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智能制造時(shí)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向

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數(shù)控機(jī)床最早誕生于美國。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的機(jī)床時(shí)，提出了數(shù)控機(jī)床的設(shè)想，后受美國空軍委托與麻省理工學(xué)院合作，于1952年試制了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床，其數(shù)控系統(tǒng)采用電子管。

1960年開始，德國、日本、中國等都陸續(xù)地開發(fā)、生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床，中國于1968年由北京第一機(jī)床廠研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。

1974年微處理器直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和飛速發(fā)展。

1、高速化

隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。

主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min;

進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時(shí)，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min且可獲得復(fù)雜型面的精確加工;

運(yùn)算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運(yùn)算速度的極大提高，使得當(dāng)分辨率為0.1μm、0.01μm時(shí)仍能獲得高達(dá)24～240m/min的進(jìn)給速度;

換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)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(shí)間僅0.9s。

2、高精度化

數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來越獲得重視。

近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3~5μm提高到1~1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法;

采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對(duì)設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%～80%;

采用網(wǎng)格檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，并通過仿真預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。

加工精度的提高不僅在于采用了滾珠絲杠副、靜壓導(dǎo)軌、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、磁浮導(dǎo)軌等部件，提高了CNC系統(tǒng)的控制精度，應(yīng)用了高分辨率位置檢測(cè)裝置，而且也在于使用了各種誤差補(bǔ)償技術(shù)，如絲杠螺距誤差補(bǔ)償、刀具誤差補(bǔ)償、熱變形誤差補(bǔ)償、空間誤差綜合補(bǔ)償?shù)取?br />
3、向柔性化，功能復(fù)合化及集成化方向發(fā)展

復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床如鏜銑鉆復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等;工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場(chǎng)反應(yīng)能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。在2005年中國國際機(jī)床展覽會(huì)上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機(jī)床以及可實(shí)現(xiàn)4～5軸聯(lián)動(dòng)的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心等。

數(shù)控機(jī)床在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝單元柔性化和系統(tǒng)化方向發(fā)展，如出現(xiàn)了數(shù)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(shè)備;出現(xiàn)了由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成底層加工設(shè)備的柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)、柔性加工線。

在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上，自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)工作臺(tái)交換裝置等已成為基本裝置。隨著數(shù)控機(jī)床向柔性化方向的發(fā)展，功能集成化更多地體現(xiàn)在：工件自動(dòng)裝卸，工件自動(dòng)定位，刀具自動(dòng)對(duì)刀，工件自動(dòng)測(cè)量與補(bǔ)償，集鉆、車、鏜、銑、磨為一體的“萬能加工”和集裝卸、加工、測(cè)量為一體的“完整加工”等。

4、控制智能化

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測(cè)加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性;

加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的;

智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位;

智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯(cuò)誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn);

智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行;

智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，將測(cè)量、建模、加工、機(jī)器操作四者融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。

5、體系開放化

向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期;

向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求;

數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)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(guān)的勞動(dòng)消耗。

6、驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化

并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷，在機(jī)床主軸與機(jī)座之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。

7、極端化

國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。

8、信息交互網(wǎng)絡(luò)化

對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。

9、新型功能部件

為了提高數(shù)控機(jī)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(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：

高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用;

直線電動(dòng)機(jī)：近年來，直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負(fù)載變化擾動(dòng)、熱變形補(bǔ)償、隔磁和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡化，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動(dòng)機(jī)已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機(jī)床以及動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床等;德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動(dòng)均采用兩個(gè)直線電動(dòng)機(jī);

電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。

10、高可靠性

數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大;工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長，要求平均無故障時(shí)間在2萬小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在7～10萬小時(shí)以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國外整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá)800小時(shí)以上，而國內(nèi)最高只有300小時(shí)。

11、加工過程綠色化

隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當(dāng)中。在21世紀(jì)，綠色制造的大趨勢(shì)將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場(chǎng)。

12、多媒體技術(shù)的應(yīng)用

多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對(duì)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(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測(cè)等，因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。

國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口，即使近幾年有些國內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認(rèn)可。

一些國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主，裝配調(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺(tái)賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品，而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長且很難控制。因此我們?cè)谝M(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。

由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠(yuǎn)利益，對(duì)提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對(duì)服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對(duì)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解，不會(huì)使用或使用不好數(shù)控機(jī)床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床;有的對(duì)先進(jìn)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(duì)制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型，推薦先進(jìn)工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同，提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率。

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