新需求下的數控機床發展分析

數控機床最早誕生於美國。1948年，美國帕森斯公司在研製加工直升機葉片輪廓檢查用樣板的機床時，提出了數控機床的設想，後受美國空軍委託與麻省理工學院合作，於1952年試製了世界上第一台三坐標數控立式銑床，其數控系統採用電子管。

　　1960年開始，德國、日本、中國等都陸續地開發、生產及使用數控機床，中國於1968年由北京第一機床廠研製出第一台數控機床。

　　1974年微處理器直接用於數控機床，進一步促進了數控機床的普及應用和飛速發展。

科技是品質的源泉，責任是品質的保證

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　　隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來越高。

　　(1)主軸轉速：機床採用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達200000r/min；

　　(2)進給率：在解析度為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型面的精確加工；

　　(3)運算速度：微處理器的迅速發展為數控系統向高速、高精度方向發展提供了保障，開發出CPU已發展到32位以及64位的數控系統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高，使得當解析度為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度；

　　(4)換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

　　數控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。

　　近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3~5μm提高到1~1.5μm，並且超精密加工精度已開始進入納米級(0.001μm)。

　　(1)提高CNC系統控制精度：採用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化，並採用高解析度位置檢測裝置，提高位置檢測精度(日本已開發裝有106脈衝/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機，其位置檢測精度可達到0.01μm/脈衝)，位置伺服系統採用前饋控制與非線性控制等方法；

　　(2)採用誤差補償技術：採用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%～80%；

　　(3)採用網格檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，並通過模擬預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重複定位精度，使其性能長期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，並保證零件的加工質量。

　　加工精度的提高不僅在於採用了滾珠絲杠副、靜壓導軌、直線滾動導軌、磁浮導軌等部件，提高了CNC系統的控制精度，應用了高解析度位置檢測裝置，而且也在於使用了各種誤差補償技術，如絲杠螺距誤差補償、刀具誤差補償、熱變形誤差補償、空間誤差綜合補償等。

　 複合機床的含義是指在一台機床上實現或儘可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝複合型和工序複合型兩類。工藝複合型機床如鏜銑鑽複合——加工中心、車銑複合——車削中心、銑鏜鑽車複合——複合加工中心等;工序複合型機床如多面多軸聯動加工的複合機床和雙主軸車削中心等。採用複合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品製造周期，提高了生產效率和製造商的市場反應能力，相對於傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優勢。

　　加工過程的複合化也導致了機床向模塊化、多軸化發展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成複雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各大企業的歡迎。在2005年中國國際機床展覽會(CIMT2005)上，國內外製造商展出了形式各異的多軸加工機床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實現4～5軸聯動的五軸高速門式加工中心、五軸聯動高速銑削中心等。

　　數控機床在提高單機柔性化的同時，朝單元柔性化和系統化方向發展，如出現了數控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心等具有柔性的高效加工設備；出現了由多台數控機床組成底層加工設備的柔性製造單元(FlexibleManufacturingCell，FMC)、柔性製造系統(FlexibleManufacturingSystem，FMS)、柔性加工線(FlexibleManufacturingLine，FML)。

　　在現代數控機床上，自動換刀裝置、自動工作台交換裝置等已成為基本裝置。隨著數控機床向柔性化方向的發展，功能集成化更多地體現在：工件自動裝卸，工件自動定位，刀具自動對刀，工件自動測量與補償，集鑽、車、鏜、銑、磨為一體的「萬能加工」和集裝卸、加工、測量為一體的「完整加工」等。

　　隨著人工智慧技術的發展，為了滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方面：

　　(1)加工過程自適應控制技術：通過監測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統的或現代的演算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態及機床加工的穩定性狀態，並根據這些狀態實時調整加工參數(主軸轉速、進給速度)和加工指令，使設備處於最佳運行狀態，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度並提高設備運行的安全性;

