數控機床現狀及發展趨勢簡析

郭佳勝　夏國鋒

[摘要]：結合世界上數控機床的現狀提出了如：高精度與高可靠性、高速加工與高效率、高柔性化、綠色化、智能化、數字制造等一系列數控機床的發展趨勢，并針對各個發展趨勢環節做以細致分析歸納。

[關鍵詞]：先進制造技術 數控機床 發展趨勢 現狀

一、高精度與高可靠性

（一）高精度

由于航天、航空等高端工業行業對產品精密度要求的不斷提高，促使當前世界各工業大國的精密加工階躍到超精密加工階段，其加工精度從微米級到亞微米級乃至納米級。一般的數控機床是通過高速主軸和高速坐標驅動來實現上述加工精度要求的。

（二）高速主軸

高速主軸是高速機床中最為關鍵的部件，高速主軸多采用電機和主軸一體化設計的高速電主軸（HSES）或復合電主軸。軸承作為電主軸的關鍵部件，它決定了電主軸的壽命和負載容量。高質量的鋼軸承現仍有使用，但隨主軸轉速需求的不斷提高，出現了一些新結構、新材料的高速應用軸承，如混合球軸承、磁浮、氣浮和液體靜動壓軸承等。

高主軸轉速并不是高速加工的全部。而對電主軸的大功率、高轉矩和高剛性的需要也應考慮在內，同時還應能控制主軸的溫升等。由于用戶的不斷需求推動了主軸制造技術的進步，也將引導主軸制造技術向輕結構、高強度、高剛性、良好的動平衡和熱控制方向繼續發展。

（三）高速坐標驅動

高速高精加工機床的進給驅動，一般要求容易移動，快速響應，準確定位和具有高重復定位精度。故采用輕質結構溜板、線性導軌和直線伺服電機驅動具有十分重要得意義。

目前，直線伺服電機己被公認為未來機床坐標驅動的最佳形式，但由于其價格、散熱及磁場對周圍灰塵和切屑的吸附作用等原因，非常廣泛被應用還得經過一段時間，但這也正是未來發展的研究改進方向。

二、高可靠性

可靠性在成為數控機床的質量的一個衡量標準之后，就自然而然的變成數控行業發展的重要環節。數控機床的可靠性取決于數控系統和各伺服驅動單元的可靠性。數控系統將采用更高集成度的電路芯片，利用大規模或超大規模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數量，提高可靠性。機床本體可靠性的提高可通過硬件功能軟件化，適應各種控制功能的要求，同時采用硬件結構機床本體的模塊化、標準化和通用化及系列化，既提高硬件生產批量，又便于組織生產和質量把關。

（一）高速加工與高效率

數控機床向高速化方向發展，不但可大幅度提高加工效率，降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。數控系統采用位數、頻率更高的處理器，以提高系統的基本運算速度。同時，采用超大規模的集成電路和多微處理器結構，以提高系統的數據處理能力，即提高插補運算的速度和精度。

三、多功能與柔性化

（一）多功能

在現實的零件加工過程中，有大量的無用時間消耗在工件搬運、裝卸、調整、換刀和主軸的升降速上，為了盡可能減少這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上。因此多功能復合型機床的產生實現了工序的集約化。主要表現在數控機床配有自動換刀機構，能在同一臺機床上同時實現銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋等多種工序加工；數控機床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工；數控系統由于采用了多CPU結構和分級中斷控制方式，即可在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現所謂的“前臺加工，后臺編輯”。故多功能機床成為近年來發展很快的機種。

（二）柔性化

數控機床向柔性自動化系統發展，一方面是從點（數控單機、加工中心和數控復合加工機床）、線（FMC，FMS，FTL，FML）向面（工段車間獨立制造島）、體（分布式網絡集成制造系統）的方向發展，另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。開放式體系結構的新一代數控系統，作為柔性自動化系統的引申，具有可移植性、互操作性、互交換性、可擴展性、可比例換算、可重用性等優點，它使機器制造商能夠并敢于為他們專門的自動化設計優化選配組件，從而在短的時間內實現創造性設計。

四、綠色化與多軸化

21世紀要實現數控機床切削加工環保化和節能化，就必須對加工工藝進行綠色化改進。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，因為切削液既污染環境又危害操作者健康。于是我們采用干切削，就是在一般的大氣氛圍或在特殊氣體氛圍氮氣、冷風中進行，而不使用切削液進行的切削。不過，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削尚難于實現，所以又出現了使用極微量潤滑的準干切削。

隨著編程軟件的普及，五軸聯動控制的加工中心和數控銑床己經成為當前的一個開發熱點。由于在加工自由曲面時，五軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削三維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。

五、智能型

隨著無人加工的普及應用智能化加工的發展成為必然，人工智能化加工是一種基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。目前人工智能化主要表現在數控系統以下幾個方面：①為追求加工效率和加工質量的智能化。②為提高驅動性能及使用連接方便的智能化。③簡化編程、簡化操作的智能化。④智能診斷、智能監控，方便系統的診斷及維修等。

六、工藝適用性的專門化數控機床正不斷涌現

隨著機械產品的性能優化和輕量化，其零件和構件的形狀、尺寸和精度呈現多樣性，很難用少數幾種標準的、通用的機床結構來最佳地滿足多方面的工藝要求。通過對機床布局和結構的創新，使對不同類型的零件加工具有最佳的適用性，避免一方面出現不能發揮最佳性能，另一方面又存在功能冗余的現象。

七、結語

數控機床技術的進步和發展為現代制造業的發展提供了良好的條件，促使制造業向著高效、優質以及人性化的方向發展。可以預見，隨著數控機床技術的發展和數控機床的廣泛應用，制造業將迎來一次足以撼動傳統制造業模式的深刻革命。

參考文獻：

[1]林勝，林春庭.高速數控機床現狀和發展趨勢[J].精密制造與自動化，2004（1）：5-8.

[2]曾文健，羅慶紅，張紅娟.基于數控機床新技術發展趨勢的初探[J].廣西職業技術學院學報，2009（4）：13-15.

[3]張新喜，李偉波，李寧.淺談數控機床發展趨勢[J].農機使用與維修，2008（6）：73-74.