數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展策略分析

李文化 牛石從 李樹(shù)鵬 陳帥 王明智

摘要：數(shù)控機(jī)床的精密程度和操作效率對(duì)整個(gè)制造業(yè)具有深遠(yuǎn)的影響，并且數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)化和智能化也是制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的新風(fēng)向。數(shù)控加工技術(shù)提高了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，但是相比于西方先進(jìn)國(guó)家的數(shù)控機(jī)床技術(shù)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)和制造方面還存在著一定的差距，本文對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析，并就數(shù)控機(jī)床技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)以及發(fā)展策略進(jìn)行了全面的闡述，以期為我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供參考。

Abstract： The precision and operation efficiency of CNC machine tools have a far-reaching impact on the whole manufacturing industry， and the automation and intelligence of CNC technology is also the new trend of the future development of manufacturing industry. CNC machining technology has improved the development of China's manufacturing industry， but compared with the CNC machine tool technology of western advanced countries， there is still a certain gap in the design and manufacturing of China's CNC machine tools. In this paper， the development status and existing problems of CNC machine tools are analyzed in detail， and the future development trend and development strategy of CNC machine tools are comprehensively elaborated In order to provide reference for the development of CNC machine tools in China.

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

Key words： CNC machine tools;development trend;development strategy

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0071-03

0? 引言

通過(guò)數(shù)控機(jī)床不斷完善和發(fā)展，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，并且極大的推進(jìn)了人們信息化和自動(dòng)化的進(jìn)程。在1952年，美國(guó)相關(guān)科研人員將計(jì)算機(jī)技術(shù)成功的應(yīng)用在機(jī)床制造方面，研發(fā)出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床具有數(shù)字化控制系統(tǒng)，能夠?qū)τ趥鹘y(tǒng)循環(huán)往復(fù)的重復(fù)工作進(jìn)行自動(dòng)控制，從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。隨后經(jīng)過(guò)不斷的完善和產(chǎn)品更迭，數(shù)控系統(tǒng)能夠完成越來(lái)越復(fù)雜精密的任務(wù)，并且數(shù)控系統(tǒng)更像自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)六代的發(fā)展變得更加高效和智能。

1? 數(shù)控機(jī)床工作原理及組成

實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)工作需要以下幾個(gè)步驟，首先應(yīng)了解數(shù)控機(jī)床加工零件最終的相關(guān)尺寸和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和相關(guān)的變量進(jìn)行系統(tǒng)的控制，因此通過(guò)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行加工零件工序的編程，形成具有較好邏輯的加工程序。通過(guò)這一程序，相當(dāng)于對(duì)數(shù)控機(jī)床提供了加工指引，然后對(duì)機(jī)床的加工狀況和控制模式進(jìn)行調(diào)整，檢查機(jī)床的工作環(huán)境以及具體設(shè)備運(yùn)行狀況，確保冷卻系統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作。最后通過(guò)不同部件的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)加工順序和軌跡的移動(dòng)，從而得到圖紙中設(shè)計(jì)的零件。想要實(shí)現(xiàn)上述多個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，應(yīng)該對(duì)數(shù)控機(jī)床的組成進(jìn)行具體探究。

2? 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程

由于國(guó)外對(duì)于數(shù)控機(jī)床的發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，并且對(duì)于機(jī)床的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的領(lǐng)域均進(jìn)行不斷的改造和探究，主要研發(fā)數(shù)控機(jī)床的廠家大多位于發(fā)達(dá)水平較高的德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家。在研發(fā)的道路上，數(shù)控機(jī)床的劃分可以分為三個(gè)階段，首先對(duì)于輕型的十字架型機(jī)床進(jìn)行研究，在成熟商用的基礎(chǔ)上又研制出門型機(jī)床。隨后，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)于大型產(chǎn)品的加工有更高的要求，國(guó)外研發(fā)出龍門行大型數(shù)控機(jī)床從而能夠?qū)崿F(xiàn)大體積器件的加工，有效的提高了工作效率。在上述三個(gè)階段中，根據(jù)不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)多種機(jī)床型號(hào)，從而在社會(huì)發(fā)展中對(duì)應(yīng)的各行各業(yè)均有較強(qiáng)的應(yīng)用。目前，德國(guó)的一系列廠商對(duì)于數(shù)控銑床工藝研發(fā)水平較高，比如在龍門行機(jī)床中專門安置機(jī)械手臂切割裝置，配合五軸控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手臂靈活工作，伴隨著精密度的升高，能夠生產(chǎn)出更加復(fù)雜的零件。與此同時(shí)，在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，還伴隨有感應(yīng)器和跟蹤探頭，能夠?qū)\(yùn)行的軌跡進(jìn)行模擬分析做出及時(shí)地調(diào)整，從而使數(shù)控機(jī)床更加智能化。

