的位置而变化。
（3）弹性变形。弹性变形是机床构件在受力后的变形量。除上面提到的重力外，切削力和加速运动时的惯性力是并联运动机床变形的主要来源。并联运动机床动态载荷下的精确弹性变形是通过计算方法获得。
（4）振动误差。并联运动机床的动态刚度取决于它的固有频率，最低固有频率将限制机床的动态性能。通过刀头点位置测量和控制来进行补偿。
（5）驱动误差。对于用高速切削的并联机床来说，驱动误差是不可忽视的。在高速运动的情况下，当驱动力变化，或者改变速度方向时，就不可避免的产生驱动误差，使加工工件的表面质量下降，出现波纹。
（6）热变形。热变形是一种半静态的、变化缓慢的误差来源，与传统机床一样，它对并联运动机床的工作精度带来不良影响。并联运动机床的构件大多中高速下运动，发热量较大，加以结构紧凑，散热条件较差，热变形就成为影响机床工作精度的因素。
2误差模型的建立
2.1并联6-SPS机构及其坐标系
图1是并联6-SPS机构及坐标系示意图，其上、下平台各有6个球铰Ai、Bi(i=1-6)，中间用驱动杆相联。动坐标系o''''-x′y′z′位于上平台(活动平台)几何中心，o′点为刀头点所在位置。x′轴垂直A1A6，z′轴垂直上平面向上。固定坐标系o-xyz位于下平台几何中心坐标，x轴垂直B1B6，z轴垂直下平台向上。
设动平台第i个铰点Ai在在动坐标系内坐标为ci，在固定坐标系中的坐标为Pi，R为动坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵，即变换矩阵。P=［xp，yp，zp］T为动坐标系的原点在固定坐标系上的坐标（绝对坐标）。则有：
3计算实例
并联6-SPSStewart机构上、下平台坐标系及结构参数分别如图2所示，设结构参数为：ra=600mm，rb=800mm，αa=π/4，αb=π/6，绕下平台坐标轴z、y、x的顺序转角(旋转方向按右手法则，规定拇指向坐标轴方向)分别为φ=30°，θ=40°，Ψ=40°，给定各结构参数误差如表，,所得主轴端位姿误差如表2。
参考文献
并联机床范文篇5
（1）转换误差。转换误差是并联运动机床所特有的一种误差。它是由于控制系统中的运动学模型与实际机构运动学之间的差别造成的。产生这种误差的原因如下：运动学模型含有某些简化和假设，例如万向铰链的轴线与线性轴线不平坦性之间的差异是忽略不计的；并联机构几何参数数量大，相互之间是非线性耦合。
（2）动平台质量所造成的误差。由于并联运动机床的运动学柔性以及机床刚度在整个工作空间内不是常数，动平台的质量(重力)将导致实际机床结构的静态弹性变形量随机床动平台的位置而变化。
（3）弹性变形。弹性变形是机床构件在受力后的变形量。除上面提到的重力外，切削力和加速运动时的惯性力是并联运动机床变形的主要来源。并联运动机床动态载荷下的精确弹性变形是通过计算方法获得。
（4）振动误差。并联运动机床的动态刚度取决于它的固有频率，最低固有频率将限制机床的动态性能。通过刀头点位置测量和控制来进行补偿。
（5）驱动误差。对于用高速切削的并联机床来说，驱动误差是不可忽视的。在高速运动的情况下，当驱动力变化，或者改变速度方向时，就不可避免的产生驱动误差，使加工工件的表面质量下降，出现波纹。
（6）热变形。热变形是一种半静态的、变化缓慢的误差来源，与传统机床一样，它对并联运动机床的工作精度带来不良影响。并联运动机床的构件大多中高速下运动，发热量较大，加以结构紧凑，散热条件较差，热变形就成为影响机床工作精度的因素。
2误差模型的建立
2.1并联6-SPS机构及其坐标系
图1是并联6-SPS机构及坐标系示意图，其上、下平台各有6个球铰Ai、Bi(i=1-6)，中间用驱动杆相联。动坐标系o''''-x′y′z′位于上平台(活动平台)几何中心，o′点为刀头点所在位置。x′轴垂直A1A6，z′轴垂直上平面向上。固定坐标系o-xyz位于下平台几何中心坐标，x轴垂直B1B6，z轴垂直下平台向上。
设动平台第i个铰点Ai在在动坐标系内坐标为ci，在固定坐标系中的坐标为Pi，R为动坐标系到固定坐标系的方向余弦矩阵，即变换矩阵。P=［xp，yp，zp］T为动坐标系的原点在固定坐标系上的坐标（绝对坐标）。则有：
3计算实例
并联6-SPSStewart机构上、下平台坐标系及结构参数分别如图2所示，设结构参数为：ra=600mm，rb=800mm，αa=π/4，αb=π/6，绕下平台坐标轴z、y、x的顺序转角(旋转方向按右手法则，规定拇指向坐标轴方向)分别为φ=30°，θ=40°，Ψ=40°，给定各结构参数误差如表，,所得主轴端位姿误差如表2。
参考文献
［1］张曙，U•HeiSe1．并联运动机床［M］．北京：机械工业出版社，2003.
