數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)探析

朱驥

摘 要：在我國機(jī)床制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床是十分常見的工作設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)極其重要的地位。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生直接影響，具有高速、精密、智能、復(fù)合、多軸聯(lián)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能的數(shù)字化數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)是機(jī)床逐漸趨向高檔化的表現(xiàn)。高檔數(shù)控機(jī)床作為世界先進(jìn)機(jī)床設(shè)備的代表，其發(fā)展象征著國家目前的機(jī)床制造業(yè)占全世界機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先進(jìn)階段，因此國際上把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等高檔機(jī)床技術(shù)作為一個(gè)國家工業(yè)化的重要標(biāo)志。本文對(duì)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)特征和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，并探析數(shù)控機(jī)床未來發(fā)展的趨勢(shì)，提出關(guān)于我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的相關(guān)建議，目的是對(duì)數(shù)控機(jī)床在工業(yè)發(fā)展中的重要作用進(jìn)行分析和研究，希望對(duì)我國工業(yè)發(fā)展起到積極的參考作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和綜合國力，受重工業(yè)裝備發(fā)展水平的直接影響。數(shù)控技術(shù)當(dāng)前被廣泛應(yīng)用與現(xiàn)代工業(yè)和制造業(yè)等高精尖領(lǐng)域中，是制造技術(shù)及裝備的核心部分。機(jī)床作為當(dāng)前機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的主要設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為國內(nèi)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床是制造裝備業(yè)的工作母機(jī)，是先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。數(shù)控機(jī)床技術(shù)不僅是我國現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性技術(shù)，也是體現(xiàn)國家工業(yè)機(jī)械程度和精密程度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。許多發(fā)達(dá)國家對(duì)工業(yè)較為落后的國家實(shí)行數(shù)控技術(shù)及信息的封鎖戰(zhàn)略，將數(shù)控技術(shù)作為本國的內(nèi)部資源之一。通過多年的研究和探索，我國當(dāng)前在數(shù)控方面已經(jīng)獲得一些成就，但與發(fā)達(dá)國家相比仍處于落后的階段，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在國產(chǎn)機(jī)床占有率低的方面。

1 數(shù)控機(jī)床技術(shù)特征

1.1 整體設(shè)備重量低

數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)具有輕量化的特征，主要是因?yàn)槠淅谜w薄壁的結(jié)構(gòu)，比如在生產(chǎn)航天產(chǎn)品時(shí)，會(huì)對(duì)輕量化提出較高的要求，因其零件十分復(fù)雜、組件數(shù)量多、表面形狀特殊和過渡圓角半徑小等諸多因素的限制，所以利用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工是十分有效的方法，不但機(jī)動(dòng)性能有所提升，并且可以很大程度降低生產(chǎn)成本[1]。

1.2 性能高

具備高性能是數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的主要特征，主要用于加工難度較高的材料，如對(duì)材料和強(qiáng)度都要求較高的第四代軍用機(jī)，耐寒、抗高溫、防老化、韌性強(qiáng)、抗疲勞和防腐蝕是對(duì)該材料的要求，所以可以利用數(shù)控加工技術(shù)對(duì)鈦合金、復(fù)合材料、鋁合金和工程陶瓷等進(jìn)行加工，以達(dá)到其高性能的目標(biāo)。

1.3 加工精密程度高

精密化是我國數(shù)控機(jī)床技術(shù)具備的另一特征，并且在不斷提高加工精度的過程中，精密化程度也逐漸提升。如進(jìn)行航空飛行器中導(dǎo)航、控制等設(shè)備的加工時(shí)，有部分零件精密度較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以隨著精密化和輕量化的程度逐漸提升，推動(dòng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。

2 數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 補(bǔ)償誤差技術(shù)

