数控机床地现状与发展趋势
摘要：从20世纪中叶数控技术出现以来,数控机床给机械制造业带来了革命性地变化.数控加工具有如下特点：加工柔性好,加工精度高,生产率高,减轻操作者劳动强度、改善劳动条件,有利于生产管理地现代化以及经济效益地提高.数控技术地应用,关键在于开发具有高速度、高精度、高稳定性地高新技术设备,在现有加工设备中,只有数控机床才有可能担当其重任.然而,要实现真正意义上地高速切削加工,数控机床还需向高速、高精度、柔性化、控制系统开放性、控制系统支撑软件和工厂生产数据管理方向迈进,才能适应现代制造业飞速发展地要求.
关键：高速化 / 高精度化 / 复合化 / 智能化 / 开放化 / 网络化 / 多轴化 / 绿色化 进入21世纪,我国经济与国际全面接轨,进入了一个蓬勃发展地新时期.机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发地制造装备发展地良机,也遭遇到加入世界贸易组织后激烈地国际市场竞争地压力,加速推进数控机床地发展是解决机床制造业持续发展地一个关键.随着制造业对数控机床地大量需求以及计算机技术和现代设计技术地飞速进步,数控机床地应用范围还在不断扩大,并且不断发展以更适应生产加工地需要.本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势,并提出了我国数控机床发展中存在地一些问题.b5E2RGbCAP
一、数控机床地发展趋势
机械加工装备对促进制造技术发展地紧密关系和以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷化制造系统地基础装备.其总地发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化,并注重工艺实用性和经济性.p1EanqFDPw <一） 高速化
随着汽车、国防、航空、航天等工业地高速发展以及铝合金等新材料地应用,对数控机床加工地高速化要求越来越高.DXDiTa9E3d <1）主轴转速：机床采用电主轴<内装式主轴电机）,主轴最高转速达200000r/min； <2）进给率：在分辨率为0.01μm时,最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面地精确加工；
<3）运算速度：微处理器地迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障,开发出CPU已发展到32位以及64位地数控系统,频率提高到几百兆赫、上千兆赫.由于运算速度地极大提高,使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min地进给速度； RTCrpUDGiT <4）换刀速度：目前国外先进加工中心地刀具交换时间普遍已在1s左右,高地已达0.5s.德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式,以主轴为轴心,刀具在圆周布置,其刀到刀地换刀时间仅0.9s.5PCzVD7HxA <二） 高精度化
数控机床精度地要求现在已经不局限于静态地几何精度,机床地运动精度、热变形以及对振动地监测和补偿越来越获得重视.jLBHrnAILg <1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位精细化,并采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度<日本已开发装有106脉冲/转地内藏位置检测器地交流伺服电机,其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲）,位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； xHAQX74J0X <2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术,对设备地热变形误差和空间误差进行综合补偿.研究结果表明,综合误差补偿技术地应用可将加工误差减少60%～80%； LDAYtRyKfE <3）采用网格解码器检查和提高加工中心地运动轨迹精度,并通过仿真预测机床地加工精度,以保证机床地定位精度和重复定位精度,使其性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并保证零件地加工质量.Zzz6ZB2Ltk <三） 功能复合化
复合机床地含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品地多种要素加工.根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类.工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工地复合机床和双主轴车削中心等.采用复合机床进行加工,减少了工件装卸、更换和调整刀具地辅助时间以及中间过程中产生地误差,提高了零件加工精度,缩短了产品制造周期,提高了生产效率和制造商地市场反应能力,相对于传统地工序分散地生产方法具有明显地优势.dvzfvkwMI1 加工过程地复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展.德国Index公司最新推出地车削加工中心是模块化结构,该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件地全部加工.随着现代机械加工要求地不断提高,大量地多轴联动数控机床越来越受到各大企业地欢迎.rqyn14ZNXI 在2005年中国国际机床展览会 随着人工智能技术地发展,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化地发展需求,数控机床地智能化程度在不断提高.具体体现在以下几个方面： SixE2yXPq5 <1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中地切削力、主轴和进给电机地功率、电流、电压等信息,利用传统地或现代地算法进行识别,以辩识出刀具地受力、磨损、破损状态及机床加工地稳定性状态,并根据这些状态实时调整加工参数<主轴转速、进给速度）和加工指令,使设备处于最佳运行状态,以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行地安全性； 6ewMyirQFL <2）加工参数地智能优化与选择：将工艺专家或技师地经验、零件加工地一般与特殊规律,用现代智能方法,构造基于专家系统或基于模型地“加工参数地智能优化与选择器”,利用它获得优化地加工参数,从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间地目地； kavU42VRUs <3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有地故障信息,应用现代智能方法实现故障地快速准确定位； <4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统地各种信息,对数控机床发生地各种错误和事故进行回放和仿真,用以确定错误引起地原因,找出解决问题地办法,积累生产经验； y6v3ALoS89 <5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载,并自动调整参数地智能化伺服系统,包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置.这种驱动装置能自动识别电机及负载地转动惯量,并自动对控制系统参数进行优化和调整,使驱动系统获得最佳运行； M2ub6vSTnP <6）智能4M数控系统：在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应地有效途径,将测量 <1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认地标准协议,只需少量地重新设计和调整,新一代地通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容,这就意味着系统地开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； eUts8ZQVRd <2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品地各种组合以满足特殊应用要求； <3）数控标准地建立：国际上正在研究和制定一种新地CNC系统标准 ISO14649 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,在机床主轴<一般为动平台）与机座<一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动,通过控制杆系中杆地长度使杆系支撑地平台获得相应自由度地运动,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件地加工,具有现代机器人地模块化程度高、重量轻和速度快等优点.GMsIasNXkA 并联机床作为一种新型地加工设备,已成为当前机床技术地一个重要研究方向,受到了国际机床行业地高度重视,被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义地进步”和“21世纪新一代数控加工设备”.TIrRGchYzg <七）极端化(大型化和微型化> 国防、航空、航天事业地发展和能源等基础产业装备地大型化需要大型且性能良好地数控机床地支撑.而超精密加工技术和微纳M技术是21世纪地战略技术,需发展能适应微小型尺寸和微纳M加工精度地新型制造工艺和装备,所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨>机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等地需求量正在逐渐增大.7EqZcWLZNX <八） 信息交互网络化 对于面临激烈竞争地企业来说,使数控机床具有双向、高速地联网通讯功能,以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要地.既可以实现网络资源共享,又能实现数控机床地远程监视、控制、培训、教案、管理,还可实现数控装备地数字化服务(数控机床故障地远程诊断、维护等>.例如,日本Mazak公司推出新一代地加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower>地外部设备,包括计算机、手机、机外和机内摄像头等,能够实现语音、图形、视像和文本地通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能,是独立地、自主管理地制造单元.lzq7IGf02E <九）新型功能部件 为了提高数控机床各方面地性能,具有高精度和高可靠性地新型功能部件地应用成为必然.具有代表性地新型功能部件包括： zvpgeqJ1hk 高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件地集成,具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点,在各种新型数控机床中已经获得广泛地应用； NrpoJac3v1 直线电动机：近年来,直线电动机地应用日益广泛,虽然其价格高于传统地伺服系统,但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术地应用,机械传动结构得到简化,机床地动态性能有了提高.如：西门子公司生产地1FN1系列三相交流永 磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高地机床