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2011届山东技师学院毕业论文数控机床的应用与发展趋势 第一章 引言 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的变化。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，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。一、数控机床在国内发展现状数控车床是目前使用最广泛，数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成型表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔以及铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工程序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。由于数控车床的加工对象多为回转体，一般使用通用三爪卡盘夹具。数控车床的编程特点：加工坐标系 加工坐标系应于机床坐标系的坐标方向一致，X轴对应径向，Z轴对应轴向，C轴（主轴）的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为+C向，顺时针为-C向。直径编程方式 采用直径尺寸编程与零件图样中的尺寸标注一致，这样可避免尺寸换算过程中可能造成的错误，给编程带来很大方便。进刀和退刀方式 切削起点的确定与工件毛坯余量大小有关，应以刀具快速走到该点时刀尖不与工件发生碰撞为原则。S 功能 （1）恒线速切削 G96 S 其中S后面的数字表示的是恒定的线速度，单位为m/min. (2)恒线速取消 G97 S 其中S后面的数字表示恒线速度控制取消后的主轴转速，如S未指定，将保留G96的最终值。T 功能 编程格式 T 其中T后面通常有两位数表示所选择的刀具号码。但也有T后面用四位数字，前两位是刀具号，后两位是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。M 功能 M00：程序暂停；M3：主轴顺时针旋转；M04：主轴逆时针旋转；M05：主轴旋转停止；M08：冷却液开；M09：冷却液关；M30：程序停止，程序复位到起始位置。G 功能 G00 快速点定位；G01 直线插补指令；G02 为按指定进给速度的顺时针圆弧插补；G03 为按指定进给速度的逆时针圆弧插补；G04暂停；G90 外圆切削循环；G94端面切削循环；G96 恒线速切削；G97恒线速切削；G76 为螺纹切削循环。刀具半径补偿指令 在零件轮廓铣削加工时，由于刀具半径尺寸影响，刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致。为了避免计算刀具中心轨迹，直接按零件图样上的轮廓尺寸编程，数控系统提供了刀具半径补偿功能。其中G41为左偏刀具半径补偿，G42为右偏刀具半径补偿，G40是撤消刀具半径补偿指令。子程序的调用：M01 表示段落结束选择停止；M02 段落结束不回程序开头；M03主轴顺时针旋转；M04主轴逆时针旋转；M05主轴停止；M07 切削液打开成雾状；M08切削液打开成水柱状；M09 切削液关闭；M30 锻炼结束回程序开头；M98 P 其中：P表示子程序调用情况。P后共有8位数字，前四位为调用次数，省略时为调用一次；后四位为所调用的子程序号。M99表示子程序结束，并返回到调用子程序的主程序中。确定走刀路线和安排加工顺序应注意以下几点：1、寻求最短加工路线；2、最终轮廓一次走刀完成；3、选择合理的切入切出方向。 例如下面结合海德汉iTNC530控制系统对这一些典型的特性进行简要地介绍。图1 海德汉提供的全套数字系统iTNC 530数控系统的高速、高精和高表面质量特性1、硬件设计理念硬件设计的好坏决定控制系统能否适合于高速、高精以及高表面质量加工。iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力。控制器本身包含了主机单元(MC)和控制单元(CC)两个部分：主机单元(MC)采用了奔腾-800芯片、133MHz总线频率，并带有各类数据通信接口(Ethernet/RS232/RS422/USB等)，这是进行所有计算、屏幕显示和数据通信的的保证。海德汉的控制系统所有的实时任务均在自己开发的实时操作系统(HEROS)下完成，而且海德汉也可提供带双处理器的主计算机，它既可以保证系统的实时计算和稳定性能，同时又能满足用户对Windows应用程序的需求。控制单元(CC)最新的设计中集成了控制系统的所有伺服控制回路(位置环/速度环/电流环)，所有的伺服计算都在DSP(数字信号处理器)中完成。从而测量元件的反馈均集成在CC上，包含位置反馈和速度反馈。其优势在于：保证伺服计算快速和实时要求，减小各伺服回路周期，减少各个回路间的通讯延迟，可在位置回路实现高增益，实现高速和高表面质量加工，并可很好地控制直接驱动(直线电机和力矩电机)。2、伺服控制和高速控制能力在强大硬件的支持下，iTNC530采用了全数字化技术，在其控制软件中运用了最新的技术及其独特的算法才使得它成为用于高速铣削加工的最佳选择。