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智能制造時(shí)代數控機床的發(fā)展方向
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數控機床最早誕生于美國。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機葉片輪廓檢查用樣板的機床時(shí)，提出了數控機床的設想，后受美國空軍委托與麻省理工學(xué)院合作，于1952年試制了世界上第一臺三坐標數控立式銑床，其數控系統采用電子管。
1960年開(kāi)始，德國、日本、中國等都陸續地開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及使用數控機床，中國于1968年由北京第一機床廠(chǎng)研制出第一臺數控機床。
1974年微處理器直接用于數控機床，進(jìn)一步促進(jìn)了數控機床的普及應用和飛速發(fā)展。
1、高速化
隨著(zhù)汽車(chē)、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應用，對數控機床加工的高速化要求越來(lái)越高。
主軸轉速：機床采用電主軸，主軸最高轉速達200000r/min;
進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時(shí)，最大進(jìn)給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工;
運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數控系統向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開(kāi)發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數控系統，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時(shí)仍能獲得高達24～240m/min的進(jìn)給速度;
換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時(shí)間僅0.9s。
2、高精度化
數控機床精度的要求現在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動(dòng)精度、熱變形以及對振動(dòng)的監測和補償越來(lái)越獲得重視。
近10年來(lái)，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3~5μm提高到1~1.5μm，并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級。
提高CNC系統控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實(shí)現連續進(jìn)給，使CNC控制單位精細化，并采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度，位置伺服系統采用前饋控制與非線(xiàn)性控制等方法;
采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術(shù)，對設備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補償。研究結果表明，綜合誤差補償技術(shù)的應用可將加工誤差減少60%～80%;
采用網(wǎng)格檢查和提高加工中心的運動(dòng)軌跡精度，并通過(guò)仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長(cháng)期穩定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
加工精度的提高不僅在于采用了滾珠絲杠副、靜壓導軌、直線(xiàn)滾動(dòng)導軌、磁浮導軌等部件，提高了CNC系統的控制精度，應用了高分辨率位置檢測裝置，而且也在于使用了各種誤差補償技術(shù)，如絲杠螺距誤差補償、刀具誤差補償、熱變形誤差補償、空間誤差綜合補償等。
3、向柔性化，功能復合化及集成化方向發(fā)展
復合機床的含義是指在一臺機床上實(shí)現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點(diǎn)可分為工藝復合型和工序復合型兩類(lèi)。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合——加工中心、車(chē)銑復合——車(chē)削中心、銑鏜鉆車(chē)復合——復合加工中心等;工序復合型機床如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復合機床和雙主軸車(chē)削中心等。采用復合機床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時(shí)間以及中間過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場(chǎng)反應能力，相對于傳統的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。
加工過(guò)程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車(chē)削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車(chē)削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著(zhù)現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動(dòng)數控機床越來(lái)越受到各大企業(yè)的歡迎。在2005年中國國際機床展覽會(huì )上，國內外制造商展出了形式各異的多軸加工機床以及可實(shí)現4～5軸聯(lián)動(dòng)的五軸高速門(mén)式加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心等。
數控機床在提高單機柔性化的同時(shí)，朝單元柔性化和系統化方向發(fā)展，如出現了數控多軸加工中心、換刀換箱式加工中心等具有柔性的高效加工設備;出現了由多臺數控機床組成底層加工設備的柔性制造單元、柔性制造系統、柔性加工線(xiàn)。
在現代數控機床上，自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)工作臺交換裝置等已成為基本裝置。隨著(zhù)數控機床向柔性化方向的發(fā)展，功能集成化更多地體現在：工件自動(dòng)裝卸，工件自動(dòng)定位，刀具自動(dòng)對刀，工件自動(dòng)測量與補償，集鉆、車(chē)、鏜、銑、磨為一體的“萬(wàn)能加工”和集裝卸、加工、測量為一體的“完整加工”等。
4、控制智能化
隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿(mǎn)足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個(gè)方面：
加工過(guò)程自適應控制技術(shù)：通過(guò)監測加工過(guò)程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統的或現代的算法進(jìn)行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩定性狀態(tài)，并根據這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調整加工參數和加工指令，使設備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設備運行的安全性;
加工參數的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專(zhuān)家或技師的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規律，用現代智能方法，構造基于專(zhuān)家系統或基于模型的“加工參數的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準備時(shí)間的目的;
智能故障自診斷與自修復技術(shù)：根據已有的故障信息，應用現代智能方法實(shí)現故障的快速準確定位;
智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統的各種信息，對數控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問(wèn)題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗;
智能化交流伺服驅動(dòng)裝置：能自動(dòng)識別負載，并自動(dòng)調整參數的智能化伺服系統，包括智能主軸交流驅動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅動(dòng)裝置能自動(dòng)識別電機及負載的轉動(dòng)慣量，并自動(dòng)對控制系統參數進(jìn)行優(yōu)化和調整，使驅動(dòng)系統獲得最佳運行;
智能4M數控系統：在制造過(guò)程中，加工、檢測一體化是實(shí)現快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量、建模、加工、機器操作四者融合在一個(gè)系統中，實(shí)現信息共享，促進(jìn)測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
5、體系開(kāi)放化
向未來(lái)技術(shù)開(kāi)放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現有系統所采納、吸收和兼容，這就意味著(zhù)系統的開(kāi)發(fā)費用將大大降低而系統性能與可靠性將不斷改善并處于長(cháng)生命周期;
向用戶(hù)特殊要求開(kāi)放：更新產(chǎn)品、擴充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿(mǎn)足特殊應用要求;
數控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649，以提供一種不依賴(lài)于具體系統的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內的統一數據模型，從而實(shí)現整個(gè)制造過(guò)程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。標準化的編程語(yǔ)言，既方便用戶(hù)使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。
