机械加工中数控机床应用发展方向63698

1、摘要简要介绍了当今世界数控机床发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业 化的现状。阐述了发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国 际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控装备的儿 点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度，数控机床是发展新兴高新技术产业和尖端工业制造技术和装备就是人类生 产活动的最基本的生产资料，而数控机床乂是当今先进制造技术和装备不可缺 少的设备。当今世界各国制造业广泛采用数控机床，以提高制造能力和水平， 提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。论文主要阐明了：数控机床是典型的机电一体化产品，它综合了电子计算

2、机、自动控制、自动检测、液压与气动以及精密机械等方面的技术。数控机床 的高精度、高效率决定了发展数控机床是当前中国制造业技术改造的必山之 路，是未来工厂自动化的基础。关键词：发展趋势；原理；数控机床AbstractIntroduces briefly now the world numerical control machine develops tendency and our country numerical control equipment technological development and industrial production present situation.El

3、aborated develops our country numerical control technology and the equipment, raises our country manufacturing industry informationization level and the international competition ability importance, and proposed from the strategy and the strategy two stratification planes develops our country numeri

4、cal control equipment several views.The equipment industry technical level and the modernized degree were deciding the entire national economy level and the modernized degree, the numerical control machine is the development emerging high technology and new technology industry and the state-of-art i

5、ndustry technique of manufacture and the equipment is the humanity produces active the most basic producer goods, but the numerical control machine also is advanced now the technique of manufacture and equips the essential equipment.Now the various countries manufacturing industry widely uses the nu

6、merical control machine, sharpens the manufacturing capacity and the level, enhances to the dynamic changeable market adaptiveness and competitive ability.The paper has mainly expounded: The numerical control machine is the typical integration of machinery product, it synthesized the electronic acco

7、unting machine, the automatic control, the automatic detection, the hydraulic pressure and the aspect and so on air operated as well as precision machinery technoIogies.The numerical control machine high accuracy, the high efficiency had decided the development numerical control machine is the curre

8、nt Chinese manufacturing industry technological transformations way that must be taken, will be the future factory automation foundation.Key word: trend of development , principle, numerical control machine刖吞从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

9、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。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

10、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，并提岀了我国数控机床发展中存在的一些问题。1数控机床的概述1.1数控机床简介数控机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程 序.运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床主要山数 控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体 上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需

11、要改变输入的程序指 令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中 小批量、改型频繁、精度要求高、形状乂较复杂的工件，并能获得良好的经济 效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铳 床、铿床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动 换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。1.2数控机床产生随着生产和科学技术的飞速发展，社会对机械产品多样化的要求日益强 烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，同时随着汽 车工业和轻工业消费品的高速增长，机械产品的结构日趋复杂，其精度日趋提 高，性能不断改善，激烈的市

12、场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的 加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化、高效和高质量复杂零件 加工要求。因此，对制造机械产品的生产设备一一机床，必然会相应地提出高 效率、高精度和高自动化的要求。在机械产品中，单件与小批量产品占到70%80%o这类产品的生产不仅 对机床提出了 “三高”要求，而且还要求机床应具有较强的适应产品变化的能 力。特别是一些山曲线、曲面组成的复杂零件，若釆用通用机床加工，只能借 助画线和样板用手工操作的方法来加工，或利用靠模和仿型机床来加工，其加 工精度和生产效率都受到了很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量，特别是高精度、复杂型面零件加工 的自

13、动化并保证质量要求而产生的。1947年美国PARSONS公司为了精确制造直 升飞机机翼、浆叶和框架，开始探讨用三坐标曲线数据控制机床运动，并进行 实验加工飞机零件。1952年麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所用实验室制 造的控制装置与辛辛那提(Cincinnati Hydrotel)公司的立式铳床成功的实现 了三轴联动数控运动，实现控制铳刀连续空间曲面加工，它综合应用了电子讣 算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果， 是一种新型的机床，可用于加工复杂曲面零件。该铳床的研制成功是机械制造 行业中的一次技术革命，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段，揭开了 数控加工

