机械加工中数控机床应用发展方向

1、机械加工中数控机床的应用与发展方向摘要随着科学技术和生产的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了越来越 高的要求。产品加工工艺过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施之 一。但是，在产品加工中，大批量生产的零件并不很多，据统计，单件与小批 量生产的零件约占机械加工总量的 80%80%以上。对这些多品种且加工批量小、零 件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自 动生产线就显得很不合适。为在竞争中求得生存与发展，各企业纷纷在提高产 品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫， 但传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决以上

2、问题，各企业在生产中采用了数控技术来生产，数控机床作 为目前一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算 机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效的自 动化机床。本文就针对数控机床在机械加工中的应用范围、特点、要求和发展方向作 出论述。关键词 ：应用范围；特点；应用要求；发展方向目录1 1 引言2 2 数控机床的应用范围和要求2.12.1 数控机床的应用范围2.22.2 数控机床的使用要求2.2.12.2.1对操作维修人员的技术水平要求较高2.2.22.2.2 对夹具和刀具的要求较高3 3 数控机床的加工有以下几方面的特点 3.13.1 适应性强3.2

3、3.2 精度高，质量稳定3.33.3 生产效率高3.43.4 能实现复杂的运动3.53.5 良好的经济效益3.63.6 有利于生产管理的现代化4 4 数控机床的发展方向4.14.1 高速化4.24.2 高精度化4.34.3 功能复合化4.44.4 控制智能化4.54.5 体系开放化4.64.6 驱动并联化4.74.7 极端化（ 大型化和微型化 ）4.84.8 信息交互网络化4.94.9 新型功能部件4.104.10 高可靠性4.114.11 加工过程绿色化4.124.12 多媒体技术的应用5 5 结束语参考文献1引言从 2020 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

4、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%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 2121 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

5、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 方向。2数控机床的应用范围和要求2 1 数控机床的应用范围（1 1）多品种、小批量生产的零件（2 2）形状结构比较复杂的零件（3 3）需要频繁改型的零件（ 4 4）价格昂贵，不允许报废的零件（5 5）需要最短周期的急需零件（6 6）批量较大、精度要求高的零件2

6、2 数控机床的使用要求2.2.12.2.1 对操作维修人员的技术水平要求较高 数控机床采用计算机控制，伺服系统技术复杂，机床精度要求很高。因 此，要求操作、维修及管理人员具有较高的文化水平和技术素质。数控机床是根据程序进行加工的，程序的编制即要有一定的技术理论又要 有一定的技巧，可由操作人员手工编定，也可以使用计算机辅助编制。加工程 序的编制直接关系着数控机床功能的开发和利用，并直接影响数控机床的加工 精度。因此，数控机床的操作人员除了要有一定的工艺基础知识外，还应对数 控机床的结构特点、工作原理以及程序编制进行必备的技术理论培训和操作训 练。正确和有效的维护是提高数控机床效率的基本保证。数控

7、机床的维修人员 应有较高的、较全面的数控理论知识和维修技术。维修人员应有比较宽的机、 点、液专业知识，才能综合分析，判断故障根源，缩短故障停机时间，实现高 效维修。因此，数控机床维修人员也必须经过专门的培训才能上岗。使用数控机床，不但要对从事数控加工和维修人员进行培训，而且对与数 控机床有关人员都应该进行数控加工技术知识的普及，以利于数控机床发挥更 高效能。2.2.22.2.2 对夹具和刀具的要求较高A A 数控机床对夹具的要求是：（ 1 1） 单件或小批量生产时，一般采用通用夹具；批量生产时，为节省加工时 间，应使用专用夹具或组合夹具；（ 2 2） 夹具应该定位可靠，能自动夹紧或松开工件，具

8、有良好的排屑、冷却结 构。B B 数控机床对刀具的要求是：（ 1 1） 精度较高、寿命长、尺寸稳定、变化小；（ 2 2） 能实现机外预调、快速换刀；（ 3 3） 刀柄应为标准系列；（ 4 4） 能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出；（ 5 5） 具有良好的可冷却性能。3数控机床的加工有以下几方面的特点3.1 适应性强适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力 在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制程序，输入新的程序后就能实现 对新的零件的加工；而不需改变机械部分和控制部分的硬件，且生产过程是自 动完成的。这就为复杂结构零件的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极 大的方便。