加工過程中出現(xiàn)的誤差對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以隨著對(duì)加工產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，對(duì)產(chǎn)生誤差的重視程度也越來越高。數(shù)控機(jī)床加工所采用的補(bǔ)償誤差技術(shù)，能夠最大程度減小誤差和誤差對(duì)產(chǎn)品造成的影響，這需要對(duì)產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行深入研究。床身、立柱、主軸以及各種導(dǎo)軌等是組成數(shù)控機(jī)床的重要部分，這幾部分都可能在生產(chǎn)中產(chǎn)生誤差，補(bǔ)差誤差技術(shù)主要體現(xiàn)在誤差建模、誤差測(cè)量和誤差補(bǔ)償三個(gè)方面。其中最基礎(chǔ)的技術(shù)是誤差建模，這包括誤差元素建模和綜合建模兩項(xiàng)內(nèi)容，其次是誤差測(cè)量技術(shù)，這包含直接測(cè)量和間接測(cè)量，這兩項(xiàng)工作都是為最后的誤差補(bǔ)償技術(shù)創(chuàng)造條件。根據(jù)時(shí)間可以將誤差補(bǔ)償技術(shù)分為離線補(bǔ)償和實(shí)時(shí)補(bǔ)償，前者是以測(cè)量的誤差為依據(jù)，在后期進(jìn)行機(jī)床的誤差補(bǔ)償，這只適用于機(jī)床產(chǎn)生的穩(wěn)定誤差。如果是因溫度等原因產(chǎn)生的誤差必須進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，研究補(bǔ)差誤差技術(shù)是讓補(bǔ)償誤差工作更加有效、簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確[2]。

2.2 直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)

無需任何中間轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)電能向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的直接轉(zhuǎn)換，就是直線電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、效率高、噪音小以及組合性強(qiáng)是其主要的優(yōu)勢(shì)。交流直線電機(jī)是當(dāng)前在高精度數(shù)字機(jī)床上普遍應(yīng)用的設(shè)備，這種設(shè)備有直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)兩種，直線感應(yīng)電機(jī)成本較低，并且受到外界干擾影響的程度較低，同時(shí)也可以抗電磁干擾；永磁直線同步電機(jī)同時(shí)具備直線電機(jī)和永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)速度更快、體積更小、推力能量更大，所以是當(dāng)前高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)的首選。

2.3 五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前高檔數(shù)控機(jī)床的主要類型，也是航天航空等諸多重工業(yè)加工精密儀器時(shí)應(yīng)用的主要工具?！?+2”是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)模式，可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸與另外兩軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)。歐美和日本是進(jìn)口五洲聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的代表國家，其數(shù)控技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，由于國外技術(shù)封鎖和國內(nèi)缺乏工業(yè)基礎(chǔ)的原因，我國現(xiàn)在整體的數(shù)控技術(shù)水平較為落后，不過對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的研究腳步從未停止[3]。

3 數(shù)控機(jī)床技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1 性能逐步提升

機(jī)械行業(yè)性能指標(biāo)是通過精讀、速度和效率來體現(xiàn)，所以數(shù)控技術(shù)未來會(huì)在這些方面有更加顯著的提升，將多處理器作為控制系統(tǒng)的方法。與此同時(shí)要在提升機(jī)床動(dòng)、靜態(tài)性能方面加強(qiáng)研究力度，提出合理、有效的改善措施，以滿足不同客戶在機(jī)床使用方面的需要。數(shù)控系統(tǒng)中的群控制系統(tǒng)逐漸向柔軟化轉(zhuǎn)型，對(duì)物料流及信息流進(jìn)行調(diào)整，從而適應(yīng)生產(chǎn)的各項(xiàng)流程，最大程度發(fā)揮群控制系統(tǒng)的性能，簡(jiǎn)化加工程序，使數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向更加多元化。

3.2 趨向網(wǎng)絡(luò)化

隨著社會(huì)進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，各行各業(yè)都獲得巨大的發(fā)展空間和機(jī)遇，傳統(tǒng)工業(yè)也不例外，當(dāng)前大多數(shù)加工流程已經(jīng)將計(jì)算機(jī)技術(shù)加入其中，這為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展創(chuàng)造諸多有利條件，并且可以實(shí)現(xiàn)診斷故障和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.3 趨向智能化