［2］黄真，方跃法.并联机器人机构学理论及其控制［M］．北京：机械工业出版社，1997.
并联机床范文篇6
近年来全球机床制造业都在积极探索和研制新型多功能的制造装备与系统，其中在结构技术上取得突破性进展当属90年代问世的虚(拟)轴机床(VirtualAxisMachineTool)。与实现等同功能的传统数控机床相比，并联机床具有模块化程度高、精度高、重量轻、速度快和造价低等优点。
因而，国际学术界和工程界对研究与开发并联机床非常重视，并于90年代中期美国Ingersoll铣床公司，Giddings&Lewis公司和Hexel公司等相继推出结构各异的产品化样机。目前，我国也将并联机床的研究与开发列入“九五”攻关和“863”高科技发展计划。天津大学在国家自然科学基金、天津市重点基金、教育部“211”工程重点建设项目的资助下，开展新型多功能3-HSS虚(拟)轴机床设计理论、关键技术研究及样机建造工作。
2机床结构及传动原理
从机床结构图（图1），可以看出虚(拟)轴机床与传统机床的本质区别在于，刀具在操作空间的运动是关节空间线性伺服运动的非线性映射，要实现虚(拟)轴机床的CNC控制，必须建立基于实虚变换的操作空间与关节空间的运动正、逆解模型。其中机床的正解模型比较复杂，其算法效率直接影响到机床的位置显示、软限位的响应时间。本文结合机床的具体构型给出了正解显式表达，并在数控系统中得到了应用。
如图1所示，3-HSS并联机床(H─螺旋副，S─球面副)的主进给机构采用三自由度并联机构，由动平台和三对立柱─滑鞍─支链组成；每条支链中含三根平行定长杆件，各杆件一端与滑鞍，另一端与动平台用球铰(或虎克铰)连接，滑鞍由伺服电机和滚珠丝杠螺母副驱动，沿安装在立柱上的滚动导轨作上下移动，进而使动平台仅提供沿笛卡儿系三个方向的平动。
3正解模型
在进行刀具运动控制时，还需要对伺服系统发出的控制指令进行监控，使操作者通过人机界面掌握当前刀具在O-xyz中所处的位置信息，这一点在手动操作中十分重要。为此需要建立并联机构的位置正解模型，即当已知机构尺度参数和伺服系统的控制指令后，确定动平台参考点位置。
考虑到平行四边形支链中各杆运动规律等同，故可在运动学分析时可将原机构简化为如图2所示的等效机构。在工作台台面和动平台上端球铰所在平面形心处分别建立固定参考系O-xyz和连体参考系O-x′y′z′，点O′在系O-xyz下的位矢r=(xyz)T可表示为：
r=bi-ai+qie3+Lwii=1，2，3(1)
式中：bi=rb(cosβisinβi0)T；
ai=ra(cosβisinβi0)T；
ai，bi──点Ai和Bi在系O-xyz和O-x′y′z′的位置矢量；
ra、rb——动、静平台半径；
βi──点Ai和Bi在O-xyz和O-x′y′z′下的位置角，且有
；
wi──支链i的单位矢量；
L──支链杆长；
qi──滑鞍i相对丝杠参考点Bi的位移；
e3＝（001）T。
改写闭环约束方程(1)：
r-(bi-ai)-qie3=r-r0i-qie3=Lwi(2)
式中：r0i=(bi-ai)=(x0iy0iz0i)T。
两端取模平方，并整理得：
q21-2zq1+(x-x01)2+(y-y01)2+z2-L2=0(3)
q22-2zq2+(x-x02)2+(y-y02)2+z2-L2=0(4)
q23-2zq3+(x-x03)2+(y-y03)2+z2-L2=0(5)
由式(4)-式(3)：
(q22-q21)-2z(q2-q1)－2x(x02-x01)+(x202-x201)－
2y（y02-y01)+（y202-y201)=0
(6)
及式(4)-式(5)：
(q22-q23)-2z(q2-q3)－2x(x02-x03)+(x202-x203)－
2y（y02-y03)+（y202-y203)=0
(7)
注意到：
代入式(6)、式(7)并写成矩阵形式，得：
(8)
利用克来默法则可解出：
(9)
将式(4)展开并化简得：
q22-2zq2+x2+y2＋z2-2y(rb-ra)+(rb-ra)2-L2=0(10)
将式(9)代入式(10)，得：
Az2+Bz+C=0(11)
式中：
根据机床的装配模式可解出：
(15)
并联机床范文篇7
1.PRS-XY型混联数控机床机构模型
