摘要：簡要分析了數(shù)控機床高速化、高精化、高可靠性、復合化、智能化、網(wǎng)絡化、綠色化等發(fā)展趨勢及目前發(fā)展狀況。
關鍵詞：數(shù)控機床發(fā)展趨勢現(xiàn)狀
中圖分類號：TH132.41
文獻標識碼：A
文章編號：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 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)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、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)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，成為先進制造技術中的一項核心技術。數(shù)控系統(tǒng)技術的突飛猛進為數(shù)控機床的技術進步提供了條件。當前，數(shù)控機床的發(fā)展主要體現(xiàn)為以下幾方面：
1 高速、高效
機床向高速化方向發(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量和精度。超高速加工技術對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。20 世紀90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速15000 － 100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度60～120m/min，切削進給速度高達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，達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含監(jiān)控系統(tǒng)）和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決，為開發(fā)應用新一代高速提供了技術基礎。目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達到5000～8000m/min以上；主軸轉數(shù)在30000 轉/分（有的高達10 萬r/min）以上；工作臺的移動速度（進給速度）：在分辨率為1 微米時，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率為0.1 m 時，在24m/min 以上；自動換刀速度在1 秒以內；小線段插補進給速度達到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)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm），其應用范圍日趨廣泛。當前，在機械加工高精度的要求下，普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10 m 提高到±5 m；精密級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；超精密加工精度進入納米級（0.001m），主軸回轉精度要求達到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。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅動電主軸（電機與主軸一體化），主軸徑向跳動小于2 m，軸向竄動小于1 m，軸系不平衡度達到G0.4 級。高速高精加工機床的進給驅動，主要有"回轉加精密高速滾珠絲杠"和"直線電機直接驅動"兩種類型。此外，新興的并聯(lián)機床也易于實現(xiàn)高速進給。滾珠絲杠由于工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高（ISO34081 級），而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min，加速度1.5g。滾珠絲杠屬機械傳動，在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應地造成運動滯后和其它非線性誤差，為了排除這些誤差對加工精度的影響，1993 年開始在機床上應用直線電機直接驅動，由于是沒有中間環(huán)節(jié)的"零傳動"，不僅運動慣量小、系統(tǒng)剛度大、響應快，可以達到很高的速度和加速度，而且其行程長度理論上不受限制，定位精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易達到較高水平，是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達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)控機床網(wǎng)絡化應用的發(fā)展，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和數(shù)控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16 小時內連續(xù)正常工作，無故障率在P（t）＝ 99%以上，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF 就必須大于3000 小時。我們只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1（數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 就要大于33333.3 小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅動等的MTBF 就必須大于10 萬小時。當前國外數(shù)控裝置的MTBF 值已達6000 小時以上，驅動裝置達30000 小時以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。
4 復合化
在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來發(fā)展很快的機種。柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，便能按照數(shù)控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而言，加工中心便是最典型的進行同一類工藝方法多工序復合加工的機床。事實證明，機床復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)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當前的一個開發(fā)熱點，由于在加工自由曲面時，5 軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，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)動控制的機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)動機床以其無可替代的性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠家積極開發(fā)和競爭的焦點。最近，國外還在研究6 軸聯(lián)動控制使用非旋轉刀具的加工中心，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尚難實用化。
6 智能化
智能化是21 世紀制造技術發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)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。智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量的智能化，如自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等；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)控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。
7 網(wǎng)絡化
數(shù)控機床的網(wǎng)絡化，主要指機床通過所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡控制。數(shù)控機床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)內部的局域網(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。隨著網(wǎng)絡技術的成熟和發(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"，是機械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標志之一，也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術的大量采用，越來越多的國內用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。機械制造企業(yè)在普遍采用CAD/CAM的基礎上，越加廣泛地使用數(shù)控加工設備。數(shù)控應用軟件日趨豐富和具有"人性化"。虛擬設計、虛擬制造等高端技術也越來越多地為工程技術人員所追求。通過軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代機床發(fā)展的重要趨勢。在數(shù)字制造的目標下，通過流程再造和信息化改造，ERP 等一批先進企業(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)濟效益。
8 柔性化
數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術的開拓、完善；CNC 單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS 聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
9 綠色化
21 世紀的金切機床必須把環(huán)保和節(jié)能放在重要位置，即要實現(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，這主要是因為切削液既污染環(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行，但也包括在特殊氣體氛圍中（氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術）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目前尚難與實際應用，故又出現(xiàn)了使用極微量潤滑（MQL） 的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10～15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區(qū)。在各類金切機床中，采用干切削最多的是滾齒機。總之，數(shù)控機床技術的進步和發(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)質以及人性化的方向發(fā)展。可以預見，隨著數(shù)控機床技術的發(fā)展和數(shù)控機床的廣泛應用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。
參考文獻:
[1]呂紅霞.數(shù)控技術的發(fā)展趨勢與途徑[J]. 機械制造與自動化.
2005
[2]易紅主編.數(shù)控技術[M]. 北京:機械工業(yè)出版社.2005
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