6、驅動(dòng)并聯(lián)化
并聯(lián)運動(dòng)機床克服了傳統機床串聯(lián)機構移動(dòng)部件質(zhì)量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動(dòng)性不夠等固有缺陷，在機床主軸與機座之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機構驅動(dòng)，通過(guò)控制桿系中桿的長(cháng)度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動(dòng)，可實(shí)現多坐標聯(lián)動(dòng)數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿(mǎn)足復雜特種零件的加工，具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數控技術(shù)以來(lái)在機床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀新一代數控加工設備”。
7、極端化
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀的戰略技術(shù)，需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。
8、信息交互網(wǎng)絡(luò )化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來(lái)說(shuō)，使數控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車(chē)間各個(gè)部門(mén)間暢通無(wú)阻是非常重要的。既可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源共享，又能實(shí)現數控機床的遠程監視、控制、培訓、教學(xué)、管理，還可實(shí)現數控裝備的數字化服務(wù)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱(chēng)為信息塔的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實(shí)現語(yǔ)音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線(xiàn)幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單元。
9、新型功能部件
為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：
高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動(dòng)機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無(wú)級調速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數控機床中已經(jīng)獲得廣泛的應用;
直線(xiàn)電動(dòng)機：近年來(lái)，直線(xiàn)電動(dòng)機的應用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統的伺服系統，但由于負載變化擾動(dòng)、熱變形補償、隔磁和防護等關(guān)鍵技術(shù)的應用，機械傳動(dòng)結構得到簡(jiǎn)化，機床的動(dòng)態(tài)性能有了提高。如：西門(mén)子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線(xiàn)電動(dòng)機已開(kāi)始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機床以及動(dòng)態(tài)性能和運動(dòng)精度要求高的機床等;德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅動(dòng)均采用兩個(gè)直線(xiàn)電動(dòng)機;
電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡(jiǎn)化數控機床的結構，具有傳動(dòng)環(huán)節少、結構緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。
10、高可靠性
數控機床與傳統機床相比，增加了數控系統和相應的監控裝置等，應用了大量的電氣、液壓和機電裝置，易于導致出現失效的概率增大;工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對數控機床的可靠性極為不利，而數控機床加工的零件型面較為復雜，加工周期長(cháng)，要求平均無(wú)故障時(shí)間在2萬(wàn)小時(shí)以上。為了保證數控機床有高的可靠性，就要精心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過(guò)維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節。國外數控系統平均無(wú)故障時(shí)間在7～10萬(wàn)小時(shí)以上，國產(chǎn)數控系統平均無(wú)故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國外整機平均無(wú)故障工作時(shí)間達800小時(shí)以上，而國內最高只有300小時(shí)。
11、加工過(guò)程綠色化
隨著(zhù)日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來(lái)越重要，而中國的資源、環(huán)境問(wèn)題尤為突出。因此，近年來(lái)不用或少用冷卻液、實(shí)現干切削、半干切削節能環(huán)保的機床不斷出現，并在不斷發(fā)展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場(chǎng)。
12、多媒體技術(shù)的應用
多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶(hù)界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶(hù)界面極大地方便了非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的使用，人們可以通過(guò)窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現。除此以外，在數控技術(shù)領(lǐng)域應用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實(shí)時(shí)監控系統和生產(chǎn)現場(chǎng)設備的故障診斷、生產(chǎn)過(guò)程參數監測等，因此有著(zhù)重大的應用價(jià)值。
國產(chǎn)數控機床缺乏核心技術(shù)，從高性能數控系統到關(guān)鍵功能部件基本都依賴(lài)進(jìn)口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng )出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數控機床制造商通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數控技術(shù)，但缺乏對機床結構與精度、可靠性、人性化設計等基礎性技術(shù)的研究，忽視了自主開(kāi)發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數控機床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數用戶(hù)的認可。
一些國產(chǎn)數控機床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機床與低效刀具為主，裝配調試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩定與提高。另外很多國產(chǎn)數控機床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無(wú)法形成足夠生產(chǎn)規模。如國外機床制造商能做到每周裝調出產(chǎn)品，而國內的生產(chǎn)周期過(guò)長(cháng)且很難控制。因此我們在引進(jìn)技術(shù)的同時(shí)應注意加強自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。
由于數控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長(cháng)遠利益，對提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷(xiāo)而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對生產(chǎn)的數控機床缺乏足夠了解，不會(huì )使用或使用不好數控機床，更不能指導用戶(hù)使用好機床;有的對先進(jìn)高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶(hù)自然對制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應從研究用戶(hù)的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類(lèi)型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶(hù)進(jìn)行設備選型，推薦先進(jìn)工藝與工輔具，配備專(zhuān)業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶(hù)發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶(hù)的認同，提高國產(chǎn)數控機床的市場(chǎng)占有率。
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