该机构(如图1所示)由并联机构和串联机构两部分构成。其上半部为一个三自由度的PRS型并联机构,包括固定平台和动平台,固定平台和动平台之间通过3个定长杆件连接,每一杆件链包含移动副、转动副和球面副。移动副水平120°均匀分布在固定平台的立柱上,并由直线电动机驱动。该机构的动平台具有1个平动自由度(Z轴)和2个旋转自由度(A、B轴)。其下半部为X-Y工作台,具有2个平动自由度(X、Y轴)。该混联机构为五轴联动加工机床,采用了串联驱动和并联驱动并用的混联驱动原理,兼有并联机床和传统机床的优点,克服了并联机床工作空间小的缺点,可应用于复杂型面零件的加工[1]。
2.PRS-XY型混联数控机床3D刀补原理
2.1硬件支持PRS-XY型混联数控机床控制系统采用PC+多轴运动控制器架构,多轴运动控制器采用美国DeltaTau公司生产的TurboPMAC。它既可单独执行存储于控制器内部的程序,也可执行运动程序和PLC程序,并可以自动对任务优先级进行判别,从而进行实时多任务处理。对于混联结构机床,更重要的是它不仅提供了强大的运动控制功能,如直线插补、圆弧插补、样条曲线插补和PVT插补等模式,还提供了正运动学和逆运动学计算能力,以及3D刀具半径补偿功能,并且可以很好地支持G代码编程功能。
2.2逆运动学分析
PRS-XY型数控机床坐标系的建立如图1所示,动平台的球铰点均匀分布在以r为半径的动平台上。连杆、滑块间用转动副连接,、是三个转动副轴线的单位方向矢量。X-Y工作台上平面与三根竖直滑轨延长线交于,这三点均匀分布在以R为半径的圆上。固定坐标系(绝对坐标系)O-XYZ建立在等边的几何中心,为Y轴,Z轴竖直向上。固连于动平台上的动坐标系原点位于等边的几何中心,处,轴沿方向,轴向上垂直于动平台。设连杆长均为L,转动副与平面的距离分别为,刀具长度为。在X-Y工作台上建立参考坐标系,其初始位置与绝对坐标系(或固定坐标系)O-XYZ完全重合。其逆运动学分析就是已知刀尖位置和刀轴姿态参数,求。已知条件为刀尖位置为,刀尖位置在中为(,),刀轴的方向矢量。
2.33D刀具补偿原理
2.3.1刀具补偿数量级的确定
为了实现此功能首先要定义刀具补偿的数量级,图3所示为常用普通铣刀刀具剖面模型,TR为刀柄半径,CCR为刀尖圆角半径。
2.3.23D刀具半径补偿的方向
1)工件表面法向矢量。此矢量方向为垂直于所需加工工件的表面,并由表面指向刀具,在运动程序中用NX、NY、NZ来表示。由于它的绝对数量由CCR来决定,是用来表明所加工工件表面的位姿,所以可以用工件表面法线方向与机床坐标系中的X、Y、Z夹角的余弦来决定,即并且这3个方向余弦只能同时定义,不能只定义其中的1个或2个,这样会导致刀具半径补偿方向出错,发生不可预料的错误。在数控程序中此定义会一直保持到另外一个方向矢量被定义为止,所以在加工表面更换之前都需要重新定义新的加工表面的方向矢量。
2)向矢量。PRS-XY型混联数控机床可以实现刀具姿态的变换,在进行3D刀具补偿的过程中就需要通过刀具方向矢量对刀具的姿态进行描述,刀具方向矢量定义方式为:。
2.3.33D刀补执行过程
在实际加工中,一旦3D刀补被指令“CC3”激活,刀具从未加入刀具补偿的点开始到已经加入3D刀具半径补偿的点为止,要分两个阶段进行刀具补偿运动。首先,第一个偏移补偿将沿着工件表面法向矢量所定义的方向进行运动,机床将CCR所对应的数值代入到逆运动学公式中进行计算,沿着工件表面法向矢量所定义的方向控制伺服电动机带动刀具进行相应的运行,从而达到补偿CCR的目的,如图4所示。
实现方法为:,第二个偏移补偿将在与第一个偏移运动相同的平面内,沿着垂直于刀具方向矢量并指向刀具中心的方向进行,偏移距离为Δl=TR-CCR,机床同样根据逆运动学对偏移量进行计算,最后重新计算出相应补偿后刀具中最后所处位置,从而控制刀具进行补偿运动。运动程序具体执行如下:
偏移执行方向如图4所示。图中,PP为编程点;CP为补偿后刀具中心位置;为工件表面法向向量;为刀具方向矢量;CCR为刀尖圆角半径;TR为刀杆半径。
3.加工实验