9、适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速 发展的主要原因。3.2 精度高，质量稳定产品合格率高，加工质量稳定。数控机床是按数字形式给出的指令进行加 工的，一般情况下工作过程不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的误 差。在设计制造数控机床时，采取了许多措施，使数控机床的机械部分达到了 较高的精度和刚度。数控机床工作台的移动当量普遍达到了0.010.010.0001mm0.0001mm而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，高档 数控机床采用光栅尺进行工作台移动的闭环控制。数控机床的加工精度由过去 的土 0.010.01 mmmm提高到土 0.005m

10、m0.005mm甚至更高。定位精度九十年代初中期已达到 0.002mn0.002mn土 0.005mm0.005mm此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的 刚度和热稳定性。通过补偿技术，数控机床可获得比本身精度更高的加工精 度。尤其提高了同一批零件生产的一致性。3.3 生产效率高零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床主轴 的转速和进给量的变化范围比普通机床大，因此数控机床每一道工序都可选用 最有利的切削用量。由于数控机床结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强 力切削，这就提高了数控机床的切削效率，节省了机动时间。数控机床的移动 部件空行程运动速度快，工件装夹时间短

11、，刀具可自动更换，辅助时间比一般 机床大为减少。数控机床更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，节省了零件安装调 整时间。数控机床加工质量稳定，一般只作首件检验和工序间关键尺寸的抽样 检验，因此节省了停机检验时间。在加工中心机床上加工时，一台机床实现了 多道工序的连续加工，生产效率的提高更为显著。3.4 能实现复杂的运动普通机床难以实现或无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋 桨、汽轮机叶片之类的空间曲面；而数控机床则可实现几乎是任意轨迹的运动 和加工任何形状的空间曲面，适应于复杂异形零件的加工。3.5 良好的经济效益 数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高。但

12、 在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工可节省划线工时，减少调 整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工零件一般不需制作专 用夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生 产成本进一步下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投 资。因此使用数控机床可获得良好的经济效益。3.6 有利于生产管理的现代化 。 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控机床上 使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造以及管理一体化奠定了基础。4数控机床的发展方向4.1 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

13、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/min200000r/min ；(2 2)进给率：在分辨率为0.010.01卩m m时，最大进给率达到240m/min240m/min且可获得复 杂型面的精确加工；( 3 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CPUCPU已发展到3232位以及6464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0.10.1卩m m0.010.01卩m m时仍能获得高达2424240m/min240m/

14、min的进给速度；( 4 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 1s1s 左右，高 的已达 0.5s0.5s 。德国 ChironChiron 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 0.9s0.9s 。4.2 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CNCCNC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CNCCNC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 1 1 0606脉冲/ /转

15、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0.010.01卩m/m/脉冲) )，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方 法；( 2 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%-60%- 80%80% 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。4.3 功能复合化复合机床的含义是指在一台机床上

16、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 IndexIndex 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

17、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 20052005 年中国国际机床展览会 （CIMT2005CIMT2005） 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 9轴控制等）以及可实现4 45 5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。4.4 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。具体体现在以下几个方面：（1 1）加工过程自适应控制技术：通过监测

18、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 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 3） 智能故障自诊断与自修复技术

19、：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 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 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 6） 智能4M4M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、建

20、模、加工、机器操作四者（即4M4M） 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。4.5 体系开放化（1 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 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 3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的 CNCN係统标准ISO14649ISO14649（STEP-NCSTEP-NC，）

21、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。4.6 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

22、，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“ 2121 世纪新一代数控加工设备”。4.7 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 M M技术是2121世纪的战略 技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳 M M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

23、力机等的需求量正在逐渐增大。4.8 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、教案、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 MazakMazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔 （e-Towere-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。4.9 新

24、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 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 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1FN11FN1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

25、性能和运动精度要求高的机床等；德国 EX-EX- CELL-CELL-0 0公司的XHCXHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；（3 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。4.10 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 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7 71010万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为 1000010000小时左右，国外整机平均无故 障工作时间达 800800小时以上，而国内最高只