数控机床发展趋势

数控机床发展趋势

数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。近年来，机械加工行业大量采用数控机床进行机械加工，普通机床逐渐被数控机床所代替，数控机床已成为机械制造企业必不可少的技术装备。数控机床是综合微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电子和电力、精密测量、气压、液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品。数控机床的高精度、高效率、柔性自动化等特点决定了其有着广泛的应用前景，发展数控机床技术、开发高档的数控机床也是我国目前一项重要工作。

自1952年美国帕劳森公司与美国麻省理工学院联合试制成功第一台三坐标数控立式铣床以来，数控机床经历了将近60年的发展历程。根据数控系统的发展，数控机床经历了以下几代的变化。

第一代数控（1952—1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；

第二代数控（1959—1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；

第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；

第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；

第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的数控系统；

第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。

随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，以及先进制造技术的兴起，机械加工对数控加工技术提出了更高要求，目前数控机床主要发展趋势表现在如下的几个方面。

1）高速化

在保证零件精度和质量前提下，提高加工效率和减少数控机床非增值时间是提高生产率的有效手段。使机床工作在更高主轴转速，更快坐标移动速度和动态影响速度下工作，则是提高加工效率和加工精度的最好途径。而主轴电机和直线电机的应用为提高了数控机床的加工速度提供了必不可少的条件。

经过数十年的发展，数控机床快速行程已从24m/min提高到240m／min，由于采用了新型刀具，车削和铣削速度已达800-lO00m／min，主轴转速由1200-1600r／min提高到3000-500Or ／min，有些加工中心则达到lO0000r／min以上。数控磨床的砂轮线速度已达到100-200m／s。工作台的移动速度(进给速度)，在分辨率1μm时为100m／min(有的到200m／min)以上，在分辨率0.1μm时，为24m／min以上。高档数控机床可在1s内实现2000-10000次进给速度的改变。小线段插补进给速度达到12m／min。为提高加工效率，自动换刀速度在1s以内。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

目前普通级中等规格加工中心的定位精度已达到士0.002-0.O05mm／全程，普通级加

工精度已达到士2μm～5μm。国外数控系统的设定单位由1μm发展到0.1μm和0.01μm。超精密加工则进入纳米(O．O01pm)级,从而要求数控机床的主轴回转精度为0.01-0.O5μm,加工圆度为0.1μm，加工表面粗糙度Ra=0.003μm。故要求传感装置必须开发超高分辨率的编码器以及以0．0001pm为最小设定单位的数控装置。为在加工中即使负荷变动，伺服系统的特性也保持不变，还需采用适应控制。在伺服系统的控制中，用高速微处理器进行现代控制论的前馈控制，其数字伺服系统的跟踪误整不超过2μm。

1902年，日本FANUC公司在庆祝该公司成立20周年新成果展示会上展示了纳米级加工的全套技术，即以l5个系统为基础，能够顺利执行每个脉冲当量为0.001μm的伺服单元、伺服

电机、气浮丝杠、气浮主轴等部件，能检测纳米级精度的高精度检测反馈系统，这是世界上第—个真正实现纳米级加工的成套技术。

3）柔性化

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。目前，全球FMS安装的平均增长率已达到29％左右。为了满足机械行业向更高层次发展，数控技术必须向柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统及自动化工厂提供基础装备，要求数控机床不仅能完成单一工序的加工，而且能够具有自动测量，自动换刀，自动换箱(主轴头)、自动补偿以及自动更换工件等功能，并可实现无人看管的运转。

随着数控系统的不断发展，数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展,与此同时也要注重实用性与经济性相结合。

4）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。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。例如，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。

5）智能化

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统正向着智能化方向发展。数控机床智能化包含在线测量、监控和补偿。智能机床的开发，是在纳米化、高速化、复合化、五轴联动化等浪潮之后的一个新的发展，为今后进一步研究开发适应控制、FMS、CIM、CIMs 创造了更多有利的条件，为将来发展工厂自动化具有很大的影响和促进作用。

数控机床智能化技术主要有：

(1)自动抑制振动的功能。在高速加工过程中，机床容易出现振动，刀具也易于磨损，该机能自动抑制振动，大大提高了加工精度。

(2)自动测量和自动补偿功能。减少高速主轴、立柱、床身热变形的影响，使机床加工精度大大提高。

(3)自动防止刀具和工件碰撞的功能。

(4)自动补充润滑油和抑制噪音的功能。

(5)数控系统具有特殊的人机对话功能。在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等，进一步提高了切削效率。

(6)机床故障能进行远距离诊断。

(7)智能化交流伺服驱动技术。目前已研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能化主轴交流驱动装置和进给伺服驱动装置，使驱动系统获得最佳运行。

智能化技术提升了数控机床的功能和品质，数控机床智能化的发展前景非常广阔。它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标，也是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。预计在21世纪前半期，有可能在现有机床技术上实现单台机床的“适应控制”，并逐步向制造系统发展；在后半期，有可能建立

不同程度智能化技术水平的CIM、CIMS，其发展时间的快慢，取决于人类的努力和科学技术水平的提高。

6）高可靠性

数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，他主要取决于数控系统的各伺服驱动单元的可靠性。高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠。因为数控机床是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16h内连续正常工作，无故障率P(t)在99％以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000h。

我国数控机床的可靠性相对于国外还存在着较大的差距，国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，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。

7）绿色化

绿色机床提出一种全新的概念，大幅减少机床重量，节省材料，同时降低机床使用时的能源消耗。绿色机床关注数控机床与环境和人的关系，强调节能减排，确保在大幅度提高机床生产效率的同时降低生产系统对环境的负荷以及对操作者健康的危害。因此，绿色机床具有以下几大特点：

(1)机床主要零部件由再生材料制造。

(2)机床的重量和体积减少50% 以上。

(3)通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少3O% ～40% 。

(4)使用过程中产生的各种废弃物减少5O% ～6O% ，保证基本没有污染的工作环境。

(5)报废后机床的材料100 %可回收。

据统计，目前机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25％左右，各种损耗和辅助功能占去大部分。机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床。传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机床重量”。因此，现有机床重量的8O %用于保证机床的刚度，而只有2O %用于满足机床运动学的需要。绿色机床就是要在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量，达到省材、节能的目的。

就目前的现状而言，我国自主研发的数控机床与国外的数控机床仍然存在着很大的差距，70% 以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。而且进口机床的发展势头强劲，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。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，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因素是导致国产机床缺乏竞争力的主要原因。

虽然，我国数控技术的发展起步较晚，经过半个多世纪的发展，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，1998～2004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%和34.9%。与此同时，2008年我国政府将“高档数控机床与基础制造装备”列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》16个重大专项之一，为我国中、高档数控机床的发展创造了条件，各数控机床生产企业应以此为契机，自主研制适合现代机械加工行业需求的机床设备。

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