[align=center]數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 楊紅華 （同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院上海20000）[/align] 摘要：簡(jiǎn)要分析了數(shù)控機(jī)床高速化、高精化、高可靠性、復(fù)合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綠色化等發(fā)展趨勢(shì)及目前發(fā)展?fàn)顩r。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)狀 中圖分類號(hào)：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-8320（2008）05-0188-02 Abstract：Computer numerical control has been more and more widely used in most areas of manufacturing since it into being.The development tendencies of CNC , such as high speed, high accuracy, compound, intelligence, and so on, is analyzed and thepresent status of CNC in our country is also pointed. Key words：computer numerical control,development tendency,present status 數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面： 1 高速、高效 機(jī)床向高速化方向發(fā)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(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀(jì)90 年代以來，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速15000 － 100000r/min）、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度60～120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，為開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000～8000m/min以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000 轉(zhuǎn)/分（有的高達(dá)10 萬r/min）以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度（進(jìn)給速度）：在分辨率為1 微米時(shí)，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率為0.1 m 時(shí)，在24m/min 以上；自動(dòng)換刀速度在1 秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12m/min。 2 高精度 從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。其精度從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)（<10nm），其應(yīng)用范圍日趨廣泛。當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10 m 提高到±5 m；精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3～5 m，提高到±1～1.5 m，甚至更高；超精密加工精度進(jìn)入納米級(jí)（0.001m），主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.01～0.05 m，加工圓度為0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003 微米等。這些機(jī)床一般都采用矢量控制的變頻驅(qū)動(dòng)電主軸（電機(jī)與主軸一體化），主軸徑向跳動(dòng)小于2 m，軸向竄動(dòng)小于1 m，軸系不平衡度達(dá)到G0.4 級(jí)。高速高精加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，主要有"回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加精密高速滾珠絲杠"和"直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)"兩種類型。此外，新興的并聯(lián)機(jī)床也易于實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。滾珠絲杠由于工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達(dá)到較高（ISO34081 級(jí)），而且實(shí)現(xiàn)高速化的成本也相對(duì)較低，所以迄今仍為許多高速加工機(jī)床所采用。當(dāng)前使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。滾珠絲杠屬機(jī)械傳動(dòng)，在傳動(dòng)過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)地造成運(yùn)動(dòng)滯后和其它非線性誤差，為了排除這些誤差對(duì)加工精度的影響，1993 年開始在機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于是沒有中間環(huán)節(jié)的"零傳動(dòng)"，不僅運(yùn)動(dòng)慣量小、系統(tǒng)剛度大、響應(yīng)快，可以達(dá)到很高的速度和加速度，而且其行程長(zhǎng)度理論上不受限制，定位精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達(dá)到較高水平，是高速高精加工機(jī)床特別是中、大型機(jī)床較理想的驅(qū)動(dòng)方式。目前使用直線電機(jī)的高速高精加工機(jī)床最大快移速度已達(dá)208 m/min，加速度2g，并且還有發(fā)展余地。 3 高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和數(shù)控機(jī)床制造商追求的目標(biāo)。對(duì)于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16 小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率在P（t）＝ 99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時(shí)間MTBF 就必須大于3000 小時(shí)。我們只對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1（數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)）。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 就要大于33333.3 小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的MTBF 就必須大于10 萬小時(shí)。當(dāng)前國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF 值已達(dá)6000 小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá)30000 小時(shí)以上，但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。 4 復(fù)合化 在零件加工過程中有大量的無用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來發(fā)展很快的機(jī)種。柔性制造范疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。就棱體類零件而言，加工中心便是最典型的進(jìn)行同一類工藝方法多工序復(fù)合加工的機(jī)床。事實(shí)證明，機(jī)床復(fù)合加工能提高加工精度和加工效率，節(jié)省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。 5 多軸化 隨著5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開發(fā)熱點(diǎn)，由于在加工自由曲面時(shí)，5 軸聯(lián)動(dòng)控制對(duì)球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削3 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，而在3 軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，因此，5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床以其無可替代的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為各大機(jī)床廠家積極開發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。最近，國(guó)外還在研究6 軸聯(lián)動(dòng)控制使用非旋轉(zhuǎn)刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。 6 智能化 智能化是21 世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(dòng)，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機(jī)界面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。 7 網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機(jī)床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控機(jī)床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet 技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱"e-制造"，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。機(jī)械制造企業(yè)在普遍采用CAD/CAM的基礎(chǔ)上，越加廣泛地使用數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控應(yīng)用軟件日趨豐富和具有"人性化"。虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造等高端技術(shù)也越來越多地為工程技術(shù)人員所追求。通過軟件智能替代復(fù)雜的硬件，正在成為當(dāng)代機(jī)床發(fā)展的重要趨勢(shì)。在數(shù)字制造的目標(biāo)下，通過流程再造和信息化改造，ERP 等一批先進(jìn)企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)效益。 8 柔性化 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是：從點(diǎn)（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨(dú)立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)；注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善；CNC 單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。 9 綠色化 21 世紀(jì)的金切機(jī)床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實(shí)現(xiàn)切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因?yàn)榍邢饕杭任廴经h(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進(jìn)行，但也包括在特殊氣體氛圍中（氮?dú)庵?、冷風(fēng)中或采用干式靜電冷卻技術(shù)）不使用切削液進(jìn)行的切削。不過，對(duì)于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實(shí)際應(yīng)用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤(rùn)滑（MQL） 的準(zhǔn)干切削。目前在歐洲的大批量機(jī)械加工中，已有10～15%的加工使用了干和準(zhǔn)干切削。對(duì)于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機(jī)床來說，主要是采用準(zhǔn)干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機(jī)床主軸與工具內(nèi)的中空通道噴向切削區(qū)。在各類金切機(jī)床中，采用干切削最多的是滾齒機(jī)?？傊?，數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展。可以預(yù)見，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。 參考文獻(xiàn): [1]呂紅霞.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與途徑[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化. 2005 [2]易紅主編.數(shù)控技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005 相關(guān)文章：“透過全球分析“中國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)”市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)”