14、技术的序幕。2数控机床的组成与工作原理、特点2.1数控机床的组成数控机床是利用数控技术，准确地按照事先编制好饿程序，自动加工出所 需工件的机电一体化设备。在现代机械制造中，特别是在航空.造船、国防、 汽车模具及计算机工业中得到广泛应用。数控机床通常是有程序载体.CNC装 置、伺服系统、检测与反馈装置、辅助装置、机床本体组成，如图2-1所示。图2-1数控机床的组成框图1 程序载体图2-2程序载体组成图如图2-2,数控机床是按照输入的零件加工程序运行的。零件加工程序中 包括机床上刀具和零件的相对运动轨迹、工艺参数（如进给量，主轴转速等） 和辅助运动等。将零件加工程序以一定的格式和代码存储在一种载体

15、上，这种 载体称为程序载体。U前加工程序的执行方式按数控机床控制系统的内存空间 大小分为两种方式：一种是采用CNC方式，即先将加工程序输入机床，然后调 岀来执行；另一种是采用DNC方式，即将机床与计算机连接，机床的内存作为 存储缓冲区，加工程序由计算机一边传送，机床一边执行。2. CNC装置（乂称计算机数控装置）一翩器:FLC 计算机_图2-3CC装置组成图如图2-3所示，CXC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器（CPU）、 存储器、局部总线、外围逻辑电路和输入/输出控制等，如图2-3。CNC装置的功能是接受从输入装置送来的脉冲信号，并将信号通过数控装 置的系统软件或逻辑电路的编译、运算

16、和逻辑处理后，输出各种信号和控制指 令。在这些控制指令中，除了送给伺服系统的位置和速度指令外，还送给辅助 装置的机床辅助动作指令。最终控制机床的各部分，使其按照规定的、有序的 动作执行。3. 伺服系统T主轴剛谏细一H主轴9勵转宣卜给伺服系统|删働起I-图2-4伺服系统的组成图如图2-4,伺服系统是CNC装置和机床本体的联系环节，它的作用是把来 自CNC装置的微弱指令信号解调、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件 驱动机床移动部件的运动，使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的 轨迹运动，最后加工出符合图样要求的零件。它的伺服精度和动态响应是影响 数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因

17、素。伺服系统包括驱动装置和执行装置两大部分，数控机床的驱动装置包括主 轴伺服单元（转速控制）、进给驱动单元（位置和速度控制）、回转工作台和 刀库伺服系统控制装置以及它们相应的伺服电机等。常用的伺服电机有步进电 机、直流伺服电机和交流伺服电机。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制 系统则是伺服电机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后 作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传 动装置带动工作台和刀架运动。4检测与反馈装置检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它的作用：将机床导轨 和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测岀来，通过模数转换变成数字信 号，

18、并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断并发出相应 的指令，纠正所产生的误差。常用的检测装置有编码器、感应同步器、光栅、 磁栅.霍尔检测元件等。5.辅助装置T电气路I-1辅助岡图2-5辅助装置图如图2-5所示，辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令（M,S,T等）经 机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机启停和变速、冷却液的开关及 分度工作台的转位和自动换刀等动作。它主要包括储备刀具的刀库、自动换刀 装置、自动托盘交换装置、工件的夹紧机构、回转工作台以及液压、气动、冷 却、润滑、排屑装置等。6.机床本体数控机床的本体是指其机械结构实体。它是实现加工零件的执行部件，主 要由主运动

