数控车床发展现状分析

第一章绪论1.1数控车床的概念及特点数控车床是一种依靠先进计算机程序控制的先进加工设备，其在现代机械制造及零件加工中发挥着越来越重要的作用。1.1.1数控车床的概念数控车床（CNC车床），指的时由计算机控制的车床，是在数字信息的控制下，遵照信息给予的加工轨迹进行产品或零部件自动加工的整体化设备[1]。数控车床集合了先进的计算机技术、电子信息技术、自动化技术、策略与高精度机械等，他的诞生是机械制造业的一场技术革命，既解决了普通车床在产品制造上无法跨越的技术困境，也使产品的制造效率得到巨大飞升，是提升生产力的重要助力。1.1.2数控车床的特点数控车床由于是计算机程序直接控制，因此其便具有了普通车床不具备的特点：一是高精度。计算机控制可以大大减少人为操作带来的误差，从而大大提升所加工成品的质量和精度；二是复杂化。相对普通车床的单一操作，数控车床可以开展多坐标的同时加工，这种复杂化的加工模式保证了所加工零件的复杂化和多样化；三是省时省力。普通车床在加工不同的零件时，需要进行车床的重新调整，费时费力，而数控车床只需调整电脑控制程序就可以实现，省时省力；四是高效率[2]。由于数控车床高精度、计算机控制的特点，其可以在较短时间内实现高精度、大批量的零件加工，从而大大提高生产效率；五是强度小。数控车床的加入可以大大降低工人的劳动强度，减轻工人的工作负担；六是高要求。由于数控机床是由计算机程序直接控制，其对操作者的专业技能有着较高要求，同时在设备出现故障的时候，更需要专业技术过硬的专业维修人员。1.2数控车床的构成及分类1.2.1数控车床结构数控装置是数控车床的核心结构，除此之外，床身、车削中心、主轴箱、液压和冷却系统、尾座、排屑器和润滑系统等均是数控车床的基本机构。第一，车削中心。相比普通机床，数控车床的车削中心增加了动力头、C轴和刀库，可以实现X、Z和C轴三个不同方向联合操作，从而可以进行纵向、曲面铣削，和中心线不等的钻削等多样化零件加工[3]。第二，液压系统。数控车床的液压系统主要包括液压卡盘和尾架。液压卡盘和液压尾架。前者有普通卡盘、弹簧卡盘、专用卡盘等多种类型，不同类型的卡盘适合不同种类的零件加工。而后者液压尾架可以在零件加工中起到固定的作用，从而防止零件加工中移位带来的精度降低，可以分为可编程和普通两种类型。第三，刀架。数控车床的刀架有通用和专用两种。通用刀架是遵照行业通用标准生产的，车床厂家可以根据自家产品的性能自主选择。专用到家是数控车床生产厂家自主生产的，与配套刀柄配合使用，成本低是其有点，但缺点是通用性较低。第四，数控装置，数控车床的数控装置包括CRT显示器、电路板、阅读机、键盒等硬件设备，同时也包含控制程序等软件设备[4]。第五，驱动、辅助、编程及附属设备。1.2.2数控车床的分类当前，中国的数控车床按照所加工的零件的种类可以分为立式和卧式两种。前者主要用于盘类的且回旋直径相对较大的零件的车削，而后者则用于盘类的直径较小或者轴径较长的零件的车削。通常情况下，按照车床的加工功能，又可以将卧式数控车床分为经济型和普通型两种[5]。首先，对普通车床的车削系统中的单片机和步进电动机进行改造后的车床成为经济型的数控车床。此类数控车床的最大特点是成本低，但是精加工能力和自动化操作程度较差，因此，它只适用于加工精度要求不高的回转类零部件；其次，普通数控车床会根据零件的加工要求对结构进行设计，从而提高加工的专门性，同时还会配置专门的数控系统，使得车床的自动化程度更高，零件的加工精度也得到大幅提高，因此，其可以用于多种类型零件的加工[6]。（见表1-1）：表1-1数控车床分类及优缺点对比项目数控车床立式数控车床卧式数控车床经济型普通型可加工零件的种类加工回旋直径较大的盘类零件加工直径小或轴径长的零件优点成本低、易操作低成本成本较高缺点加工精度小加工精度和智能化程度较低加工轻度和智能化程度较高第二章中国数控车床的发展现状及趋势分析相对于西方国家，我国研发数控车床起步较晚，自20世纪40年代开始研究，到50年代末第一台数控车床的问世，再到如今数控车床业的飞速发展，中国的数控车床技术已经取得了巨大的进步。