数控机床的现状与发展趋势综述

数控机床的现状及发展趋势摘要： 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。 数控加工具有灵活性高、加工精度高、生产率高、减轻工人劳动强度、改善工作条件、有利于生产管理现代化和提高经济效益的特点。 数控技术的应用，重要的是开发出速度、精度、稳定性高的高新技术设备，在现有的加工设备中，只有数控机床能承担其责任。 但是，要实现真正意义上的高速切削加工，数控机床必须朝着高速、高精度、灵活、控制系统开放性、控制系统支持软件和工厂生产数据管理的方向，适应现代制造业快速发展的要求。重要信息：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联系，进入了繁荣的新时期。 机床制造业面临机床制造业需求水平上升带来的制造设备发展机遇，面临加入世界贸易组织后的激烈国际市场竞争压力，加快数控机床发展是解决机床制造业可持续发展的关键。 随着制造业对数控机床的大量需求、计算机技术和现代设计技术的迅速进步，数控机床的应用范围不断扩大，为了更好地适应生产加工的需求而发展起来。 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，提出了我国数控机床发展中存在的问题。一、数控机床的发展趋势机械加工装置是以促进制造技术发展的密切关系和数字化为特征的数控机床是软化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备。 其总体发展趋势是高精细化、高速化、高效化、柔软化、智能化和集成化，重视技术的实用性和经济性。(1)高速化随着汽车、国防、航空、宇宙等工业的高速发展和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：机床采用电气主轴(内置主轴电机)，主轴最高转速达到r/min(2)进给率：分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min，可得到复杂的模具面精密加工(3)运算速度：微处理器的快速发展保证了数控系统向高速、高精度的方向发展，CPU已开发出32位和64位数控系统，频率提高到数百兆赫，上千兆赫。 通过大幅度提高运算速度，即使分辨率为0.1m、0.01m，也能够得到24240m/min的进给速度(4)更换速度：目前国外先进加工中心的工具更换时间已达1s左右，较高的达0.5s。 德国Chiron公司将刀库设计成篮子，以主轴为轴，刀具配置在圆周上，其刀换刀时间仅为0.9s。(2)高精度化数控机床精度的要求目前并不局限于静态几何精度，机床运动精度、热变形及振动监测和补偿越来越受到重视。(1)提高CNC系统的控制精度：采用高速插补技术，以微小程序实现连续进给，使CNC控制单位微细化，采用高分辨率的位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发出内置106脉冲/旋转的位置检测器的交流伺服电动机，其位置检测精度为0(2)采用误差校正技术：采用背隙校正、丝杠螺距误差校正和刀具误差校正等技术，综合校正设备的热变形误差和空间误差。 研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可使加工误差减少60%80%(3)应用网格解码器检测加工中心的运动轨迹精度，仿真预测机床加工精度，保证机床定位精度和重复定位精度，长期稳定，在不同运行条件下完成多种加工任务，保证零件加工质量。(3)功能复合化复合机床是指一台机床，能够实现或尽量完成从原材料到成品的各种要素加工。 根据其结构特点，可分为工艺复合型和工艺复合型两种。 工艺复合型机床，例如钻孔复合加工中心、铣削复合车削中心、钻孔复合复合加工中心等工序复合型机床，例如多面多轴联动加工的复合机床和双轴车削中心等。 用复合机床加工，减少了工件装卸、更换和调整的辅助时间和中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品生产周期，提高了生产效率和生产厂家的市场反应能力，相对于传统的工程分散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模块化、多轴化的发展。 德国Index最近公布的车削加工中心为模块化结构，可完成车削、铣削、钻头、滚刀、磨削、激光热处理等多道工序，完成复杂零件的所有加工。 