19、部件（主轴、主运动传动机构）、进给运动部件（工作台、拖板及 相应的传动机构）、支承件（床身、立柱等）以及辅助装置等组成。与传统的 普通机床相比较，数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操 作机构等方面打都发生了很大的变化。归纳起来包括以下儿个方面的变化：（1）釆用高性能的主轴及伺服传动系统，具有传递功率大、刚度高.抗振 性好及热变形小等优点。（2）采用高效传动部件及进给传动系统，具有传动链短、结构简单、传动 效率高、传动精度高等特点，一般釆用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、贴塑导 轨副等八（3）数控机床机械结构具有很高的静、动态刚度，较好的抗震性、阻尼精 度及耐磨性等。（4）在加工中心

20、上一般具有完善的自动换刀装置ATC.自动托盘交换装置 APC、工件夹紧放松机构和刀具管理系统。（5）采用全封闭高速防护罩。由于数控机床是自动完成加工，为了操作安 全等，一般釆用移动门结构的全封闭高速防护罩，对机床上的零件进行全封闭 加工。2. 2数控机床的工作原理山数控机床的操作过程和数控机床的组成可以知道，其工作原理如下：（1） 根据零件加工图样进行工艺分析，拟定加工工艺方案，确定加工工艺 过程、工艺参数和刀具位移数据。（2） 用规定的程序代码和格式编写零件加工程序，或用CAD / CAM软件直接 生成零件的加工程序。（3）把零件加工程序输入或传输到数控系统。（4）数控系统对加工程序进行译码

21、与运算，发出相应的命令，通过伺服系 统驱动机床的各个运动部件，并控制刀具与工件的相对运动，最后加工出形 状、尺寸与精度符合要求的零件。2.3数控机床的特点2.3. 1数控机床的加工特点数控机床的加工特点（即优势与不足），主要有以下儿个方面：1 加工精度高、质量稳定数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的，脉冲当量普遍达到 0. 001mm,且传动链之间的间隙得到了有效补偿。同时数控机床的传动装置于床 身结构具有很高的刚度和热稳定性，容易保证零件尺寸的一致性。因此数控机 床不仅具有较高的加工精度，而且质量稳定。2生产效率高、经济效益好数控机床加工零件粗加工时可以进行大切削用量的强力切削，移动部件

22、的 空行程时间短，工件装夹时间短，更换零件时儿乎不需要调整机床，有效地缩 短了加工时间。同时，由于数控机床对市场需求响应快，生产效率高，使总成 本下降，可获得良好的经济效益。3. 对加工对象的适应性强数控机床改变加工零件时，只需改变加工程序，特别适合于单件、小批 量、加工难度和精度要求较高的零件的加工。4. 自动化程度高，劳动强度低数控机床是自动进行的，工件加工过程中不需要人工干预，且自动化程度 较高，大大改善了操作者的劳动强度。5.有利于现代化管理数控机床使用数字信息与标准代码处、传递信息，使用了计算机控制方 法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础。6.具有很强的通信功能数控机床通

23、常具有RS-232接口，有的还备有DC接口，可与CAD/CAM软件 的设计与制造相组合。髙档机床还可与MAP （制造自动化协议）相连，接 入工厂的通信网络，适应于FMS、CIMS的应用要求。当然，数控机床在应用中也有不足之处：（1）初期投资大。（2）维护费用高（3）对操作者的技能水平及管理人员的素质要求较高。因此，应合理地选择与使用数控机床，提高经济效益。2.3. 2数控机床的结构特点为了保证高精度、高效率的加工，数控机床的结构应具有以下特点：1.高刚度和高抗振性由于数控机床经常在高速和连续重载切削条件下工作，所以要求机床的床 身、工作台、主轴、立柱、刀架等主要部件均需有很高的刚度，工作中应无

24、变 形和振动。例如，床身各部分合理分布加强筋，以承受重载与重切削力；工作 台与拖板应具有足够的刚性，以承受工件重量，并使工作平稳；主轴在高速下 运转，应具有较高的径向扭矩和轴向推力；立柱在床身上移动时应平稳，且能 承受大的切削力；刀架在切削过程中应平稳而无振动等。2.高灵敬性数控机床在加工过程中，要求运动部件具有高的灵敏度。导轨部件通常采 用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现 象。山电动机驱动，经滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部 件的移动，主轴既要在高刚度、高速下回转，乂要有高灵敬度，因而多数釆用 滚动轴承和静压轴承。3.热变形小为保证部件的运动

