当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竟相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。如今国内数控机床发展迅速，年产量逐年攀升，但所产机床精度等方面达不到要求。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
虽然大力发展装备制造业已成为全社会的共识，但国内绝大多数重要机械制造装备的数字化控制系统却不是中国造。尤其是关系国家战略地位和体现国家综合国力水平的高档数控机床，它的“大脑”和“心脏”却要大部分从国外引进。专家呼吁，以数控机床为代表的“中国制造”不能没有创造，开发自主知识产权的数控系统迫在眉睫。 一．
数控技术背景
1. 国内外发展现状 1.1.中国近几年的发展现状
近几年来，我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。
近年来我国机床行业不断承担为国家重点工程和国防军工建设提供高水平数控设备的任务。如国产XNZD2415型数控龙门混联机床。这一类机床的成功研究，充分体现了我国机床技术水平的提升。除此之外，目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r/min以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPII和电子商务。
“十五”期间 我国机床产业发展十分迅猛。据国家统计局资料，2005年我国机床工具行业合计完成工业总产值l260亿元人民币，是“九五”末期的23
倍；产品售收人1213亿元，是“九五”末期的239倍。中国机床工具工业协会公布的数据表明，在去年全行业工业总产值中，金属加工机床销售超过400亿元人民币，自2002年起连续三年销售额已居日本、德国、意大利之后，排名第四位。如此庞大的机床销售量，恰恰证明了我国正在逐步走入全面机床控制时代。
据国内数控专家介绍，随着电子信息技术的发展。世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而我国从上个世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。据中国机床工具工业协会提供的数据，“十五”期间，我国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，是2001年的3.7倍，平均年增长39%；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。
业内人士指出，“十五”期间，我国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快，汽车和机械制造行业发展迅猛，外商投资企业增长速度加快所致。
与机床迅猛发展的现状相比，作为机床“心脏部件”的数控系统，2005年销量虽然超过3万台，但处于低档的经济型数控系统占据较大比重。业内专家不无忧虑地表示，国产数控系统近几年虽有很大发展，但仍无法阻止进口数控系统垄断的局面。从2002年起，我国就步入世界最大的机床消国同和最大进口国，仅以2004年为例，我国机床消费量占世界机床产值的20%。2005年消费量仍在增长。在我国机床消费额中，进口机床占据了半壁江山，其中绝太多数是数控机床。
长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网
络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。
目前，我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本发那科（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过80%。在国内尚无自主知识产权高端数控系统替代的前提下，西门子和发那科拥有绝对的价格优势。加上高性能数控系统具有超越经济价值的战略意义，发达国对出口中国的数控系统始终有所限制，甚至像五轴联动以上的高性能数控系统产品绝对禁止向中国出口。 1.2.
国外现状
相对于国内不成熟的机床技术和机床发展现状，国外的情况却好的多。国外的技术一直是中国追赶的目标，有人说过，中国的工业水平落后于欧洲各国很多，甚至落后于德国一个世纪。德国的各种工业技术都凌驾于中国之上，尤其是机床的上的发展。中国至今还没有自主创新的机床技术，所以中国在机床上一直依赖着国外技术。
现在国外的机电一体化技术以迅雷不及掩耳之势发展着。而机电一体化产品在国外国家迅猛发展主要表现在一下四个方面：
1、机电一体化产品几乎遍及所有制造领域。数控机床是机电一体化的典型产品，在工业发达国家已占其机床总数的30-40%；工业机器人的拥有量在未来10年将以25-30%的速度增长。智能机器人将逐步进入生产、流通、信息、办公、管理、娱乐、家庭等诸多领域；
2、从机电一体化的单机向整个制造过程的集成化过渡。将制造系统、分析设计系统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机及通信网络联系起来，形成计算机集成制造系统(CIMS)，这是当今世界范围内制造业发展的总趋势；
3、激光技术进入机电一体化领域。激光技术与机械电子技术相结合，郎人们常说的光机电一体化，不仅大大扩展了应用领域，甚至使一些行业出现重大变革；
4、微细加工技术与设各突飞猛进。微电子技术及其产业的高度发展，带动了大量高技术的兴起 徽细加工技术和装各不仅支持了电子产业的发展，而且对微机械的诞生和发展也起到了决定性的作用。
所以我们不能再这样安稳的过日子了，不想被别人握住发展的命脉，就要大力发展工业技术。
2. 研究数控机床和数控技术的意义