实验采用刀杆半径为3mm的直柄立铣刀,故CCR=0,TR=3mm,工件水平装夹在工作台,令刀具绕X轴顺时针偏转20°,根据右手定则即a=-20°,如图5a所示。其中点O为坐标原点,刀尖未补偿位置为PP(0,0,5),点CP为补偿后刀尖位置见图5b。当刀具中心运动到点PP后,执行补偿语句:CC3TR3CCR0NX0NY0NZ1TY(cos(70))TX0TZ(cos(20)),最后再执行“Z5”运动指令,表面上机床并不运动,但是实际上机床会按照前述原理控制刀具进行补偿运动,即刀具中心由点PP运动到点CP,CP为补偿后刀尖所在位置(0,-2.8191,6.0226)。图5b为机床实际刀具中心实际位置示意图,并且与几何计算分析相一致,达到补偿目的。
并联机床范文篇8
关键词：数控加工技术；汽轮机；叶片；有效应用
汽轮机上的叶片能够在运作过程中将蒸汽转换为机械能，并通过不断旋转的形式为汽轮机提供动力，使其能够产生电力并不断运行，由此可见，叶片作为汽轮机中的重要组成部分，在整个能量转换过程中有着至关重要的作用。近年来我国工业科技水平不断受到国际化、科技化的推动而提升，而全球工业的进步也对汽轮机的设计提出了新要求，其中最重要的就是对叶片的型面设计。由于传统工艺加工技术已经无法满足工业生产需要，因此必须在传统技术的基础上融入数控加工等计算机科技手段并不断对其优化，在确保能够提高其加工工艺水平的同时促进工业工厂生产效率，促进我国工业实力的进步与发展。
1汽轮机叶片结构的特点及运作分析
叶片作为汽轮机中的重要组成部分，不仅是使风轮机转换能量的重要前提，同时其质量也决定着风轮机的运作效率，是决定汽轮机是否能够正常运作的基本条件，叶片在通常情况下分为动叶片与静叶片两种。就动叶片而言，其主要由叶身、叶根、拉筋以及型面、叶冠和中间体几个部分构成。其中，中间叶身的结构是最繁琐的，平常见到的多数为扭转型的自由曲面。通常情况下，可将叶身型面划分成叶根圆角、进气边圆角、背弧、拉筋以及叶冠圆角、出气边圆角和内弧几个部分。叶身型面均由不一样的截面型线拟合而成的曲面，叶身型面是由一组间距不一致的截面型线所形成的一种空间扭曲面，通常情况下，将叶身部分的该部分横截面称作叶型，将每个横截面的边缘叫做型线，在通常，一条型线均由三个部分构成，即背弧、进气边圆弧以及内弧与出气边圆弧，型线对叶片的具体工作有着直接性的作用和影响，许多型面均属于一种弯扭变截面与等截面弯扭曲面。在通常情况下，叶根形式有菱形、T形以及枞树形与叉形四种。与动叶片不同的是，静叶片被固定在汽轮机中的气缸里的叶片。而气缸中具有许多静叶片，每一个静叶片都与一个动叶片进行组合形成一级，而当热蒸汽进入汽缸并进入到第一个叶片级时，静叶片就将蒸汽倒入动叶片处，并使其产生推力推动动叶片旋转，而随着热蒸汽的不断进入，每一级叶片都因受到上一级的推动而转动起来，并且随着蒸汽总量与速度进入的增加，动叶片旋转的速度也不断加快，最终使每一级的动叶片都不断运行，并产生机械能，为汽轮机提供动力。
2叶片的数控加工工艺
传统叶片加工工艺已无法满足现代工业企业生产需要，而数控技工技术与叶片加工工艺的结合完美地解决了这一问题。其中叶片在运作时产生的气道对汽轮机所产生的功率有直接影响作用，因此在进行叶片加工时需要将叶片气道作为保证叶片质量的重要指标之一。国外发达国家已经能够熟练地运用先进数控加工技术来进行叶片加工，而现如今我国仍属于起步阶段，在叶片数控加工方面略显不足。因此，我国相关科研人员正不断地研究该技术并创新，以期为促进我国工业发展奠定基础。数控加工叶片技术不仅具有先进的科学性，同时也具备其它优势。首先，数控机加工技术在一定基础上能够通过智能化加工及管理有效提高叶片的质量，在降低叶片型线误差值的同时也为提高汽轮机整体质量提供保障；其次，数控加工叶片技术的投入大量节省人力，并且有效地提高加工工作效率，为工业生产企业节省成本的同时增加经济效益。由于受到其工作性质影响，加工企业在选择叶片材料时通常采用1Crl3与2Crl3等不锈材料，以确保能够提高叶片的使用寿命，增加汽轮机的能量转换率及机械利用率。但由于这两种材料具有高强度、易变形等特点，因此在加工过程中增加了一定难度。
3基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工应用