2.1数控车床的发展现状自国内第一台数控车床诞生至今已经经过了60年，国内的数控车床行业已经取得了巨大的成就，并且开始参与到国际市场的竞争当中。2.1.1国内发展现状1958年，中国的第一台数控车床研制成功，相对于西方国家，我国的数控车床技术起步较晚。但是经过60年的发展，中国的数控车床无论是从设备的性能、稳定性，还是可靠性上都得到了很大程度的提高，不仅在国内市场发展稳定，同时也开始逐步拓展国际市场。截止2018年底，中国国内数控车床生产企业数量达到2368家，产量高达20.30万台，而数控车床的全年市场销售规模达到1348亿元人民币[7]。（见图2-1、2-2）：图2-12013-2018年我国数控车床产量（单位：万台） 图2-22013-2018年我国国内数控车床市场规模（单位：亿元）由图2-1和图2-2可以看出，从2013年以来，国内的数控车床行业发展良好，无论是产量还是市场规模，都呈现稳定增长的趋势。此外，随着我国数控车床技术发展，车床的数控化率得到明显提升，从2008年的28.5%提升到2018年的63.5%，而发达国家的数控车床的数控化率平均值在70%以上，因此，相对于国外，我国的数控车床的数控化率偏低，仍然具有较大的发展空间[8]。2.1.2国外发展现状数控车床在国外发展比较早，存在的历史比较久，据资料研究可知，国外的数控车床技术的主流是高速度、高精度。目前，国外以多任务、多轴加工的数控车床为主，这种车床主要以CAD/CAM技术作为支撑，可以更好地提高车床的工作效率。如今随着数控车床技术和计算机应用的发展，数控车床更加智能化，管理者能够通过智能化加工和监测系统对车床的工作状况进行实时监察，进一步减少故障的发生。国外的数控车床制造业注重车床的制造也注重研发高精度、高效率的数控车床，这也是为什么他们的数控车床质量性能过硬的原因。2.2数控车床发展趋势分析2.2.1高速化随着新型刀具和其他关键部件的采用，数控车床进入高速切削的时代。高速加工的方式采用的十数倍于常规零件切削速度的加工速率，在这种加工速度下，零件加工的速度和效率都得到大幅提高，零件的加工精度也能得到高效提升。高速化的数控车床是未来高零件加工的核心，欲实现数控车床的高速化，必须以高转速、高精准度的主轴为基础，同时需要高精度的高轴向进给系统提供的高转速。当前国内高速化的数控车床的主轴转速为10000转/分钟，有的甚至高达300000转/分钟，车床的进给速率提高至100～200米/分钟，而加工不同零件时的换刀速率也低至1毫秒，在如此高速运转的前提下，数控车床的零件的生产效率大幅提升。2.2.2超精密化科技进步对零件的精细度有了更高的要求，因此，超精密加工将是未来数控车床发展的必然趋势。近年来，随着国内数控车床的快速发展，数控车床的制造、结构和配置都得到大幅改善，设备逐渐想精细化发展，同时，随着核心数控系统的技术更新，其加工零件的光滑程度越来越高，误差率大幅降低，零件的运动和几何精度越来越高。根据行业协会权威数据分析得出，从数控车床诞生至今，其加工精度以每8年翻一番的速度提升，2010年到2018年，世界高端数控车床加工的精密化已经从（±3～5）μm提升至（±1～1.5）μm。2.2.3开放化近10年，计算机技术的发展方向越发开放，因此，建立在计算机技术上的数控车床的的发展方向也趋于开放化。在开放化的基础之上，数控车床的应用范围有单一系统平台，逐步转为开放的多系统平台，兼容性成为开放化数控车床的显著特征，与此同时，开放、兼容的数控车床更是兼具了易操作和易维护的特点，而随着数控车床越发的开放化，其在机械设备生产和加工企业的使用率越来越高[9]。2.2.4技术集成化和复合化随着人们对高精尖设备需求量的增加，数控技术的集成化和符合化已成必然趋势。