iTNC 530能保持系统平衡，实现短的程序段处理时间(0.5ms)和短的各控制回路周期以及各类插补(直线/圆弧/螺旋线/样条)，其独特的Jerk(加加速)控制技术可防止机床震动，其程序预读功能(256段)和轮廓上的优化控制技术能让机床既能保持高速运行，又能保持轮廓精度和表面质量。iTNC 530可实现高速主轴控制，目前海德汉提供的主轴转速可达40000r/min。同时，iTNC530可实现各种误差补偿，包括线性和非线性轴误差、反向间隙、圆周运动的方向尖角、热膨胀及粘滞摩擦。下面主要针对加加速控制(突变控制)以及过滤器进一步展开介绍：(1) 加加速控制(Jerk)加速度的导数定义为加加速(Jerk)。众所周知，要机床具备良好的加减速功能，必须要保持合理的加加速。如果加加速过大(过于突然)，可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工表面出现条纹，降低了表面加工质量；如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，如何保证高速和高表面质量非常重要。iTNC 530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理来实现上述功能。通过该功能的使用既可以减少加工中由于加加速突变而产生的机床振动而实现高表面质量加工，同时又能达到机床良好的加减速性能。图2中给出了两中不同情形。其中图2(a)是采用匀加速度来加速运行过程，从而造成了在起始加速和停止加速时出现无穷的加加速度，引起机床的振荡。而iTNC 530采用了图2(b)所示的变加速度并限制和光滑加加速度来运行，机床得以平滑运行。图3给出了一对测试结果，(a)为不带加加速度控制，而(b)则为带有加加速控制。通过比较可以看出，带加加速限制和光滑处理后，轮廓偏置得到了大大的改善。图2 加加速度限制和光滑处理 图3 带与不带加加速限制和光滑处理的控制比较(2) 名义位置过滤器在控制系统执行完插补功能以后，产生名义位置值提供给后续的位置回路。大家知道，实现高速、高精和高表面质量要求与很多因素相关，尤其是机床本身的动态性能。海德汉iTNC 530系统提供了不同类型的内置的名义位置过滤器，比如单过滤器(standard filter)、双过滤器(doublefilter)和高速过滤器(HSC filter)。系统可根据用户的不同需求和机床本身的动态性能确定采用哪种过滤器，它可通过设置不同的参数完成。3、五轴-多轴-加工中心控制针对带有摆头和旋转工作台的5轴联动加工的需求，iTNC 530提供了很多功能：比如刀具中心点管理控制(TCPM)、3D刀具补偿功能、支持倾斜面以及圆柱表面加工功能。通过机床参数设置，iTNC 530可支持不同结构的5轴加工机床。举例来讲，进行3D加工时，需要利用样条插补和Jerk控制技术，通过表面法向矢量进行3D刀具补偿，利用刀具中心点管理(TCMP)功能控制轮廓加工并保持刀具与轮廓垂直，从而可满足3D加工要求并达到高的精度和表面质量要求。同时，海德汉的“GANTRY”同步技术为龙门框架结构的机床提供最佳性能的保证。iTNC 530具备所有加工中心所需要的功能，比如：通过刀具表对任意把刀具进行管理(自动换刀、刀具寿命、刀具磨损等)、交换工作台管理、用3D触发式测头进行设定工件原点、自动工件测量、刀具自动测量和断裂检查等。用户友好性和可操作性海德汉控制器从一开始就是面向车间发展起来的数控系统，因而它具有独特对话式编程方式和友好的人机界面，分述如下：1、对话式编程及支持iTNC 530控制系统最大的一个优点在于它操作的简易性。TNC530系统采用HEIDENHAIN对话式编程语言，通过点击键盘上的轮廓元素键，并利用连续图形对话方式即可在机床上实现加工程序编辑。使用这种方式，操作人员根本不用记忆G代码，只需使用专用键和软键就可以设定直线区段、定义圆弧和循环程序，构成所期望的零件形状。有时轮廓元素并不一定都按NC方式来表示的，使用自由轮廓程序编辑方式可减少转换或补充等额外的计算。在使用该方式时，您只需将将所有的约束信息输入到控制器即可。如果轮廓有多种解答方式，iTNC 530会全部加以列出以供选择。同时在编程过程中iTNC 530提供强大的图形支持和图形模拟功能，让用户在编程时得到系统的充分支持，并在正式运行程序前进行模拟检测。当然，iTNC 530也支持使用G代码的ISO编程模式。另一方面，iTNC 530具有很好的兼容能力，也就是说以前的程序可在现有的控制系统中运行，因此用户只需学习新的功能。2、标准铣、钻、镗和攻丝加工的固定循环 iTNC530的另一个优点是它将经常重复使用的加工过程做成标准的循环程序。iTNC 530系统提供的标准循环包含有钻孔、攻丝、镙纹铣削、铰孔、镗孔、孔组合以及粗铣和精铣沟槽、型腔和凸台等。同时，对于复杂轮廓，iTNC530提供了子轮廓组合循环(SL循环)，特别适合于型腔铣削。利用SL循环，可在子程序中定义各种子轮廓或轮廓区段(型腔或凸台)，然后根据需要加以组合。以这种方式，单一的轮廓描述就可以适用于多种使用不同刀具的操作。加工时最多可迭加12个子轮廓，而控制器会自动计算产生最终轮廓及粗铣和清除表面的刀具路径。使用上述循环时，用户只需在系统的文字提示和图形支持下输入简单的几个参数，便可实现加工工艺，从而缩短程序编辑时间、提高生产效率。