25、精度，要求机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发 热量要小，以防止产生热变形。为此，立柱一般采用采取双壁框式结构，在提 高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。通常釆用恒温 冷却装置，减少主轴轴承在运转中和那个产生的热量。为减少电动机运转发热 的影响，在电动机上安装有散热装置和热管消热装置。4.高精度保持性在高速、强力切削下满载工作时，为保证机床长期具有稳定的加工精度， 要求数控机床具有较高的精度保持性。除了应正确选择有关零件的材料，以防 止使用中变形和快速磨损外，还要釆取一些工艺性措施，如淬火、磨削导轨、 粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。5.高可靠性数控机床应能在

26、高负荷下长时间无故障地连续工作，因而对机床部件和控 制系统的可靠性提出了很高的要求。柔性制造系统中的数控系统可在24小时运 转中实现无人管理，可靠性显得更为重要。为此除保证运动部件不出故障外， 频繁动作的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证能长期而 可靠地工作。6工艺复合化和功能集成化所谓“工艺复合化”，简单地说，就是“一次装夹、多工序加工” o “功 能集成化”主要是指数控机床的自动换刀机构和自动托盘交换装置的功能集成 化。随着数控机床向柔性化和无人化发展，功能集成化的水平更高的体现在工 件自动定位、校内对刀、刀具破损监控.机床与工件精度检测和补偿等功能 上。山于生产率发展的需

27、要，数控机床的机械结构随着数控技术的发展，两者 相互促进，相互推动，发展了不少不同于普通机床的、完全新颖的机械结构和 部件。3数控机床在加工领域中的应用3.1数控机床的应用范围数控机床具有普通机床不具备的许多优点，数控机床的应用范圉正在不断 扩大，但是L1前它并不能完全代替普通机床，也不能以最经济的方式解决机械 加工中的所有问题。数控机床最适合加工具有以下特点的工件：1 单件、多品种、小批量的生产零件。2形状复杂，加工精度较高的零件。3. 需进行多种工序集中加工的零件。4价格昂贵、不允许报废的零件。5.需要频繁改型的零件。6.需要最少生产周期的急零件。7批量、高精度、高要求的工件。当零件不太复

28、杂、生产批量不大时，宜采用普通机床；随着零件复朵程度 的提高，数控机床就显得更为适用了。同时，在多品种、小批量（100件以 下）生产时，使用数控机床可获得较好的经济效益，零件批量的增大，对所选 用的数控机床是不利的。数控机床的应用范圉1.数控车床：包括主轴、溜板、刀架等。数控系统包括显示器、控制面板、强电控制 等。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是 在水平面内与主轴垂直方向的运动轴。远离工件方向为轴的正向。列外在最新 的车铳加工中心，还增加了一个C轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放 铳刀，对工件进行铳加工。刀具超过12把称为加工中心。数控车床主要用来加 工轴

29、类零件的内外圆柱面，圆锥面、螺纹表面、成形回转体面等。对于盘类零 件可以进行钻孔、扩孔、绞孔、僮孔等。机床还可以完成车端面、切槽、倒角 等加工。2.数控铳床：适于加工三维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。可 分为数控立式铳床、数控卧式铳床、数控仿形铳床等。3.加工中心：一般认为带有自动刀具交换装置（ATC）的数控锤铳床，称为加工中心。可 以进行铳、镇、钻、扩、较、攻丝等多种工序加工。不能包括磨削功能，因为 微细的磨粒可能进入机床导轨，从而破坏机床的精度。而磨床上有特殊的保护 措施。加工中心可分为立式加工中心、卧式加工中心。立式的主轴是垂直方向 的，卧式的主轴是水平方向的。4.数