随着现代机械加工要求的提高，大量多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。2005年中国国际机床展览会(CIMT2005 )上，国内外厂商展出了形式不同的多轴加工机床(包括双轴主轴、双轴刀架、9轴控制等)、可实现45轴联动的五轴高速门型加工中心、五轴联动高速铣削中心等。(4)智能控制随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产灵活化、制造自动化的发展需求，数控机床智能化程度不断提高。 具体而言，这些方面包括：(1)加工过程的自适应控制技术：监测加工过程中的切削力、主轴和进给电动机的功率、电流、电压等信息，通过传统或现代算法来识别刀具的受力、磨损、破损状态和机床加工的稳定状态，并基于这些状态来识别加工参数(主轴转速、进给速度) 和实时调整加工指令，使设备处于最佳运行状态，提高加工精度，降低加工表面粗糙度，提高设备运行的安全性(2)加工参数的智能优化与选择：应用现代智能方法，根据专家系统和模型构建“加工参数的智能优化与选择器”，以获得最佳加工参数，提高编程效率和加工过程水平(3)智能故障自诊断和自修复技术：基于现有故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位(4)智能故障再现和故障仿真技术：完全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再现和仿真，找出错误的原因，找出解决问题的方法，积累生产经验(5)智能交流伺服驱动装置：能够自动识别负载并自动调整参数的智能伺服系统。 包括智能主轴交流驱动装置和智能进给伺服装置。 这样的驱动装置能够自动识别电动机和负载的惯性矩，自动地将控制系统的参数调整为最佳化，使驱动系统成为最佳运转(6)智能4MNC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响应的有效方法，将测量建模制造机械操作机械手4者(即4m )融合到一个系统中，实现信息共享，促进测量建模加工卡盘操作的一体化。(五)系统开放化；(1)对未来技术开放：硬件和软件接口均遵循公认的标准协议，因此需要进行微量的重新设计和调整，下一代通用硬件和软件资源可能被现有系统采用，与吸收兼容。 这意味着系统开发成本大幅度降低，系统性能和可靠性得到改善，生命周期长(2)对用户特殊要求开放：更新产品，扩展功能，提供硬件产品的各种组合，满足特殊应用要求(3)NC标准的建立：国际上研究制定了新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC )，提供了不依赖于具体系统的中性机制，描述了产品整个生命周期的统一数据模型，实现了整个制造过程乃至各工业领域产品信息的标准化。 标准化的编程语言不仅使用户方便，还降低了与操作效率直接相关的劳动消费。(6)驱动并行化并联运动机床克服了以往机床串联机构的移动部件质量大、系统刚性低、工具只能沿固定导向件进给、作业自由度低、设备加工灵活性和移动性不足等固有缺陷，具有机床主轴(一般为可动工作台)和床(一般为静止工作台) 其间采用多轴并联机构驱动，具有通过控制活塞杆系统的活塞杆长度，能够得到与活塞杆系统支承的工作台相应自由度的运动的多坐标联动数控加工、组装和测量，能够满足复杂的特殊部件加工、现代机器人的模块化性高、轻量和速度快等优点。并联机床作为新型加工设备，已成为当前机床技术的重要研究方向，受到国际机床行业的高度重视，被认为是“发明数控技术以来机床行业最有意义的进步”和“21世纪的下一代数控加工设备”。(7)极端化(大型化和小型化)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、性能良好的数控机床的支持。 超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，由于需要发展适应微小尺寸和微纳米加工精度的新的制造技术和装备，微机床对微切削加工(车、磨机、磨机)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微压机等的需求量逐渐增加(8)信息的互联网化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的网络通信功能，保证现场各部门之间信息流畅是非常重要的。 实现网络资源共享，实现数控机床远程监控、控制、训练、教学、管理，还实现数控装备的数字服务(数控机床故障远程诊断、维护等)。 