图4是镙纹铣削实例的一个画面。图4 固定循环人机界面同时，海德汉提供固定循环设计的PC软件：CycleDesign。OEM和用户也可根据需要设计自己的固定循环程序，以适应其机床的特殊制造工艺。3、可维护性和诊断功能海德汉控制系统无论从硬件还是软件都在诊断方面做了大量的工作。从硬件方面，海德汉的各驱动模块和电源模块中各添加了一块特殊的芯片，在系统运行过程中记载了一些有用的信息。从软件方面，海德汉控制系统集成了用于诊断的软件。利用这些软件和硬件，如果出现故障就可以比较方便地查找故障源，从而能及时而快速地排除故障。同时，使用该功能，为用户提供了远程诊断功能。这不仅提高排除故障的速度，同时也可以节省系统维修的开销。4、逻辑编程功能海德汉采用开放式和模块化的逻辑编程方式。对OEM，海德汉提供PLC基本程序，它包含了超过95%的用于各类机床的标准功能模块，而且这些模块都是通过海德汉和大量OEM用户反复验证过切实可行的。因此，OEM在集成海德汉控制系统时所需的工作较小。同时海德汉还提供用于PLC变成的编辑和调试PC软件PLCDesignNT，这为OEM添加特殊功能提供了有力的辅助工具。5、系统调试优化功能是否能充分发挥机床本身的特点和性能，控制系统的调试功能非常重要。海德汉控制系统提供了内置的滤波器和外置的PC调试优化软件TNCOpt。利用这些工具，OEM可以根据机床的本身特性，调试系统的各伺服回路的参数以及各种过滤器的设置，从而可尽可能地发挥机床动态性能，尤其对于精度要求比较高，例如用于模具、航空航天以及船舶类零件加工的机床。“十一五”期间，高档数控机床与基础制造装备重大专项围绕八类主机及相关数控系统、功能部件和关键部件等内容，掌握了一批核心技术，研发成功10余种经济建设急需的重点装备，满足了航空航天、船舶、汽车、发电设备制造等领域的部分需求，相关重点装备接近或达到国际先进技术水平，使我国高档数控机床与基础制造装备总体技术水平明显提高。 装备制造业被誉为“工业母机”，是制造业的基石。工业现代化所需的各类装备和设施都离不开高档数控机床和基础制造装备，其性能、质量和拥有量已成为当今衡量一个国家工业化水平、综合国力的重要标志。 “十一五”期间，“高档数控机床”专项共立项课题268个，安排经费90多亿元，参与研发人员超过1万名。其中企业牵头承担的课题占82%，中央财政投入占88%，体现了企业技术创新主体地位。其中，以十大标志性设备为代表的重大制造装备研发取得较快进展，绝大部分已交付用户。为装备制造业应对国际金融危机冲击，实现平稳较快发展发挥了重要的拉动和支撑作用。例如，由北京第一机床厂研发的世界最大的10米数控桥式龙门五轴联动车铣复合加工机床，可完成大型核电站核岛关键部件加工。济南二机床集团为上海通用烟台东岳汽车和奇瑞汽车研发的6400吨大型快速高效数控全自动冲压生产线，可满足国内汽车企业大型冲压覆盖件的生产需求。武汉重型机床集团为二重研制的世界最大、承重500吨的超重型数控卧式镗车床，突破了多项关键核心技术，达到国际先进水平。在数控系统方面，开发出多轴多通道、具有3种总线接口的总线式高档数控装置产品。目前，华中数控等单位完成了50台套开放式全数字高档数控装置。 以高等院校和转制科研院所为主承担的共性技术研发也取得良好进展。吉林大学制订了7项数控机床可靠性技术规范，研制了6台套可靠性试验与测试试验台。重庆大学提出“可靠性驱动的装配工艺”概念，并应用于装配现场。 “高档数控机床”专项高度重视知识产权工作，各个承担单位将获得自主知识产权作为主要追求目标。截至2010年11月，累计申请专利1001项，其中申请国内发明专利654项，国际发明专利5项。已完成立项标准58项，其中国家标准12项，参与2项国际标准制订。在企业牵头的课题中，50%以上制订了相关企业标准。超额完成“十一五”预定目标。 “高档数控机床专项”的成功实施，加快了行业重点企业高端产品的开发速度。“十一五”时期，我国机床行业持续快速稳步发展，产值和产量成倍增长，跃居世界第一位，国产机床的数控化率和国内市场占有率均大幅提高。其中，国产机床数控化率由“十五”末的35.5%提高到“十一五”末的51.9%，国内市场占有率由“十五”末的26.4%提高到“十一五”末的56.7%。 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的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。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的一些问题。 二我国数控机床产业发展的现状分析 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。1产业规模日益扩大 2001年，我国机床工业产值已进入世界前五名。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%，金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4提高到2001年的22.7%。机床工具出口额从1998年的约5亿美元上升到2000年的7.85亿美元。出口的数控机床品种以中低档为主。广州数控设备厂是国家863“中档数控系统产业化支撑技术”项目承担企业，2002年产品销售额达1.3亿元。