并联机床是近年才出现的一种有效结合了科技与工艺的新概念加工机床，该机床通过利用CAD/CAM软件等先进科学技术将机器人结构与机床完美结合，不仅具有低成本、高效率以及结构简单等特点，同时也因其寿命长、加工精度较高等优势受到全世界工业产业的关注。通常情况下，基于并联机床的汽轮机叶片的数控加工程序由以下几个部分进行实现：第一，CAD技术的处理流程；第二，并联机床的加工流程。并联机床的加工内容着重包括叶身型面、叶冠、叶根和叶身以及叶片的叶根和叶冠的交接面。基于UG的叶片数控加工的编制程序着重涵盖了以下几个方面的内容：a.叶片零部件的三维造型；b.对叶片数控加工的工艺程序、加工的工具进行确认；c.刀位的精确计算和所生成的刀具的运动轨道；d.对刀具的运动轨迹进行科学的校验以及仿真与编辑，同时形成相应的刀位文件；e.以后置处理流程为依据，将刀位文件变成数控机床可以读取的NC代码。运用UG软件对叶片进行数控加工，在通常情况下，其数控加工的编制程序均是在UG/CAM中形成了刀具的轨迹后，在进行NT仿真与校验，可将加工数据与信息输出视为刀位源的一种具体文件。在刀位源文件中着重包括刀具信息、加工坐标系信息、刀具位置以及所有的加工辅助命令信息和姿态信息，需要通过一定的后置处理器，把它转换成数控机床可以接受的一些数控程序，同样，也可择取并联机床自身所有的后处理程序进行相应的后处理工作。在UG软件中，供应了在形式上抽象、繁琐的各种零件的粗精加工，广大用户可按照各种零件架构、加工精度以及加工表面形状等方面的一些具体要求，对加工类型进行科学、合理的选择，在所有的加工类型中都涵盖了多种形式的加工模块。运用加工模块能迅速的建立加工操作。在交互操作中，在图形方式之下对编辑刀具路径进行交互，进而形成适合于机床的数控加工流程。
4结束语
综上所述，数控加工叶片工艺技术不仅能够将传统加工工艺中的不足进行完善，同时也能够提升叶片的整体质量。此外，由于在进行加工设计时，将传统工艺中的去毛坯余量的步骤放在普通机床中进行，而具体加工则采用并联机床，不仅大大节省了加工时间，同时也能够利用并联机床的先进性与智能性，在提高叶片的加工精度、降低加工误差值的同时大量节省人力财力，从根本上提高了生产效益，对促进我国工业科技水平的提高起到重要作用。
作者:程汇添 单位:哈尔滨汽轮机厂有限责任公司
参考文献:
[1]罗伟华.汽轮机叶片断裂原因分析及对策[J].石化技术,2016(9).
[2]潘毅,章泳健,赵军燧.汽轮机叶片数字化检验技术的研究与实践[J].汽轮机技术,2011(3).
并联机床范文篇9
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；将数控机床主轴的润滑以油气润滑、喷油润滑等取代油雾润滑，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PentiumII、PentiumIII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0.1μm以上精度的高速(60m/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5m，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。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
并联机床范文篇10
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；将数控机床主轴的润滑以油气润滑、喷油润滑等取代油雾润滑，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PentiumII、PentiumIII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0.1μm以上精度的高速(60m/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5m，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！
参考文献
1杨皖苏，严鸿和.机械科学与技术,1997，26(4):1～6