例如，日本Mazak公司发表的下一代加工中心配备有计算机、手机、机外和机内照相机等被称为信息塔的外部设备，能够实现声音、图形、影像和文本的通信故障警报显示、在线支援故障诊断等功能，实现独立的自主管理的(9)新功能部件为了提高数控机床各方面的性能，高精度和高可靠性的新型功能部件的应用是必然的。 具有代表性的新功能部件包括：高频电主轴：高频电主轴是高频电动机和主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，广泛应用于各种新型数控机床直线电机：近年来直线电机的应用越来越广泛，其价格高于传统伺服系统，但随着负载波动的干扰、热变形补偿、磁屏蔽和防护等关键技术的应用，机械传动结构简化，机床的动态性能提高。 例如西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电机已经广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及要求动态性能和运动精度的机床等。 德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心的三向驱动采用了2台直线电机电动滚珠丝杠：电动滚珠丝杠是伺服电机与滚珠丝杠的综合，具有数控机床结构大幅简化、传动连杆少、结构紧凑等一系列优点。(10 )高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了与数控系统相应的监控装置等，应用了大量的电、液压和机电装置，故障概率容易变高的工业栅极电压波动和干扰极不利于数控机床的可靠性，但数控机床加工的零件型面复杂，加工周期长，平均故障时间为2万小时数控机床为保证高可靠性，必须精心设计、严格制造、明确可靠性目标、修理和分析故障模式，找到弱点。 国外数控系统的平均故障时间为710万小时以上，国产数控系统的平均故障时间为10000小时左右，国外机器整体的平均故障时间为800小时以上，国内最多只有300小时。(11 )加工过程的绿色化随着越来越严峻的环境和资源制约，制造加工绿色化变得越来越重要，我国的资源、环境问题尤为突出。 因此，近年来不使用冷却液或不使用冷却液的干式切割、半切割节能环保型机床不断出现、发展。 21世纪，绿色制造的大趋势加快了各种节能环保机床的发展，占领了更多的世界市场。(12 )多媒体技术的应用多媒体技术集计算机、视频语音和通信技术于一体，使计算机具有综合处理语音、文字、图像和视频信息的能力，对用户界面也提出了图形化要求。 合理的人性化用户界面使非专业用户的使用变得非常方便，人们可以在窗口和菜单中操作蓝图编程和快速编程，三维彩色立体动态图形显示，图形仿真，图形动态跟踪此外，在数控技术领域应用多媒体技术，能够实现信息处理的综合化、智能化，能够应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监控等，具有重要的应用价值。二、中国机床工具十一五数控特别成果展示“十一五”时期，中国机床工具行业在国家各方针政策指导下，经过全行业不懈努力，取得了很大进步，取得了很多成果。 特别是重大科技专业的实施，在航空航天、船舶、汽车制造、发电设备等领域，一些重要技术取得了巨大突破，高水平的数控机床和机床附件等新产品备受瞩目。(1)沈阳机床集团HTM125磨复合加工中心；该机是科技重大专业成果，主要针对国内船舶、矿山、发电等行业体积大、重量大、工序多、工时长、成本高、结构复杂的零件加工，以船用中速机曲轴为例，可以在该机床上实现磨削前的所有加工工序。济南双机床大型高速高效数控全自动冲压生产线PLS4-200-3800*2400该产品围绕重点行业、重点领域，实现了技术升级和市场拓展，实现了冲压生产线高效化、高精度化、柔性化、自动化、智能化等要求，创新研发出吨位长行程八链路、全线快进、冲压多点卸载、全线全自动快速换型等几项关键技术， 全线全自动换模时间不到5分钟，冲压机的制造精度比现行国家标准提高了20%，冲压、进给、成型、冲压均自动化，可实现远程通信、故障诊断的集成机、电气、仪表、计算机成为一体，人机对话、自动调整、模具识别、 采用网络过程监控等技术，通过自动编程50多个动作、顺序或并行或交叉，实现全面模具交换的全过程。 取得了良好的经济和社会利益。 自主知识产权大型多站冲压进给系统的开发，实现了综合制造的国际先进水平的全自动快速进给冲压生产线，目前已成功应用。这种生产线市场前景广阔，它适应了我国汽车工业上的质量、等级、水平需求，为我国从汽车制造大国进军汽