常州亚兴数控设备有限公司是民营股份制企业，2002年共销售数控刀架7500台套，与上年度同比增长近80%。南京工艺装备制造厂认真实施品牌发展战略，“品牌是金，服务是心”是他们对所有用户的郑重承诺。该厂每年都以不少于1000万元的资金投入改造滚动功能部件生产线。现已建成滚珠丝杠副，滚动直线导轨副分品种、分规格、分精度的专业加工生产线，使产品质量有了一个长期稳定的保证，并大大缩短了生产周期。、2 技术开发进展神速 “十五”期间，国家科技部将数控机床列为制造业信息化工程的三大重点之一，在863计划和科技攻关计划中分别安排了“精密制造与数控关键技术应用与示范”和“数控关键技术与装备产业化支撑技术及应用”项目。经过两年多的努力，现已取得重要的阶段性成果。科技部先后安排了14台高、精、尖数控设备的研制，都是技术难度较大、进口价格很高的大型设备。其中10台为国际20世纪90年代中期的水平，4台为20世纪90年代末期水平。到2003年9月，已有7台交付使用。中国机械工业联合会的统计数据表明，科技部择优支持的六家机床企业去年共生产数控机床4755台，产值10.3亿元，分别占2002年全国数控机床总产量和产值的19和30%，分别比2001年提高了6个和10个百分点。 同时，研发的一些关键共性技术已应用于其他产品的开发中，并派生出数十种重大数控设备。北京机电院为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心已在该厂进行了半年的应用，不仅可完全满足汽轮机叶片加工的质量要求，加工效率可与瑞士进口同类机床媲美，且价格仅为进口机床的三分之一。沈阳机床股份公司为安彩集团成都电子玻壳有限公司研发的背投彩电玻壳数控压屏专用生产线已投产使用，其整体技术水平达到了国际同类产品领先水平，使我国成为继美、日之后世界第三个能生产此类专用设备的国家。此外，沈阳机床股份公司还为上海磁悬浮列车轨道梁加工开发了数控加工成套设备，为神舟号载人飞船燃烧室加工开发了特殊铣床，为核电锅炉加工开发了特高行程的数控立式车床。 我国在高端数控机床关键技术研究方面取得的重大突破迫使国外一些公司在高档数控系统上对我国全面开放。目前，我国已基本掌握了多（五）座标联动的关键技术，不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进入实用阶段。复合加工技术的研究也取得很大成绩，已研制完成的五轴联动车铣复合中心、五轴五面加工中心、双主轴车削中心等关键设备均已实现商品化。在2003年4月北京国际机床展上，就展出了各类国产五轴联动加工机床18台。 高速加工技术（HSM）的研究与应用也取得重要进展。其中在直线电机应用技术的研究方面，基本掌握了负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等部分关键技术，填补了我国在直线电机应用技术领域的空白，使我国在这一领域与国外差距由15年缩短为10年。完成了8000-10000r/min机械式高速主轴单元和10 000-18000r/min高速主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究，实现了在国产加工中心和数控机床上的应用。研制成功了适合高速机床加工的HSK工具系统，并已将其转化成国家标准。3 所以现代机床根本就离不开数控系统，数控系统的优劣在机床性能上可以得到充分的展现，所以数控技术的先进与否直接决定了数控系统对机床是否拥有良好的控制力。当前，机床行业正向高速和高精方向发展，同时，零件高的表面质量也是广大用户追求的目标，尤其在航空、航天、船舶以及模具加工等领域。另一方面，数控机床也朝人性化方向发展，不断追求易操作性。这就对数控系统提出了很高要求，比如系统的运行速度、多轴/五轴功能、高速高精以及高表面质量特性、好的可维护性以及好的人机操作界面等。二、我国数控机床发展存在的问题1数控化水平低 近年来，我国数控机床生产一直保持两位数增长。2002年产量居世界第四。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率不到30%；消耗值数控化率还不到50%，而发达国家大多在70左右。以金切机床为例，我国去年产量为23万台，其中数控机床只有2.4万台，仅为产量的十分之一强。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。 国产数控车床到2000年可供品种为700多种，接近数控机床品种的50%，其中占产量70的是经济型数控车床。最高转速一般在2000r/min，个别转速达8000r/min，坐标定位精度一般在0.01mm，重复定位精度在0.005mm，工作精度圆度在0.01-0.005mm之间，表面粗糙度Ra0.8-1.6m。长城机床厂CK7815C主轴最高转速3500r/min，快速行程x轴9m/min, z轴12m/min，定位精度x轴0.016mm，z轴0.025mm，工作精度圆度0.007mm，表面粗糙度Re1.6m。 国产数控系统MTBF可靠性大都超过1万小时，但国际上先进企业数控系统MTBF已达8万小时。国产数控车床、加工中心MTBF有少数厂达500h，但国际先进水平已达800h。