由于數(shù)控機(jī)床對(duì)于國(guó)家的發(fā)展至關(guān)重要，我國(guó)也出臺(tái)了較多的相應(yīng)政策來(lái)支撐該技術(shù)的發(fā)展，并且在企業(yè)的不斷創(chuàng)新引領(lǐng)下，中國(guó)數(shù)控機(jī)床也得到快速的壯大和發(fā)展，使得制造業(yè)在國(guó)際上有更多的話語(yǔ)權(quán)。數(shù)控機(jī)床規(guī)模從2015年得到快速的攀升，截至2018年，數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)突破3000億元，年增幅高達(dá)10%。我國(guó)進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床多以立式加工為主，隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷成熟，我國(guó)也出口較多類型的機(jī)床，比如彎曲折疊矯正等功能的機(jī)床。這些機(jī)床在2018年出口量達(dá)27.4萬(wàn)臺(tái)，因此這也說(shuō)明了我國(guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)較為重視，并且在數(shù)控領(lǐng)域得到較好的發(fā)展，將機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)完全的應(yīng)用到車床、磨床、銑床等各種類型加工機(jī)械。

3? 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)

3.1 高效率、高精度

一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以支持多種零件的加工，加工不同的零件，只需調(diào)整相關(guān)控制程序，即可進(jìn)行多模式的生產(chǎn)，不僅節(jié)約了生產(chǎn)的時(shí)間，同時(shí)能夠強(qiáng)化數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。由于數(shù)控機(jī)床具有更快的加工效率，并且大大簡(jiǎn)化了加工人員的布局，不僅能為企業(yè)降低生產(chǎn)的效率，同時(shí)還能縮短生產(chǎn)的周期，能夠更適應(yīng)市場(chǎng)的波動(dòng)，做出快速的產(chǎn)品生產(chǎn)戰(zhàn)略布局。

國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床能夠根據(jù)不同領(lǐng)域的需要進(jìn)行針對(duì)性的升級(jí)，因此能夠?qū)δ＞摺⒅圃?、機(jī)械加工等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)更高的加工精度，因此對(duì)于精度較高的相關(guān)器件均可以采用國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，由于精度的提升，能夠使產(chǎn)品的質(zhì)量得到有效的保障。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，不僅支持X軸和Y軸的變動(dòng)，同時(shí)能夠配合Z軸進(jìn)行3D的加工控制，因此對(duì)于復(fù)雜的零件能夠進(jìn)行精密的加工。數(shù)控機(jī)床對(duì)于曲面弧面、拋物線等多種形狀尺寸均能進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，與此同時(shí)控制模式還包含多個(gè)維度坐標(biāo)軸之間的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，并且控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)信息的處理進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，因此對(duì)于復(fù)雜的曲線曲面能夠做到較為完美的加工。此外，機(jī)床的精準(zhǔn)度高，因此能夠使加工過(guò)程中節(jié)約加工材料，避免加工產(chǎn)生的資源浪費(fèi)。

