现代数控机床的发展趋势

现代数控机床的发展趋势发布时间：2013-11-12 15:57:30 | 编辑： 浏览：96 【字号：大 中 小】 1)高精度化
随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的 出现、更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺。从精密加工发展到超精密加工，是世 界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10mn),其应 用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛 光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。
近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由土 lOpm提高到士 5pm;精密级加工中心 的加工精度则从士（3?5)pm提高到士（1?1.5)^m，甚至更髙；超精密加工的精度进人纳米 级（O.OOl^m)。目前高档数控机床定位精度（全行程）已达0.004?0.006mm，重复定位 精度0.002?0.003mm,主轴回转精度要求达到0. 01?0. 05pm，加工圆度为(X lpm，加工 表面粗糙度凡=0. 003pm等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴，主轴径向 跳动小于2pm，轴向窜动小于1/im，轴系不平衡度达到GO. 4级。
提高数控机床的加工精度，一般可通过减少数控系统的误差和采用机床误差补偿技术等 方法来实现。在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率、提髙位置 检测精度、在位贾伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法；在机床误差补偿技术方 面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿和刀具补偿等技术外，还可对设备热变形进行误差 补偿。另外，伺服系统的质量直接关系到数控机床的加工精度。现代数控机床采用了交流数 字伺服系统，并采用新型控制理论可实现髙速响应伺服系统。
(2) 高速化
高速数控加工源于20世纪90年代初，以电主轴（实现高主轴转速）和直线电机（实现 高直线移动速度）的应用为特征，使得主轴转速大大提高，进给速度可达60?120m/min。
20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快了机床 高速化发展步伐。电主轴转速可达到15000?lOOOOOr/min,髙速且髙加/减速度的进给运动 部件的快移速度达到60?120m/min，切削进给速度高达60m/min，进给的加速度和减速度 达到lg?2#。目前车削和铣削的切削速度已达到5000?8000m/rnin以上，工作台的移动速 度，当分辨率为lMm时，在100m/min (有的到200m/min)以上；当分辨率为ai^m时， 在24m/min以上。自动换刀速度在Is以内，小线段插补进给速度达到12m/min。如日本新 泻铁工所生产的UHSIO型超高速数控立式铣床主轴鉍高

转速高达lOOOOOr/min，中等规
格 加工中心的快速进给速度从过去的8?12m/min提高到60rn/min。加工中心换刀时间从5? 10s减少到小于ls，而工作台交换时间也由过去的12?20s减少到2. 5s以内。
要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速 处理，以计算出伺服电机的移动量。同时要求伺服电机能高速度地做出反应，采用32位及 64位微处理器，是提高数控系统高速处理能力的有效手段。实现数控设备高速化的关键是 提高切削速度、进给速度和减少辅助时间。
(2) 高柔性化
采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产周期，适应市场变化需 求和提高竞争能力的有效手段。数控机床在提髙单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统 柔性化的方向发展。如出现了可编程控制器（PI.C)控制的可调组合机床、数控多轴加工中 心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效加工设备、柔性加工单元 (FMC)、柔性制造系统（FMS)以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTU。
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；另一方面向注重应用性和经济性 方向发展。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。其重点是以提高系统的可靠 性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAPP、CAM、MTS连接，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能 化方向发展。
(3) 高自动化
高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成规定的任务，它包括物料 流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从 “点”、“线”向“面”、“体”的方向发展。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备、投资 过大、回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的髙自动化并向着 FMC, FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进 一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断等方面进 一步发展。
(4) 智能化
为适应制造业生产柔性化、自动

化发展的需要，智能化正成为数控设备研究及发展的热 点，它
不仅贯穿于生产加工的全过程（如智能编程、智能数据库、智能监控），还贯穿于产 品的售后服务和维修中，目前采取的主要技术措施如下。
①自适应控制技术自适应控制可根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工 系统能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度，同时也能提高刀 具的使用寿命和设备的生产效率，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控刀削过程中的 刀具磨损、破损、切肩形态、切削力及零件的加工质量等，向制造系统反馈信息，通过将过 程控制、过程监控、过程优化结合在一起，实现自适应调节。
②专家系统技术将专家经验和切削加工的一般规律与特殊规律存入计算机中，以加 工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加 工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作人员的技术要 求，缩短生产准备时间。如日本牧野公司在电火花数控系统MAKIN(>MCE20中，用带自 学习功能的神经网络专家系统代替操作人员进行加工监视。
③故障自诊断、自修复技术在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其 相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报 警，提示发牛.故障的部位、原因等。并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，而接通备 用模块，以确保在无人化环境下工作的要求。
④智能化交流伺服驱动技术目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智 能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳
运行。
⑤模式识别技术应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命 令进行加工。 ..
(6)复合化
在零部件一体化程度不断提髙、数量不断减少的同时，加工的产品形状日益复杂。另 外，产品周期的缩短要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，以满足各种各样产品的加 工需求，这就要求1台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少 工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积， 减少零件传送和库存，保证加工精度和节能降耗的要求。
复合化包含工序复合化和功能复合化。在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件 搬运、上下料、安装调幣、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们 希