30、控钻床：分为立式钻床和卧式钻床。主要完成钻孔、攻丝功能，同时也可以完成简 单的铳削功能。刀库可以存放多种刀具。5.数控磨床：用在高硕度、高精度加工表面。平面磨床、内圆磨床、轮廓磨床等。随着 自动砂轮补偿技术、自动砂轮修整技术和磨削固定循环技术的发展，数控磨床 的功能越来越强。6.数控电火花成形机床：(EDM Machine)特种加工方法，利用两个不同极性的电极在绝缘体中产生放电现象，去除 材料进而完成加工，适用于形状复杂的模具、难加工材料。7.数控线切割机床：原理与电火花成形机床一样，就是电极是电机丝，加工液一般是去离子 水。3.2数控机床的选用原则数控机床的先进性、复杂性和发展的迅速性，以及

31、品种型号、档次的多样 性，而且价格乂相对比较昂贵，就决定了选用数控机床的复杂性、难度和慎重 性。所以，在选用数控机床时，应山领导和专业技术人员共同进行深入细致地 调研，或委托有经验的数控专家组成的咨询中介机构进行咨询或代理，以便正 确地选用数控机床。选用数控机床要根据加工对象的工艺要求、企业经济环境 和使用环境等诸多因素进行具体分析，可考虑以下儿个原则：1.生产上适用主要指所选用的数控机床功能必须适应被加工零件的形状尺寸、尺寸精度 和生产节拍等要求。形状尺寸适应性一一所选用的数控机床必须能适应被加工 零件合理群组的形状尺寸要求。加工精度适应性一一所选择的数控机床必须满 足被加工零件群组的精度要

32、求，在能确保零件群组的加工精度基础上注意不一 味追求不必要的高精度。生产节拍适应性一一根据加工对象的批量和节拍要求 来决定数控机床的选择，并注意上下工序间的节拍协调一致，及外部机床的配 置、编程、操作、维修等支撑环境。技术上先进在选用数控机床时，应充分考虑到技术的发展，具有适当的询瞻性，保证 设备在技术水平上的先进性，不一味追求低价格，避免出现新购设备在使用不 长时间后即面临淘汰的尴尬境地。3.经济上合理数控机床的价格主要取决于技术水平的先进性，质量和精度的好坏，配置 的高低以及质量保证费用等。对数控机床的价格必须进行综合考虑，不一味追 求低价格，坚持最高性价比原则，即在满足被加工零件的功能要

33、求和保证质量 稳定可靠的前提下，做到经济合理。4数控机床的发展趋势4.1我国数控机床的发展简况我国数控机床产业也正经历着一个历史上最好的变革时期。中国机床工具 需求结构以汽车工业的高速发展为代表，机电、装备工业对机床工业提出了高 质量、大范圉和不断更新的要求。国防工业的需求逐步扩大和提高。国防工 业，包括航空、航天、兵器等提出的需求占据了相当的比例。民营企业的需求 增幅较大，层次和结构差别较明显。总体发展简况如下：1.产量总体规模已居世界前列2005年金切机床产量45万台，为十五初的24倍；锻压机床产量63万 吨，是十五初的24倍。2005年机床工具全行业工业总产值1260亿元，是 十五初期的

34、2.5倍，平均年增长约26%,其中金属加工机床产值达到了 51亿 美元，总体经济规模已超过意大利，跃居世界笫三位。其中，数控机床产值从 九五末的4.9亿美元增加到十五末的21.8亿美元，年平均增长34. 8%o数 控金切机床的产量从九五末的1.4万台增加到十五末的6.0万台，年均增 长达到33. 5%o数控机床产量占全部金切机床的比重同时由7. 3%增长到2005年 的13.3%。同时，数控机床出口占机床出口比重逐年上升，2005年达到 28. 2%,比2001年上升了 13个百分点。今年15月，金属加工机床出口 4.2 亿美元，同比增长54. 1%,数控机床出口金额达1.34亿美元，同比增长