3.2 制造更加自動(dòng)化和智能化

數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)控制自動(dòng)化，操控人員進(jìn)行編程后，即能讓機(jī)床自動(dòng)化執(zhí)行加工操作，因此可以大大的降低工作強(qiáng)度。數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代化管理中有較好的應(yīng)用，將數(shù)控機(jī)床本身的控制模式和運(yùn)轉(zhuǎn)信息添加在計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中，能夠便于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)管理一體化，因此對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)管理提供較好的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床有效的實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化過(guò)程，并且該自動(dòng)化過(guò)程并不是一成不變，而是通過(guò)相關(guān)零件的不同設(shè)置和不同型號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，通過(guò)計(jì)算機(jī)的記憶儲(chǔ)存能力，將相應(yīng)程序和代碼進(jìn)行自動(dòng)執(zhí)行，對(duì)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)只需要對(duì)執(zhí)行程序的切換即可實(shí)現(xiàn)快速的工作。這些自動(dòng)化呈現(xiàn)出來(lái)的特征，我們稱為柔性自動(dòng)化，基于此，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)產(chǎn)品的范圍較普通機(jī)床有質(zhì)的提升。通過(guò)工序的自動(dòng)判定和優(yōu)化，能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬等過(guò)程使材料的加工工序更加科學(xué)，從而減少了零件在機(jī)床或者車間反復(fù)的傳送搬運(yùn)等復(fù)雜操作。加工過(guò)程中如果發(fā)生較大的偏差或者機(jī)械故障以及系統(tǒng)錯(cuò)誤，能夠自動(dòng)的報(bào)警，并且數(shù)控機(jī)床安裝多枚傳感器能夠進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控以及固件檢測(cè)等多種功能，即使無(wú)人看管，也能穩(wěn)定的運(yùn)行。由于數(shù)控機(jī)床涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)于操控人員的專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)要求顯著提升，并且維護(hù)保養(yǎng)的工作難度增加，因此需要注重操控管理人員自身的能力。

4? 數(shù)控機(jī)床發(fā)展策略分析

4.1 增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化能力

從宏觀角度看，國(guó)家相關(guān)的民用機(jī)械，軍用設(shè)備的制備和研發(fā)要借助數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，因此國(guó)家對(duì)于數(shù)控機(jī)床技術(shù)掌握的能力對(duì)國(guó)家的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。通過(guò)將信息技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，能夠使傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)具備新型的加工能力。如果在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床中加入信息化控制模組，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的管理，那么能夠使加工更加高效，并且使加工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與世界接軌。比如運(yùn)用信息技術(shù)使用CAD等計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，信息化行業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)硬件得到快速的普及，因此在硬件之上搭建出完善的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件成為人們?cè)诙喾N設(shè)計(jì)行業(yè)的剛需，因此這些軟件的誕生有效的填補(bǔ)市場(chǎng)的空白，加快了整個(gè)設(shè)計(jì)行業(yè)的生產(chǎn)效率和能力。由此可以看出，在傳統(tǒng)機(jī)床中進(jìn)行信息革命升級(jí)改造能夠大幅度提高機(jī)床設(shè)備的加工能力。而我國(guó)對(duì)于信息技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為滯后，在1995年數(shù)控機(jī)床占有率僅有1.9%，而同比日本在1994年數(shù)控機(jī)床的占有率已高達(dá)20%，而經(jīng)過(guò)20余年的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，我國(guó)在數(shù)控機(jī)床信息化智能化等領(lǐng)域的應(yīng)用也有較大的突破，這更加對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行改造提供了良好的條件，因此從宏觀角度上也說(shuō)明，需要加快數(shù)控機(jī)床改造的步伐。

4.2 優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)

我國(guó)數(shù)控機(jī)床中的數(shù)控系統(tǒng)可以分為兩類，一種是直接引用國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)，比如采用日本、德國(guó)等公司的成熟數(shù)控器件，直接安裝在國(guó)產(chǎn)的機(jī)床架構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的制備。另一種是在引用國(guó)外先進(jìn)數(shù)控裝置和技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自主的研發(fā)和制備，比如國(guó)內(nèi)華中數(shù)控等企業(yè)，通過(guò)不斷的吸收國(guó)外數(shù)控經(jīng)驗(yàn)，目前制備出的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)這兩類數(shù)控系統(tǒng)而言，國(guó)外直接引進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格較高，如果對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控升級(jí)，采用國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)，雖然能夠保證性能的可靠強(qiáng)勁，并且該數(shù)控系統(tǒng)擁有較長(zhǎng)的壽命和穩(wěn)定性。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前雖然對(duì)于大功率伺服電機(jī)控制的能力仍有待加強(qiáng)，但已經(jīng)能夠保障工業(yè)生產(chǎn)的基本需求。控制系統(tǒng)支持不同的驅(qū)動(dòng)模式和控制單元，支持?jǐn)?shù)字式交流單元以及三相異步電機(jī)的控制。并且該系統(tǒng)配備了7.4英寸的彩色液晶顯示系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)的交互更加順暢，并且對(duì)實(shí)時(shí)加工的進(jìn)展以及后續(xù)控制的模式進(jìn)行調(diào)動(dòng)，因此友好豐富的界面以及人性化個(gè)性化的系統(tǒng)特征，能夠適配多種工業(yè)生產(chǎn)的需要。

