數控機床新技術(shù)特征更新日期：2019/12/19

數控系統技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數控機床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要，達到現代制造技術(shù)對數控技術(shù)提出的更高的要求，當前，世界數控技術(shù)及其裝備的發(fā)展主要體現為以下幾方面技術(shù)特征：

世界數控機床新技術(shù)特征數控系統技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數控機床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要，達到現代制造技術(shù)對數控技術(shù)提出的更高的要求，當前，世界數控技術(shù)及其裝備的發(fā)展主要體現為以下幾方面技術(shù)特征：

1．高速、高效

機床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實(shí)現高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。 20世紀90年代以來(lái)，歐、美、日各國爭相開(kāi)發(fā)應用新一代高速數控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉速15000－100000r/min)、高速且高加/減速度的進(jìn)給運動(dòng)部件(快移速度60~120m/min，切削進(jìn)給速度高達60m/min)、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術(shù)水平。隨著(zhù)超高速切削機理、超硬耐磨長(cháng)壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線(xiàn)電機驅動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(含監控系統)和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，為開(kāi)發(fā)應用新一代高速數控機床提供了技術(shù)基礎。目前，在超高速加工中，車(chē)削和銑削的切削速度已達到5000~8000m/min以上；主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬(wàn)r/min)以上；工作臺的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度)：在分辨率為1微米時(shí)，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率為0.1微米時(shí)，在24m/min以上；自動(dòng)換刀速度在1秒以?xún)?；小線(xiàn)段插補進(jìn)給速度達到12m/min。

2．高精度

從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(<10nm)，其應用范圍日趨廣泛。當前，在機械加工高精度的要求下，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm；精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm，提高到±1~1.5μm，甚至更高；超精密加工精度進(jìn)入納米級(0.001微米)，主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。這些機床一般都采用矢量控制的變頻驅動(dòng)電主軸(電機與主軸一體化)，主軸徑向跳動(dòng)小于2祄，軸向竄動(dòng)小于1祄，軸系不平衡度達到G0.4級。高速高精加工機床的進(jìn)給驅動(dòng)，主要有“回轉伺服電機加精密高速滾珠絲杠”和“直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)”兩種類(lèi)型。此外，新興的并聯(lián)機床也易于實(shí)現高速進(jìn)給。滾珠絲杠由于工藝成熟，應用廣泛，不僅精度能達到較高(ISO3408 1級)，而且實(shí)現高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當前使用滾珠絲杠驅動(dòng)的高速加工機床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。滾珠絲杠屬機械傳動(dòng)，在傳動(dòng)過(guò)程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應地造成運動(dòng)滯后和其它非線(xiàn)性誤差，為了排除這些誤差對加工精度的影響，1993年開(kāi)始在機床上應用直線(xiàn)電機直接驅動(dòng)，由于是沒(méi)有中間環(huán)節的“零傳動(dòng)”，不僅運動(dòng)慣量小、系統剛度大、響應快，可以達到很高的速度和加速度，而且其行程長(cháng)度理論上不受限制，定位精度在高精度位置反饋系統的作用下也易達到較高水平，是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅動(dòng)方式。目前使用直線(xiàn)電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208 m/min，加速度2g，并且還有發(fā)展余地。

3．高可靠性

隨著(zhù)數控機床網(wǎng)絡(luò )化應用的發(fā)展，數控機床的高可靠性已經(jīng)成為數控系統制造商和數控機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無(wú)人工廠(chǎng)而言，如果要求在16小時(shí)內連續正常工作，無(wú)故障率在P(t)＝99%以上，則數控機床的平均無(wú)故障運行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。我們只對一臺數控機床而言，如主機與數控系統的失效率之比為10:1(數控的可靠比主機高一個(gè)數量級)。此時(shí)數控系統的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數控裝置、主軸及驅動(dòng)等的MTBF就必須大于10萬(wàn)小時(shí)。當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時(shí)以上，驅動(dòng)裝置達30000小時(shí)以上，但是，可以看到距理想的目標還有差距。