同时出于高效生产的需求，复合加工的数控车床成为企业的标配。这是由于相对于单一的数控车床，复合加工车床可以在一次装卡中完成零件加工的全部或者大部分工序，这样就可以减少不同工序间的刀具、夹具等的拆换，和半成品零件的搬运，从而大大提高生产效率，也可避免零件移动带来的加工精度的降低。2.2.5智能化目前，全球已进入信息化时代，计算机技术的发展日新月异，人工智能的快速发展使得数控车床的智能化成为现实。借助先进的计算机技术和人工智能，数控车床的自动编程和智能监控成为可能。智能监控功能可以帮助数控车床实现零件加工过程中的自动换刀、找正、补偿等，甚至可以实现加工过程中故障的自动维修。而智能编程可以帮助数控车床按照既定的加工程序进行零件加工，将误差率降到最低。除此之外，随着计算机技术的发展，数控车床的智能远程控制将成为其智能化发展的主要方向。2.2.6绿色化当前，人口、资源和环境已经成为阻碍世界经济发展的三大核心因素。为寻求符合环保要求的机床，干式和微量冷却类型数控车床应用越来越广泛。操作工人的环境、加工材料、冷却液的使用会成为衡量数控车床的绿色水平，因此绿色清洁的数控车床成为今后数控机床的主导方向[10]。第三章我国数控车床发展中存在的问题及对策研究数控车床发展中存在的问题，并探讨解决问题的对策，不仅可以推动我国数控车床技术的提升，同时对提高我国数控车床行业的整体竞争实力，也具有十分重要的意义。3.1数控车床发展中存在的问题我国数控车床行业虽然已经取得了一定的进步，但是仍然存在一系列的问题，如产业机构不平衡、专业人才缺乏、车床加工精度不高等问题，而这些问题都制约这我国数控车床行业的可持续发展。3.1.1产业结构失衡统计数据显示，截止2018年12月底，国内84%的高端数控车床都是从国外进口，国内企业自主生产的高端数控车床占比不足10%。而国内企业自主生产的数控车床76%为中低端产品，其中低端车床占比58%。但是由于低端数控机床的加工零件无法满足日益精细化的设备零件的加工需求，因此国内的低端数控车床长期处于过大于求的状态，这种状态也加大了国内中高端数控车床的需求缺口。调查数据显示，由中国自主生产的数控车床中，核心数控系统的进口比例为89%，国内部分能够生产高端数控车床的企业中，有78%的企业仅从事车床零部件的组装、生产，但并未掌握其核心制造技术[11]。这种产业机构的失衡状态不仅导致了国内数控车床供需结构的失衡，同时也削弱了中国数控车床的国际竞争力，而造成这一现象的主要原因是核心技术的缺失。3.1.2人才缺乏我国数控车床的发展尚处于起步阶段，核心技术的研发也处在摸索阶段，相较于国外发达国家，我国数控车床的发展资源相对匮乏，这种匮乏不仅体现在核心技术上，同时也体现在人才的匮乏上。数控车床作为技术性极强的领域，对其操作人员有着严格的技术要求和过硬的专业素养，但是目前我国数控车床相关人才的培训主要集中在中职和高职院校，但是由于师资力量的缺乏，技能的系统培训稍显欠缺，所培养出的学生的综合能力较弱，创新和探索意识不强[12]。3.1.3加工精度不高随着国内经济和社会的发展，项目建设对精细化设备的需求量越来越高，企业生产的设备零件也逐步向精细化转变，在这种需求下，企业对数控车床的加工精度的要求也越来越高。但是由于目前国内的中低端数控车床占比较高，由于软件和硬件的水平限制，其加工零件的精度较低，产品的误差率和报废率较高，严重影响了企业的生产效率。与此同时，为了提升零件加工精度，企业不得不高价进口国外高端数控车床，这也在无形之中增加了企业的生产成本。3.2推动我国数控机床长远发展的对策3.2.1加速产业转型升级政府应当转变传统经济发展模式，充分认识数控机床技术的发展对于提升装备制造业整体水平、推动经济平稳高速增长的重要作用，加大对数控机床的宣传力度，强化数控机床发展理念。在此基础上，政府还应推动产业转型升级，逐步淘汰劳动力密集型的传统制造产业，通过采取税收优惠等政策措施，积极吸引民营资本进入数控机床行业，促进数控机床产业的深入发展[13]。