望将不同的加工功能整合在同一台机床上。数控机床的发展已模糊了粗、精加工工序的概 念。加工中心的出
现，又把车、铣、镗等工序集中到一台机床上来完成，打破了传统的工序 界限和分开加工的工艺规程，可最大限度地提高设备利用率。为了进一步提高工效，现代数 控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加 工，如各类五面体加工中心。另外，现代数控系统的控制轴数也在不断增加，有的多达15 轴，其同时联动的轴数已达6轴。沈阳机床股份有限公司开发的五轴车铣中心，刀库容量 16，可控X、y、Z、B, C五个轴，具有车削中心加铣削中心的特点。上海重型机床厂开发 的双主轴倒顺式立式车削中心，第一主轴正置，第二主轴倒捋。主轴具有C轴功能，采用 12工位动力刀架，具有自动上下料装置和全封闭等多道防护装置，可一次上料完成零件的 正反面加工，包括车削、镗孔、钻孔、攻螺纹等多道工序，适用于大批量轮毂、盘类零件加 工。日本森精机公司于2008年推出的适合特长和大直径工件加工的复合加工机床NT6600 DCG,该机型最大加工直径为1070mm，'/轴的行程达到660mm，Z轴的快速进给速度达到 32m/min,还采用了 ATC向主轴移动方式，这样刀具更换时间缩短到了 10s以内。同时， 由于所配中心架的Z轴及X轴均为伺服驱动，可通过手动或者程序使其移动，因此可减少 中心架校正作业时间。此外，NT6600 DCG运用第二主轴与中心架的同步控制，省去了起 重机以及手工作业，可减少花费在准备工作上的人工及时间。
图1-18所示的车削加工中心借助+同结构的刀具转塔可以进行车削、铣削等加工工序， 从图1-18U)可见，在车削工作时，有两个12把刀具的刀架可以完成各种复杂的车削工序。 在铣削工作时，刀架转过90°，两个由电主轴驱动的铣头可在不同方向进行铣削加工，如图 M8(b)所示。这样就完成了一个零件的全部加工工序。
现代的复合机床主要归结为：第一类以铣削为基础的复合加工机床，由加工中心发展演 变而来；第二类以车削为基础的复合加工机床，由车削中心发展演变而来；第三类是针对某 一类零件加工而研发的专用复合加工机床，是为适合较大批量生产零件专门设计的机床。另 外还有将激光加工、超声波加工、热处理等各种工艺组合而成的复合加工机床。










(7)高可靠性
随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控 机床制造商追求的目标。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，无故障率在P(/) = 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间（MTBF)就必须大 于3000h。对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率
之比为10 : 1 (数控的可靠比 主机髙一个数量级），此时数控系统的MTBF就要大于33333.3b，而其中的数控装置、主 轴及驱动等的MTBF就必须大于105h。而当前国外数控装置的MTBF已达6000h以上，驱 动装咒达30000h以上。 ..11'
为了提高数控机床的可靠性，数控系统采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大 规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数景，提高可靠性。通过硬件功能软件化， 以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列 化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在 线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断 和报繁。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以 实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外发 生时，自动进行相应的保护。
(8) 网络化
数控机床的网络化，主要是指机床通过所配装的数控系统与外部的其他控制系统或上位 计算机进行网络连接和网络控制。随着信息化技术在数控机床上的大量采用，越来越多的国 内用户在进口数控机床时要求具有远程通信服务等功能。
为了适应FMC、FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，先进的CNC系统为用户提 供了强大的联网能力，除有RS232串行接口、RS422等接口外，还带有远程缓冲功能的 DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。现代 数控机床为了适应自动化技术的进一步发展和工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂 家不同类型数控机床联网的需要，已配备与工业局域网（LAN)通信的功能以及MAP (manufacturing automation protocol,制造自动化协议）接口，为现代数控机床进入FMS 及CIMS创造了条件，促进了系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、遥控及远程故 障诊断成为可能。不仅利于数控系统生产厂对其产品进行监控和维修，也适于大规模现代化 生产的无人化车间实行网络管理，还适于在操作人员不宜到现场的环境（如对环境要求很高 的超精密加工和对人体有害的环境）中工作。
利用计算机技术和网络通信技术，机床制造商可以建立机床远程技术支持体系，实现工 况信息的传输、存储、查询和显示，以及远程智能诊断。基

于网络连接，机床用户可以及时 获得机床制造商的远程技术支持，机床制造商可准确有效地得到用户方的机床工况资料数 据，进行机床状态的网上在线诊断，实现机床全生产周期服务的开放式
网络监控服务，可以 提高售后服务效率，并有助于及时改进产品的质量。
(9) 绿色化
现代数控机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。目前 这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，通过干切削、准干切削、硬切削等措施避免 切削液污染环境和危害工人健康。
干切削一般是在大气氛围中进行的，但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采 用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。干切削需要机床具有足够的刚性和锋利的 刀具，仅适用于加工某些形状比较简单的铣削和车削工序。对于某些加工方式和工件组合， 完全不使用切削液的干切削目前尚难于实际应用，故又出现了使用微量润滑（minimal quantity lubrication, MQL)的准干切削（near dry machining)。MQL 切削是指将压缩气体 (空气、氮气、二氧化碳等）与极微量的润滑油混合气化后，形成微米级的液滴，喷射到加 工区进行有效润滑的一种切削加工方法。切削液的用景一般仅为0.03?0.2L/H (传统湿法 切削的用量为20?lOOL/min)，可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，防止黏 结，延长刀具寿命，提高加工表面质量。MQL适用范围较广，可用于各种加工方法（如钻 削、铣削、车削和磨削等），但需要专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），以及专门的润 滑剂。目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10%?15%的加工使用了干切削和准干切削。 对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常 是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在 各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。
(10)开放式体系结构
20世纪90年代以后，计算机技术的飞速发展推动数控机床技术更快地更新换代，世界 上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控 系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编 程、图形扫描自动编程等，其新一代数控系统的硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由 于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统集成得到有力的 支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广

泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机 床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构上不 必变动，使数控系统有更好的通用性、柔性、适
应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发 展。许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS)与空军共同领导的 “下一代工作站/机床控制器体系结构（NGC)”，欧盟的“自动化系统中开放式体系结构 (OSACA)”，日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到了应用，如Cincinnati-Milacron公 司就从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系 结构的A2100系统。