4.3 增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的研發(fā)創(chuàng)新能力

我國(guó)制造業(yè)較為發(fā)達(dá)，并且對(duì)于勞動(dòng)力和相應(yīng)制造業(yè)的資源價(jià)格均有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，應(yīng)抓住這一優(yōu)勢(shì)，快速的進(jìn)行制造業(yè)的升級(jí)和改革，將制造大國(guó)這一標(biāo)簽展示出澎湃的創(chuàng)新力。雖然有上述這些優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于相關(guān)數(shù)控機(jī)床的自主技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)能力方面仍有待提升，由于發(fā)展的周期較發(fā)達(dá)國(guó)家短，并且綜合應(yīng)用機(jī)電一體化能力較弱，因此需要我國(guó)對(duì)數(shù)控機(jī)床行業(yè)進(jìn)一步增加重視度，加強(qiáng)相關(guān)科研人才的培養(yǎng)，對(duì)于企業(yè)運(yùn)行的模式和服務(wù)的思維進(jìn)行改革，從而使我國(guó)數(shù)控機(jī)床的核心科技。但在發(fā)展過(guò)程中，需要注重逐步開(kāi)展穩(wěn)定前行，先從中端的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)，在完全掌握該技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行高端數(shù)控機(jī)床的探索，從而一步步的由制造轉(zhuǎn)變成智造，從中國(guó)制造強(qiáng)國(guó)變成創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)。

5? 加速數(shù)控機(jī)床的全面升級(jí)改造

對(duì)于小型軸類盤(pán)類等零件加工，在市場(chǎng)中多采用CA6140型車床，該車床可以控制主軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切削速度的調(diào)整，并且該車床的刀架也可以進(jìn)行橫向縱向的綜合性進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)方向的加工。并且在換刀點(diǎn)能夠自動(dòng)改變不同的刀具，使得傳統(tǒng)普通加工模式也較為快速。該車床中有潤(rùn)滑泵和冷卻泵，能夠較好的控制加工的溫度，防止產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)潤(rùn)滑泵能夠使車床各部件的工作更加順暢。通過(guò)控制主軸的啟停和旋轉(zhuǎn)狀況，從而能夠使刀架按照一定的速度進(jìn)行移動(dòng)。上述這些特征均可以作為數(shù)控系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)，對(duì)于該車床的相關(guān)資料以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究，進(jìn)而制定出較為完善的改造方案。

5.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)改造

普通機(jī)床改造過(guò)程中，對(duì)于原有的傳動(dòng)系統(tǒng)和變速系統(tǒng)可以給予保留，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床也需要這一套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。可以將該系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的結(jié)合，從而減少改造料，并且節(jié)約改造成本。除此以外，對(duì)于主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造應(yīng)注重自動(dòng)化程度的提升，能夠在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制切削的速度和切削的模式。將該型號(hào)機(jī)床中的主軸電機(jī)進(jìn)行替換，采用交流調(diào)速電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速功能，從而對(duì)自動(dòng)化檔位的控制提供較好的基礎(chǔ)。

5.2 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)做到較高的信號(hào)控制時(shí)效性，并且對(duì)于數(shù)據(jù)處理的速度和相關(guān)指令的傳遞符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。由于自行開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)難度較高，需要較多的人力物力進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)的研制，可以直接采用市面上較為成熟的數(shù)控系統(tǒng)，比如型號(hào)為NIM-9702的數(shù)控系統(tǒng)。

5.3 刀架的相關(guān)設(shè)計(jì)

刀架必須有良好的結(jié)構(gòu)，從而能夠保障車床切削以及加工的性能，本研究中采用的刀床為臥室刀床，將刀架的方案替換成自動(dòng)換刀方案，這樣能夠和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，采用的刀架為四工位螺旋轉(zhuǎn)位刀架，因此能夠滿足車床自動(dòng)化控制的需要。

6? 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床不僅實(shí)現(xiàn)高精度且高效率的工作，在當(dāng)今發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于數(shù)控機(jī)床也賦予了新的任務(wù)，目前需要數(shù)控機(jī)床更加智能化開(kāi)放化，并且結(jié)合信息時(shí)代進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，從而使控制更加便捷，管理更加高效，生產(chǎn)過(guò)程變得更加綠色和環(huán)保，這些發(fā)展方向均為未來(lái)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了較為清晰的目標(biāo)。

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