35、 75. 8%o2.产品技术水平明显提高在常规数控机床领域，如数控车床、立式加工中心、数控铳床、数控锂 床、数控齿轮机床、数控磨床、电加工机床、数控重型机床和数控成形机床等 一大批产品，我国已经拥有自主知识产权，具有较强的市场竞争力，基本满足 国内需求。在高档数控机床研发方面取得了新的突破，代表产品有五轴联动横 梁移动式高速龙门铳床、五轴联动龙门加工中心、五轴联动车铳中心、五轴联 动立式叶片加工中心、五轴联动卧式加工中心、六轴五联动弧齿锥齿轮磨床 等。3. 产业组织结构初步优化随着近年来机床行业的快速发展，其产业组织结构也得到了明显优化。 2005年，数控机床年产量达到1000台的企业已有11

36、家。数控机床年产量前10 名企业的产量集中度达到45.9%。沈阳机床集团公司年产数控金切机床达到 10008台，占全国总产量16. 8%,大连机床集团公司年产数控金切机床4734 台，占全国总产量的7.9%,双双进入世界数控金切机床生产大企业行列。截至 2006年6月，共有大连机床、沈阳机床、秦川机床、上海电气机床集团、哈尔 滨量具刃具集团公司.北京第一机床厂、杭州机床集团公司等7家国内企业， 并购了 10家国外知名的机床工具企业，在国际化经营中迈出了可喜的一步，提 高了中国机床工业在国际上的知名度，为行业引进技术、发展成套和扩大出口 创造了条件。口前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，

37、国产机床的发展仍然 难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明 显。一是国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展需 求。尽管近儿年国产机床市场销售量不断提高，至2005年进口机床在国内市场 占有率仍高达60%,其中汽车、航空、航天、兵器、造船、通用机械等行业是 主要进口大户。20022005年，我国已经连续四年成为世界最大的机床进口 国，以2004年进口为例，从日本、台湾、德国进口分别占国内市场19.7%、 12.1%和8. 6%o二是国产功能部件和数控系统发展滞后，成为数控机床产业发 展的瓶颈，尤其是为高档数控机床配套的关键功能部件和数控系统。三是机床

38、 制造企业技术装备水平不高，行业制造能力、综合管理和服务能力等方面不能 满足市场快节奏的要求。4. 2数控机床的发展趋势数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术发展，主要包括精密机 械、计算机及信息处理、自动控制及伺服系统、精密检测及传感、网络通讯等 技术。数控机床制造业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的基础产 业，其技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业化的重要标志。近 些年来，数控机床被广泛应用于我国的制造业，在国内工业发达的地区已经得 到普及，山此对社会生产力的提高起到了巨大的推动作用。随着社会的多样化 需求及相关技术的不断进步，数控机床也向着更广的领域和更深的层次发展。

39、 当前，数控机床的发展主要呈现出如下趋势：1. 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0.01 um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，开发岀CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到儿 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. lum、 O.Olum时仍能获得高达24240

40、m/min的进给速度；（4）换刀速度：H前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在Is左 右，高的已达05s。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。2. 高精度化数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的儿何精度，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O.OlPm/脉冲），位置伺服系

41、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：釆用反向间隙补偿、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恥（3）釆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。3. 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 机床如锂铳钻复合一一

42、加工中心、车铳复合一一车削中心、铳锂钻车复合一一 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。釆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 最新推岀的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铳削、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

43、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） ,国内外制造商展岀了形式 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、五轴联动高速铳削中心等。4. 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。具体体现在以下儿个方面：（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

44、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1：参数，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

45、原因，找 岀解决问题的办法，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，实现信息共孕，促进测量、建模、加工、装夹、操作 的一体

46、化。5. 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铳床、 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-0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。6. 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，