4、復合化

在零件加工過(guò)程中有大量的無(wú)用時(shí)間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上，因此，復合功能的機床成為近年來(lái)發(fā)展很快的機種。柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后，機床便能按照數控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類(lèi)工藝方法或不同類(lèi)工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復雜形狀零件的主要乃至全部車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類(lèi)零件而言，加工中心便是最典型的進(jìn)行同一類(lèi)工藝方法多工序復合加工的機床。事實(shí)證明，機床復合加工能提高加工精度和加工效率，節省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。

5、多軸化

隨著(zhù)5軸聯(lián)動(dòng)數控系統和編程軟件的普及，5軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數控銑床已經(jīng)成為當前的一個(gè)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，由于在加工自由曲面時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)控制對球頭銑刀的數控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過(guò)程中始終保持合理的切速，從而顯著(zhù)改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3軸聯(lián)動(dòng)控制的機床無(wú)法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削，因此，5軸聯(lián)動(dòng)機床以其無(wú)可替代的性能優(yōu)勢已經(jīng)成為各大機床廠(chǎng)家積極開(kāi)發(fā)和競爭的焦點(diǎn)。最近，國外還在研究6軸聯(lián)動(dòng)控制使用非旋轉刀具的加工中心，雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。

6、智能化

智能化是21世紀制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、模糊控制、數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過(guò)程中模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能活動(dòng)，以解決加工過(guò)程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問(wèn)題。智能化的內容包括在數控系統中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應控制，工藝參數自動(dòng)生成；為提高驅動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動(dòng)識別負載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機界面等；智能診斷、智能監控，方便系統的診斷及維修等。世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統很多，其中日本智能化數控裝置研究會(huì )針對鉆削的智能加工方案具有代表性。

7、 網(wǎng)絡(luò )化

數控機床的網(wǎng)絡(luò )化，主要指機床通過(guò)所配裝的數控系統與外部的其它控制系統或上位計算機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接和網(wǎng)絡(luò )控制。數控機床一般首先面向生產(chǎn)現場(chǎng)和企業(yè)內部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet技術(shù)。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數字制造的概念。數字制造，又稱(chēng)“e-制造”，是機械制造企業(yè)現代化的標志之一，也是國際先進(jìn)機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著(zhù)信息化技術(shù)的大量采用，越來(lái)越多的國內用戶(hù)在進(jìn)口數控機床時(shí)要求具有遠程通訊服務(wù)等功能。機械制造企業(yè)在普遍采用CAD/CAM的基礎上，越加廣泛地使用數控加工設備。數控應用軟件日趨豐富和具有“人性化”。虛擬設計、虛擬制造等高端技術(shù)也越來(lái)越多地為工程技術(shù)人員所追求。通過(guò)軟件智能替代復雜的硬件，正在成為當代機床發(fā)展的重要趨勢。在數字制造的目標下，通過(guò)流程再造和信息化改造，ERP等一批先進(jìn)企業(yè)管理軟件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng )造出更高的經(jīng)濟效益。

8、柔性化

數控機床向柔性自動(dòng)化系統發(fā)展的趨勢是：從點(diǎn)(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(xiàn)(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車(chē)間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò )集成制造系統)的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標；注重加強單元技術(shù)的開(kāi)拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數控機床及其構成柔性制造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò )系統向開(kāi)放、集成和智能化方向發(fā)展。

9、綠色化

21世紀的金切機床必須把環(huán)保和節能放在重要位置，即要實(shí)現切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進(jìn)行，但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風(fēng)中或采用干式靜電冷卻技術(shù))不使用切削液進(jìn)行的切削。不過(guò)，對于某些加工方式和工件組合，完全不使用切削液的干切削目前尚難與實(shí)際應用，故又出現了使用極微量潤滑(MQL)的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中，已有10~15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類(lèi)的機床來(lái)說(shuō)，主要是采用準干切削，通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區。在各類(lèi)金切機床中，采用干切削最多的是滾齒機?？傊?，數控機床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為現代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著(zhù)高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)數控機床技術(shù)的發(fā)展和數控機床的廣泛應用，制造業(yè)將迎來(lái)一次足以撼動(dòng)傳統制造業(yè)模式的深刻革命。