用户对国产加工中心刀库机械手、数控车床刀架仍不放心，其定位精度、特别是重复定位精度也有待提高。此外，外观、漏油等老问题也与工业发达国家产品有差距。 2功能部件有差距 数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等，它们是数控机床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。 3.制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。 目前，我国的功能部件生产企业规模普遍较小，布局分散，有些还依附于主机厂或研究所。从整体上看，我国功能部件生产发展缓慢，品种少，产业化程度低，从精度指标和性能指标都还不过硬。滚珠丝杠、数控刀架、数控系统、电主轴等数控机床功能部件虽已形成一定的生产规模，但仅能满足中低档数控机床的配套需要。衡量数控机床水平的高级数控系统、高速精密电主轴、高速滚动功能部件和数控动力刀架等还依赖进口。理顺功能部件生产企业的体制，做大做强一批功能部件生产企业已迫在眉睫。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 三、如何加快我国数控机床的发展 我国发展机床业有着得天独厚的市场空间，特别是未来几年，汽车、信息和高新技术等产业在我国将会强劲发展。以汽车工业为代表的机电装备工业对机床工业提出了更高的要求。据三大汽车和九个骨干厂的统计，2004年投入技术改造资金261亿元，而汽车零部件的技术改造投入也将近73亿元，其中与机床工具工业有关的有42亿元。专家指出，以我国目前高档数控机床和成套成线设备的开发、生产能力，在品种、质量和数量上还不能适应市场需要，必须加快数控机床的发展。 1生产专业化 由于历史原因，我国机床工具行业千余家企业在国内的产业布局趋同，导致生产总量不小，低水平重复建设严重；“大而全”、“小而全”普遍存在，规模效益难以释放；企业内部自我配套意识浓厚，生产周期过长；成本居高不下，整机性能及可靠性无法保证；对市场需求反应迟钝，竞争乏力。以西部某省机床工具行业的产业布局为例，该省现有机床企业12家，分布在省内四个地级城市，资产存量较大，近20亿元，从业人员超过两万人，生产产品门类齐全。各厂产品虽然相互竞争度低，互补性强，但工艺装备趋同，各厂几乎都有铸造、热处理、机加工、装配能力，“全而不专”、“专而不精”、“散、乱、小”的产业劣势一览无余，其中只有两家企业的主营销售收入达到2亿元。由此可以看出，该省每一个企业在国内机床市场上所占份额都很小，影响甚微，根本谈不上竞争优势，更无法与国外同行相抗衡。 虚拟制造可有效解决此问题。业务外包又称虚拟制造，是制造企业把业务链的中间制造环节部分或全部弱化，实行委托协作加工，而对业务链上游的产品开发设计，下游的市场营销（包括售后服务）等环节强化的一种制造管理模式。这种模式在企业组织形式上表现为中间小（精），两头大（强）的“哑铃型”结构。虚拟制造是对“大而全、小而全”企业模式的否定，代表了业界追求企业组织扁平化、轻薄化、强性化，低成本、高效率的管理潮流，它的逐步盛行是社会专业化分工发展的必然结果。专家认为，虚拟制造是产业链上各种要素定期、定向在全球范围内移动的外在表现形式。对优势企业而言，其移动趋向于产业链的中高端，最终达到对整个产业链的（相对）掌控；对一般中小企业、弱势企业而言，其移动趋向于产业链的中低端，成为产业链的一个环节或某个环节的若干部分，最终附生于优势企业，从而形成一个有活力的产业生态系统。 目前流行的虚拟制造形式主要有以下三种：一是定牌制造，又称OEM制造。指核心企业把设计好的产品交由专业制造承包商生产，并在最终产品上打上核心企业的知名品牌。二是定牌设计制造。指销售商购买制造商的设计资料（专利技术），让代工企业组织产品生产制造，打上自己品牌对外销售。三是工序外包制造。通常指核心企业把一些粗加工及技术含量低的工序扩散到周边人力成本低廉地区的企业代为加工，自己控制关键工序如精加工、装配、检测等。 2提高新产品研发能力 当前必须快速提高数控机床产品的自主开发、制造能力。为此，要建立有效的数控技术开发中心，加强对重点工艺的研究、试验，形成成套开发能力。实践证明，联合研发是提高我国新产品研发能力的有效途径，不仅能解决关键技术，保证所研发的产品在技术性能上满足生产的实际需求，而且能为用户提供商品化的产品和服务。要做到自主开发与引进国外技术相结合，这样不仅技术起点高，而且开发周期大大缩短。如大连大森公司抓住机遇，采取数控系统设计国际化、器件选购全球化、组装生产社会化，提高了产品质量，一举改变了国产数控系统可靠性差的形象。2002年，该公司共销售数控系统2200多台。3加快技术引进与合作 为了更快得到最新技术，企业可直接与国内外科研院所“联姻”，通过国际合作生产、合资经营，实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化。2003年10月，北一大隈（北京）有限责任公司在北京林河工业区正式投产。作为一个国家装备制造业水平标志的数控机床产业基地，这家总投资达3.3亿元的中日合资企业，通过引进世界先进的五面加工机床、卧式加工中心柔性生产线及立卧加工中心构成一个全柔性的加工系统，形成年产1000台数控机床的生产能力，成为我国目前规模最大的数控机床制造基地。 4. 