數控機床的發展趨勢及國內發展現狀

摘 要 本文簡要分析了數控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網絡化、多軸化、綠色化等發展趨勢。

關鍵詞 數控機床 趨勢 問題

一、引言

從20世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發展的重要裝備。

進入21世紀，我國經濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發展的新時期。機床制造業既面臨著機械制造業需求水平提升而引發的制造裝備發展的良機，也遭遇到加入世界貿易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進數控機床的發展是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。隨著制造業對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步，數控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發展以更適應生產加工的需要。本文簡要分析了數控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網絡化、多軸化、綠色化等發展趨勢，并提出了我國數控機床發展中存在的一些問題。

二、數控機床的發展趨勢

1、高速化

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：機床采用電主軸（內裝式主軸電機），主軸最高轉速達200000r/min；

（2）進給率：在分辨率為0.01€%em時，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工；

（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。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1€%em、0.01€%em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。

2、高精度化

數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態的幾何精度，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。

（1）提高CNC系統控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續進給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本已開發裝有106脈沖/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0.01€%em/脈沖），位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法；

（2）采用誤差補償技術：采用反向間隙補償、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）采用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，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，并保證零件的加工質量。

3、功能復合化

復合機床的含義是指在一臺機床上實現或盡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復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合——加工中心、車銑復合——車削中心、銑鏜鉆車復合——復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，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，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優勢。

4、控制智能化

隨著人工智能技術的發展，為了滿足制造業生產柔性化、制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，并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，使設備處于最佳運行狀態，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并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，構造基于專家系統或基于模型的“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仿真技術：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仿真，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，并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，并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；

三、結語

目前，數控機床的發展日新月異，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發展的趨勢和方向。

（作者單位：鄭州大學機械工程學院）