3.2.2提升从业人员素质数控机床企业应当提高从业人员的综合素质，一方面，数控机床企业可以通过提升从业人员薪资待遇水平、提高进入门槛等措施，也可以通过加强与高校合作、吸引数控机床专业优秀毕业生等方式，积极吸引外部高素质人才为本企业服务[14]；另一方面，数控机床企业也要加强对现有从业人员的培训，定期举行数控机床技术方面的理论知识和实务操作学习班，及时更新从业人员知识系统，提升数控机床行业从业人员专业素养。3.2.3提高加工精度提高数控车床的加工精度应该从以下五方面入手：第一，机械调整，提高数控车床精度。在机械调整这方面，应该按照标准对数控车床进行精度方面的调校，在车床调整方面主要包括主轴、车床、镶条等方面进行调校并对车床的加工过程及时监控，同时观察定位精度和反向偏差等方面是否有问题，如果发现问题要及时进行调整，必要时可先通过手动方式进行修正，再通过数控进行优化。这样才能提高车床的加工精度，保证车床在使用的过程中满足工作要求。这种提高数控车床精度的方法比较简便，但是需要员工不定时进行检查和调整。第二，优化机电联调方式，提高数控车床精度。在机电联调方面进行优化，提高数控车床精度。在反向偏差方面，当偏差过大时，应通过机械手动进行修正，待误差降到一定范围内再采用专业的方式进行优化。在定位精度方面，可通过显微镜的度数来优化误差。这种机电联调方法是提高数控车床精度效率最高的一种方法，但是该方法较繁琐[15]。第三，电气调整，提高数控车床的精度。电器调整方面主要包含机床参数调整和应用系统调整。在机床参数方面，主要留意并调整系统增益和定位死区，有助于提高车床运转的精度。在应用系统方面，因为自动化的提升，一般都是用自动来远程控制机床的运行，为了更有效地对数控车床的运行进行监控，可通过程序来监管设置控制，从而提高车床运作的精度。第四，机构调整，提高数控车床精度。数控车床的精度在机构上主要受滚珠丝杠导致的误差及机构间隙等影响。滚珠丝杠产生误差主要是因为电子脉冲引起的，所以在制造滚珠丝杠的程序中要尽量减少误差对数控车床精度的影响。另外，要加强数控车床传动机械构成部分如齿轮、连轴节、滚珠丝杠和支承轴承间的连接性，以提高数控车床的精度。第五，通过编程减少程序间的缝隙，提高数控车床的精度。数控车床的各方面的链接对车床的整体工作效率影响非常大，可喜的是这种由于程序编制引起的偏差是可以尽可能缩小的，所以我们可以通过编程减少程序之间的缝隙、进而减少机械结构之间的误差，来提高数控车床的精度。在数控编程过程中，可以考虑用插入回参考点指令或者使用绝对方式进行编程，以缩小偏差，降低误差，提升数控车床的精度。在该过程中应考虑选择廓形方程来编程，目的在于减小编程导致的误差，进而减少编程对数控车床精度的影响。第四章结论综上所述，当前我国数控车床的需求量虽大，但是总体技术水平不高，出现低端产品过剩、高端产品不足的现象，使得数控车床制造业面临着巨大的竞争力。现将此次研究结论总结如下：（1）我国数控车床经过多年发展，已经取得了巨大的进步，但是不可否认的是，我国的数控车床技术与西方发达国家仍旧存在较大差距；（2）我国数控车床发展中的问题主要集中在三方面：一是产业结构失衡。主要表现为中低端产品密集、高端产品比例较低；二是专业人才缺乏。主要表现为人才培养的等级较低；三是加工精度不高。主要表现为所加工的误差率高；（3）推动我国数控车床发展的对策包含以下三点：一是加速产业转型升级，加大高端车床占比；二是加速人才培养，建设一支高素质的数控车床人才队伍；三是多渠道提高零件加工精度。国内数控车床企业要不断在完善技术，在电气调整、零部件改进及控制编程方面下功夫，争取减少误差，提高数控车床的精度，才能保证数控车床制造产业的健康稳定发展，为企业带来更高更稳定的经济效益。参考文献[1]张淑梅.《数控车床加工精度的影响因素及提高措施》[J]内燃机与配件，2018，（03）：93-94.[2]杨皓天，万腾，刘瑶.《数控车