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （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0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的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位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达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，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。 5. 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 （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/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （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，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%； （3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的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，并保证零件的加工质量。 6. 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。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的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、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，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的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的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，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 7. 控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： （1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，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的安全性； （2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的； （3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位； （4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； （5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，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的转动惯量，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； （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的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 8. 体系开放化 （1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的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； （2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； （3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 9. 驱动并联化 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，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，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的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。10. 极端化（大型化和微型化） 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的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的需求量正在逐渐增大。 11. 信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 12. 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括： （1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，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的应用； （2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的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的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机； （3）电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。 13. 高可靠性 数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 14. 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。 15. 多媒体技术的应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力，因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外，在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等，因此有着重大的应用价值。16.更快更强的数控系统 数控系统是数控机床的核心，是数控机床的大脑。更快更强的数控系统使得数控机床具备了更加强大的运算和处理能力，能够完成更为复杂和精细的加工。近日，全球知名数控系统生产商均推出了新型的数控系统，如西门子公司推出了840Dsl和828D系统，日本发那科FANUC公司开发了用于高档复合化机床的多通道多轴纳米CNC，三菱公司研制了M700V系列CNC。 这些新开发的数控系统采用了最新的自动化技术和产品，均具有模块化、开放、灵活而又统一的结构，提供了可视化界面和网络集成功能，具备多通道多数控轴功能，适用于所有工艺。此外，采用最新芯片技术的超高速处理器等高端硬件和光纤传输技术在新型的数控系统中得到应用，大幅度提高了数控系统的性能。 17.高速高精度的自动化部件 高速高精度并不仅仅是指数控机床对工件的加工速度要高要快，生产的产品精度更高，还要求数控机床在工件加工的整个过程中都要高速运转、精确定位，以减少工件在准备、加工、转运、收储等各个环节占用的时间，综合提高工厂的生产效率，降低生产成本。更高精度的机械产品在实际使用中会带来更多的益处，如减少运转过程中的摩擦和发热，降低能源损耗，使整机运转更加平稳可靠，减少故障出现的几率等。 为了实现高速高精度的目标，自动化产品厂商们加大了技术投入和开发力度，研发了更多的自动化产品应用于数控机床，如直线电机、电主轴、更高线数的编码器、精度更高更稳定的光栅尺等，这些自动化产品为数控机床实现高速高精度功能提供了强有力的支持。 18.日渐成熟的复合加工技术 当今的机械加工更趋向于高精度、多品种、小批量、低成本、短周期和复杂化的加工，复合加工是数控机床的一个重要技术发展方向。复合功能使数控机床显著提高了工件成品的生产速度，能够大大消除散列工序加工过程中的运输、装夹及等待时间，使加工周期大大缩短并降低加工车间的在制品数量。工件在机床上只有一次装夹定位，既减少了加工辅助时间，又提高了工件的加工精度。 显然，复合加工机床对自动化产品的要求更高。复合功能的实现依赖于针对工件和刀具的实时检测与智能判断、数据运算、刀具管理及系统控制。高灵敏度的探针、高速处理芯片、体积更小、响应速度更快的传感器和执行器等自动化产品和技术在机床上将会得到更为广泛的应用。 19.智能的网络化技术 目前，具有网络化功能的自动化产品在数控机床中得到大量应用，这也是自动化产品和技术飞速发展的动力之一。数控系统生产商已经在系统中集成网络接口，来满足和适应生产加工的快速化、信息化、网络化的要求，而国内使用信息化、网络化机床的用户也正在从中获得巨大的收益。 因此，数控机床应具备并实现语音、图形、视频和文本的通信功能。通过网络信息的共享，生产计划调度部门可以实时监控机床工作状态和加工进度，向网络信息的其他使用部门传递共享信息，在网络上观察加工过程、统计报表、跟踪生产进度、查看故障报警、在线诊断及帮助排除故障。宁夏小巨人公司引进了日本山崎马扎克Mazak公司的信息网络技术，创建了国内第一座智能网络化机床制造工厂。这将是我国在数控机床的信息化和网络化进程中的一个样板，也是我国数控机床信息化和网络化发展的开端和出发点。 20.环保节能的新理念 目前，全球范围内都在提倡绿色经济、低碳经济，这样的发展趋势和环保要求同样在数控机床行业得到响应和实