数控机床是近带工业的里程碑，研究数控机床对社会发展和进步都有极大的意义，研究数控机床及其技术能够大大的减少劳动力的浪费，并大大的提高工业产品的水平，特别在精度，生产周期等方面。 二.数控系统结构介绍（以下集中讨论一种）
本质上，数控系统是一种位置控制系统，它是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件，加工出所需的零件。数控系统是由软件和硬件两大部分组成，其核心是数控装置。数控系统
（Computer Neumerical Control –简称CNC系统）硬件一般包括一下几个部分：中央处理器（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带阅读机、可编程逻辑控制器等。CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/O接口、可编程逻辑控制器构成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制，如主轴的启停、冷却液的开、关、刀具的更换等。
1. CNC系统的硬件结构 （1）. 单微处理器的CNC结构
单微处理器结构，由于只有一个CPU的控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力和运算能力的限制，因此多采用集中控制，分时处理的方式。这种CNC硬件是由CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连的专用计算机，它还包括控制单元，如主轴控制单元、速度单元等，由它们共同构成了CNC的硬件。
微处理器负责CNC系统的运算管理，它由运算器和控制器两部分组成，是CNC系统的核心。目前，CNC装置中常用的有8位、16位和32位微处理器。如Intel公司的8088、8086至到Pentium系列CPU，Motorala公司的6800、68000、68020、68030等。根据CNC系统的实时控制要求，按字长、运算速度、寻址能力，CNC系统供应商选用相应的CPU。如FANUC公司的F15系列，它选用了32位Motorala的68020微处理器。
在单CPU的CNC系统中，通常采用总线结构。总线是CPU赖以工作的物理导线，它通常赋予一定的信号意义。按功能可分为三组总线，即数据总线（DB）、地址总线(AD)、控制总线(CB)。数据总线为各部分之间传送数据，采用双方向线；地址总线传送的是地址信号，与数据总线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，它采用单向传送；控制总线传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向传输。
CNC系统的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。只读存储器主要用于存储CNC系统的软件管理程序、执行软件程序（即系统的应用模块）。管理程序即是CNC系统的实时系统程序；执行软件程序即是系统的编译模块、插补模块、轨迹计算模块等类似的应用程序(即操作系统的用户程序)。这些程序由生产厂家固化在里，不可更改。随机存储器主要用于存储运算过程的中间结果、运行中的状态、标志等信息，断电后即消失。而机床参数、刀具参数、零件加工程序等存放在用电池供电的CMOS RAM中，这些信息可以从CMOS RAM中随机读出，还可以根据需要随时写入，系统断电后，信息仍保留在CMOS RAM中。
CNC系统的位置控制单元主要对机床的坐标轴位置进行控制。例如，工作台的移动，工作台围绕某一轴的转动，坐标轴的联动控制等是它的基本功能。对坐标轴的控制是数控机床要求最高的控制。一般位置控制的硬件采用大规模专用集成电路位置控制芯片实现。
CNC系统的输入输出接口，包括纸带阅读机、软盘驱动器、键盘、对外的通讯口等形式，一般要考虑进行必要的电气隔离，或其它抗干扰措施。 （2）. 多微处理器结构 （3）.开放式数控系统 （4）.嵌入式数控系统 2.CNC的软件结构
CNC系统软件的工作过程是在硬件的支持下执行程序的工作过程。大致工作过程分为输入，译码，数据处理，插补，位置控制和诊断。而CNC系统的软件结构一般分为以下几种 （1）.多任务并处理结构
（2）.中断型软件结构 （3）.开放式数控系统软件结构
（4）.基于实时多任务操作系统的嵌入式数控系统软件结构 （5）.前后台型软件结构
前后台型软件结构适合于单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，前台型序是一个实时中断服务程序，承担了与机床动作直接相关的实时功能，如插补，位置控制等。后台程序是一个循环直行程序，承担一些实时性要求不高的功能，如输入，译码等插补准备工作管理程序一般也在后台运行。在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断地实时插入，二者密切配合，共同完成零件的加工任务。
三.数控机床上的插补算法
插补的方法和原理很多，根据数控系统输出到伺服驱动装置的信号的不同，插补方法可归纳为基准脉冲插补和数据采样插补两种类型。以下着重介绍基准脉冲插补的原理和算法。
基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是数控装置在插补结束时向各个运动坐标轴输出一个基准脉冲序列，驱动各坐标轴进给电机的运动。每个脉冲使各坐标轴仅产生一个脉冲当量的增量，代表了刀具或工件的最小位移；脉冲的数量代表了刀具或工件移动的位移量；脉冲序列的频率代表了刀具或工件运动的速度基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法和数字积分法等，下面重点介绍逐点比较法。
逐点比较法直线插补 （1）.偏差函数构造
