數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢簡析

郭佳勝　夏國鋒

[摘要]：結(jié)合世界上數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀提出了如：高精度與高可靠性、高速加工與高效率、高柔性化、綠色化、智能化、數(shù)字制造等一系列數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢，并針對各個發(fā)展趨勢環(huán)節(jié)做以細(xì)致分析歸納。

[關(guān)鍵詞]：先進(jìn)制造技術(shù) 數(shù)控機(jī)床 發(fā)展趨勢 現(xiàn)狀

一、高精度與高可靠性

（一）高精度

由于航天、航空等高端工業(yè)行業(yè)對產(chǎn)品精密度要求的不斷提高，促使當(dāng)前世界各工業(yè)大國的精密加工階躍到超精密加工階段，其加工精度從微米級到亞微米級乃至納米級。一般的數(shù)控機(jī)床是通過高速主軸和高速坐標(biāo)驅(qū)動來實現(xiàn)上述加工精度要求的。

（二）高速主軸

高速主軸是高速機(jī)床中最為關(guān)鍵的部件，高速主軸多采用電機(jī)和主軸一體化設(shè)計的高速電主軸（HSES）或復(fù)合電主軸。軸承作為電主軸的關(guān)鍵部件，它決定了電主軸的壽命和負(fù)載容量。高質(zhì)量的鋼軸承現(xiàn)仍有使用，但隨主軸轉(zhuǎn)速需求的不斷提高，出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)、新材料的高速應(yīng)用軸承，如混合球軸承、磁浮、氣浮和液體靜動壓軸承等。

高主軸轉(zhuǎn)速并不是高速加工的全部。而對電主軸的大功率、高轉(zhuǎn)矩和高剛性的需要也應(yīng)考慮在內(nèi)，同時還應(yīng)能控制主軸的溫升等。由于用戶的不斷需求推動了主軸制造技術(shù)的進(jìn)步，也將引導(dǎo)主軸制造技術(shù)向輕結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高剛性、良好的動平衡和熱控制方向繼續(xù)發(fā)展。

（三）高速坐標(biāo)驅(qū)動

高速高精加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動，一般要求容易移動，快速響應(yīng)，準(zhǔn)確定位和具有高重復(fù)定位精度。故采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)溜板、線性導(dǎo)軌和直線伺服電機(jī)驅(qū)動具有十分重要得意義。

目前，直線伺服電機(jī)己被公認(rèn)為未來機(jī)床坐標(biāo)驅(qū)動的最佳形式，但由于其價格、散熱及磁場對周圍灰塵和切屑的吸附作用等原因，非常廣泛被應(yīng)用還得經(jīng)過一段時間，但這也正是未來發(fā)展的研究改進(jìn)方向。

二、高可靠性

可靠性在成為數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)之后，就自然而然的變成數(shù)控行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床的可靠性取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動單元的可靠性。數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。機(jī)床本體可靠性的提高可通過硬件功能軟件化，適應(yīng)各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)機(jī)床本體的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化及系列化，既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。

（一）高速加工與高效率

數(shù)控機(jī)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)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。

三、多功能與柔性化

（一）多功能

在現(xiàn)實的零件加工過程中，有大量的無用時間消耗在工件搬運(yùn)、裝卸、調(diào)整、換刀和主軸的升降速上，為了盡可能減少這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機(jī)床上。因此多功能復(fù)合型機(jī)床的產(chǎn)生實現(xiàn)了工序的集約化。主要表現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床配有自動換刀機(jī)構(gòu)，能在同一臺機(jī)床上同時實現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等多種工序加工；數(shù)控機(jī)床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工；數(shù)控系統(tǒng)由于采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級中斷控制方式，即可在一臺機(jī)床上同時進(jìn)行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的“前臺加工，后臺編輯”。故多功能機(jī)床成為近年來發(fā)展很快的機(jī)種。

（二）柔性化

數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展，一方面是從點（數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床）、線（FMC，F(xiàn)MS，F(xiàn)TL，F(xiàn)ML）向面（工段車間獨立制造島）、體（分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，作為柔性自動化系統(tǒng)的引申，具有可移植性、互操作性、互交換性、可擴(kuò)展性、可比例換算、可重用性等優(yōu)點，它使機(jī)器制造商能夠并敢于為他們專門的自動化設(shè)計優(yōu)化選配組件，從而在短的時間內(nèi)實現(xiàn)創(chuàng)造性設(shè)計。

四、綠色化與多軸化

21世紀(jì)要實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床切削加工環(huán)保化和節(jié)能化，就必須對加工工藝進(jìn)行綠色化改進(jìn)。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，因為切削液既污染環(huán)境又危害操作者健康。于是我們采用干切削，就是在一般的大氣氛圍或在特殊氣體氛圍氮氣、冷風(fēng)中進(jìn)行，而不使用切削液進(jìn)行的切削。不過，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尚難于實現(xiàn)，所以又出現(xiàn)了使用極微量潤滑的準(zhǔn)干切削。

隨著編程軟件的普及，五軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床己經(jīng)成為當(dāng)前的一個開發(fā)熱點。由于在加工自由曲面時，五軸聯(lián)動控制對球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡單，并且能使球頭銑刀在銑削三維曲面的過程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。

五、智能型

隨著無人加工的普及應(yīng)用智能化加工的發(fā)展成為必然，人工智能化加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。目前人工智能化主要表現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)以下幾個方面：①為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化。②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化。③簡化編程、簡化操作的智能化。④智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

六、工藝適用性的專門化數(shù)控機(jī)床正不斷涌現(xiàn)

隨著機(jī)械產(chǎn)品的性能優(yōu)化和輕量化，其零件和構(gòu)件的形狀、尺寸和精度呈現(xiàn)多樣性，很難用少數(shù)幾種標(biāo)準(zhǔn)的、通用的機(jī)床結(jié)構(gòu)來最佳地滿足多方面的工藝要求。通過對機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使對不同類型的零件加工具有最佳的適用性，避免一方面出現(xiàn)不能發(fā)揮最佳性能，另一方面又存在功能冗余的現(xiàn)象。

七、結(jié)語

數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，促使制造業(yè)向著高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)將迎來一次足以撼動傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。

參考文獻(xiàn)：

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