智能數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)控制在未來會(huì)實(shí)現(xiàn)模糊控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制和自適應(yīng)控制等功能，并且將編程、故障診斷和參數(shù)設(shè)定相關(guān)系統(tǒng)都加入到數(shù)控系統(tǒng)中，對(duì)機(jī)床在告訴運(yùn)行時(shí)纏身的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和檢測(cè)，保證機(jī)床能夠正常、高速、穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)故障能夠及時(shí)反饋，以便進(jìn)行處理和解決，使數(shù)控機(jī)床的操控性大大提升[4]。

4 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展相關(guān)建議

我國機(jī)床行業(yè)在世界機(jī)床工業(yè)體系和全球機(jī)床市場(chǎng)中占有重要地位，但目前仍然不能算作機(jī)床強(qiáng)國。與世界機(jī)床強(qiáng)國相比，我國機(jī)床行業(yè)仍具有一定差距，尤其表現(xiàn)在中高檔機(jī)床競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。此外，受到國內(nèi)外復(fù)雜經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展回歸新常態(tài)，產(chǎn)業(yè)向中高端轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求迫切[5]。

4.1 生產(chǎn)重點(diǎn)產(chǎn)品

應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)航空航天裝備、汽車、電子信息設(shè)備等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的需求展開研究，幵發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床、先進(jìn)成形裝備及成組工藝生產(chǎn)線。包括：電子信息設(shè)備加工裝備、航空航天裝備大型結(jié)構(gòu)件制造與裝配裝備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造關(guān)鍵裝備、船舶及海洋工程裝備關(guān)鍵制造裝備、軌道交通裝備關(guān)鍵零部件成套加工裝備等產(chǎn)品。

4.2 研發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)

重點(diǎn)開發(fā)多軸、多通道、高精度插補(bǔ)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和智能化編程、具有自監(jiān)控、維護(hù)、優(yōu)化、重組等功能的智能型數(shù)控系統(tǒng)；提供標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)平臺(tái)，允許開發(fā)商、不同軟硬件模塊介入，具有標(biāo)準(zhǔn)接口、模塊化、可移植性、可擴(kuò)展性及可互換性等功能的開放型數(shù)控系統(tǒng)。

4.3 提高共性技術(shù)

近年來，機(jī)床制造基礎(chǔ)和共性技術(shù)研究不斷加強(qiáng)，產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)研究同步推進(jìn)。機(jī)床產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)技術(shù)、多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的成熟度有了很大提升。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究成果在高精度數(shù)控坐標(biāo)鏜床、立式加工中心等產(chǎn)品設(shè)計(jì)上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用；多誤差實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償和嵌入式數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)溶浻布到y(tǒng)在多個(gè)企業(yè)、多個(gè)產(chǎn)品上進(jìn)行了示范應(yīng)用，使數(shù)控機(jī)床精度得到了明顯提升[6]。

5 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，我國必須在數(shù)控技術(shù)和科技上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，擺脫傳統(tǒng)模式和觀念的束縛，將數(shù)控技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到管理和營(yíng)銷上，保證售后服務(wù)的質(zhì)量，將可持續(xù)發(fā)展觀融入到未來數(shù)控技術(shù)的研究中，以發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)作為探索目標(biāo)，在對(duì)我國制造行業(yè)水平進(jìn)行提升的同時(shí)，優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的模式，盡可能減小與發(fā)達(dá)國家數(shù)控技術(shù)之間的差異，將數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)中不僅能夠提高我國制造業(yè)的技術(shù)水平，更為我國未來發(fā)展提供動(dòng)力。現(xiàn)代制造業(yè)的蓬勃發(fā)展需要通過數(shù)控機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展作為基礎(chǔ)條件，與此同時(shí)，制造業(yè)隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展向高效、優(yōu)質(zhì)以及人性化的方向逐漸轉(zhuǎn)型。所以，未來因數(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，必將促使制造業(yè)迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇，展開一場(chǎng)撼動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)模式的深刻革命。

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