对于第一象限直线OA上任一点（X，Y）：X/Y=Xe/Ye,即YXe-XYe=0. 若刀具加工点为Pi（Xi，Yi），则该点
的偏差函数F=YiXe-XiYe。
由图所示，若Fi=0，表示加工点位于直线上；若Fi>0，表示加工点位于直线上方；若Fi<0，表示加工点位于直线下方。 （2）.偏差函数的递推计算
采用偏差函数的递推式，即由前一点计算后一点，有Fi=YiXe-XiYe。 若Fi>=0，规定向+X方向走一步，则Xi+1=1+XiFi+1=XeYi-Ye（1+Xi）=Fi-Ye 若Fi<=0，规定向+Y方向走一步，则Yi+1=1+YiFi+1=Xe（1+Yi）-YeXi=Fi+Xe （3）.终点判别
直线插补的终点判别可采用3种方法：1.判断插补或进给总步数；2.分别判断各坐标轴的进给步数；3.仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。 对于第一象限直线OA，终点坐标Xe=6，Ye=4，插补从直线起点O开始，故F0=0.终点判别是判断进给总步数N=6+4=10，将其存入终点判别计算器中，每进给一步减1，若N=0，则停止插补。 四.检测装置
常用的检测装置有旋转变压器，感应同步器，光栅，编码器，磁栅等，下面着重介绍光栅。
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。
光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25,50,100,125,250条／mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。
光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。
光栅的工作原理主要是通过测量光在栅距相等的指示光栅和标尺光栅上形成的莫尔条纹的宽度来计算光栅水平方向移动的微小距离。 五.伺服系统（直流伺服电机）
直流伺服电机的品种很多，根据磁场产生的方式，可分为励式，永磁式，并励式，串励式和复励式五种；在结构上，直流伺服电机有一般电枢式，无槽电枢式，印刷电枢式，绕线盘式和空心杯电枢式等。根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。
直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无极调速，故多采用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。
直流伺服电机的结构主要包括三大部分：
（1）定子。定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。
（2）转子。又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。
（3）电刷与换向片。为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。
直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，刺激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：
n=(u－
IaRa)/ke (4-2) 式中：n──电枢的转速，r/min； u──电枢电压；
Ia ──电机电枢电流； Ra──电枢电阻；
ke──电势系数（ke=Ceφ）。
由式4-2可知，调节电机的转速有三种方法：
（1）改变电枢电压u 。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速；
（2）变磁通量φ（即改变ke的值）。改变激磁回路的电阻Rf以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。
(3)在电枢回路中串联调节电阻R，此时
有
n=[u－
Ia(Ra+Rt)]/ke （4-3）
从式4-3可知，在电枢回路中串联电阻的办法，转速只能调低，而且电阻上的铜耗较大，这种办法并不经济，仅用于较少的场合。 六.数控机床的结构
数控机床主要由主机，数控装置，驱动装置，辅助装置和编程及其他附属装置组成，相对于普通的机床，数控机床具有极大的优点，数控机床的支撑件的刚度比较高，传动机构较简约，传动元件较精密，并且拥有自动化的辅助操作。就拿编程及其他附属装置来说吧。
编程及其他附属装置是用来在机外进行零件的程序编制和存储等。两者相比较，普通机床有很复杂的传动系统和变速机构，大部分只有一个驱动系统，其他全是机械机构组成，没有自动控制系统。而数控机床的没有复杂的变速机械机构，因为它的电机是计算机控制的无级变速的。简单地说数控机床是普通机床的巨大升级。
七.对本门课程的意见
对于老师这一门，虽然学的不是很棒，但我上课还是很认真的。每次上课，我都是坐在中间第二三排的。对于老师的课，我只能说一句，这门课真的难，上课的时候有很多同学在说话，我也是很讨厌，因为这样我就听不清老师的声音，尤其老师的声音也并不是很大。但我还是理解为什么有那么多同学说话，并不是老师讲的不好，一方面是心态问题，因为这门课不用考试，二是老师你的课真的太抽象了，光听你说什么直流伺服电机或是什么交流伺服电机，我们根本就想象不出来，毕竟我们几乎没有看过，听你讲解转子什么的，我们也是有点懵，虽然你有放视频给我们看，但我们还是不懂。而且编程是真的难，一大堆G70，G50的，我们学着学着就懵了，所以有些人就选择了放弃这门课。虽然这样，但我还是得学下去，毕竟是为了我的将来。
对于老师上课，我觉得你可以偶尔开一些玩笑，或者下课之后放一些轻松地音乐，毕竟一节课的内容很多，学生很累，这样有利于调节学生的心态。
就这样，以上就是我想说的话，谢谢老师。
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