　　(2)加工參數的智能優化與選擇：將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規律，用現代智能方法，構造基於專家系統或基於模型的「加工參數的智能優化與選擇器」，利用它獲得優化的加工參數，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產準備時間的目的;

　　(3)智能故障自診斷與自修復技術：根據已有的故障信息，應用現代智能方法實現故障的快速準確定位;

　　(4)智能故障回放和故障模擬技術：能夠完整記錄系統的各種信息，對數控機床發生的各種錯誤和事故進行回放和模擬，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產經驗;

　　(5)智能化交流伺服驅動裝置：能自動識別負載，並自動調整參數的智能化伺服系統，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量，並自動對控制系統參數進行優化和調整，使驅動系統獲得最佳運行;

　　(6)智能4M數控系統：在製造過程中，加工、檢測一體化是實現快速製造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個系統中，實現信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。

　　(1)向未來技術開放：由於軟硬體介面都遵循公認的標準協議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬體資源就可能被現有系統所採納、吸收和兼容，這就意味著系統的開發費用將大大降低而系統性能與可靠性將不斷改善並處於長生命周期;

　　(2)向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟體產品的各種組合以滿足特殊應用要求;

　　(3)數控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴於具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個製造過程乃至各個工業領域產品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。

　　並聯運動機床克服了傳統機床串聯機構移動部件質量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸(一般為動平台)與機座(一般為靜平台)之間採用多桿並聯聯接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平台獲得相應自由度的運動，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足複雜特種零件的加工，具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優點。並聯機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業的高度重視，被認為是「自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步」和「21世紀新一代數控加工設備」。

　　國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技術，需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。

　　對於面臨激烈競爭的企業來說，使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現網路資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控制、培訓、教學、管理，還可實現數控裝備的數字化服務(數控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實現語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的製造單元。

新型功能部件

　　為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：

　　(1)高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優點，在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用;

　　(2)直線電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高於傳統的伺服系統，但由於負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用，機械傳動結構得到簡化，機床的動態性能有了提高。如：西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用於高速銑床、加工中心、磨床、並聯機床以及動態性能和運動精度要求高的機床等;德國EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驅動均採用兩個直線電動機;

　　(3)電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數控機床的結構，具有傳動環節少、結構緊湊等一系列優點。

　　數控機床與傳統機床相比，增加了數控系統和相應的監控裝置等，應用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易於導致出現失效的概率增大;工業電網電壓的波動和干擾對數控機床的可靠性極為不利，而數控機床加工的零件型面較為複雜，加工周期長，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性，就要精心設計系統、嚴格製造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式並找出薄弱環節。國外數控系統平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產數控系統平均無故障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內最高只有300小時。

　　隨著日趨嚴格的環境與資源約束，製造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節能環保的機床不斷出現，並在不斷發展當中。在21世紀，綠色製造的大趨勢將使各種節能環保機床加速發展，佔領更多的世界市場。

　　多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便於藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和模擬、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。除此以外，在數控技術領域應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，應用於實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等，因此有著重大的應用價值。

　　國產數控機床缺乏核心技術，從高性能數控系統到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內製造商艱難地創出了自己的品牌，但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產數控機床製造商通過技術引進、海內外併購重組以及國外採購等獲得了一些先進數控技術，但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術的研究，忽視了自主開發能力的培育，國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數用戶的認可。

　　一些國產數控機床製造商不夠重視整體工藝與製造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質量在生產進度的緊逼下不能得到穩定與提高。另外很多國產數控機床製造商的生產管理依然沿用原始的手工台賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業無法形成足夠生產規模。如國外機床製造商能做到每周裝調出產品，而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。

　　由於數控機床產業發展迅速，一部分企業不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售後服務。有些企業派出的人員對生產的數控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數控機床，更不能指導用戶使用好機床;有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對製造商缺乏信心。製造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝與工輔具，配備專業的培訓人員和良好的培訓環境，幫助用戶發揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產數控機床的市場佔有率。