【分享】智能制造時代數控機床的12個發(fā)展趨勢，你知道么？
【編者按】目前，數控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成為數控機床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制造大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的比較優(yōu)勢，而在產品的技術創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數控產業(yè)不能安于現狀，應該抓住機會不斷發(fā)展，努力發(fā)展自己的先進技術，加大技術創(chuàng)新與人才培訓力度，提高企業(yè)綜合服務能力，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日實現數控機床產品從低端到高端、從初級產品加工到高精尖產品制造的轉變，實現從中國制造到中國創(chuàng)造、從制造大國到制造強國的轉變。
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，提出了數控機床的設想，后受美國空軍委托與麻省理工學院合作，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(tǒng)采用電子管。
1960年開始，德國、日本、中國等都陸續(xù)地開發(fā)、生產及使用數控機床，中國于1968年由北京第一機床廠研制出第一臺數控機床。
1974年微處理器直接用于數控機床，進一步促進了數控機床的普及應用和飛速發(fā)展。
1.高速化
隨著汽車、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越高。
(1)主軸轉速：機床采用電主軸(內裝式主軸電機)，主軸最高轉速達200000r/min;
(2)進給率：在分辨率為0.01μm時，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工;
(3)運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數控系統(tǒng)，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時仍能獲得高達24～240m/min的進給速度;
(4)換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在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，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。
2.高精度化
數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。
近10年來，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始進入納米級(0.001μm)。
(1)提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術，以微小程序段實現連續(xù)進給，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(日本已開發(fā)裝有106脈沖/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機，其位置檢測精度可達到0.01μm/脈沖)，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法;
(2)采用誤差補償技術：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，對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%～80%;
(3)采用網格檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過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，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量。
加工精度的提高不僅在于采用了滾珠絲杠副、靜壓導軌、直線滾動導軌、磁浮導軌等部件，提高了CNC系統(tǒng)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，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。根據其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合——加工中心、車銑復合——車削中心、銑鏜鉆車復合——復合加工中心等;工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期，提高了生產效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產方法具有明顯的優(yōu)勢。
加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車削、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。隨著現代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯動數控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。在2005年中國國際機床展覽會(CIMT2005)上，國內外制造商展出了形式各異的多軸加工機床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實現4～5軸聯動的五軸高速門式加工中心、五軸聯動高速銑削中心等。
數控機床在提高單機柔性化的同時，朝單元柔性化和系統(tǒng)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(FMC)(Flexible Manufacturing Cell,簡稱FMC)、柔性制造系統(tǒng) flexible manufacturing system(FMS)、柔性制造線(Flexible Manufacturing Line,FML)。
在現代數控機床上，自動換刀裝置、自動工作臺交換裝置等已成為基本裝置。隨著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：工件自動裝卸，工件自動定位，刀具自動對刀，工件自動測量與補償，集鉆、車、鏜、銑、磨為一體的“萬能加工”和集裝卸、加工、測量為一體的“完整加工”等。
4.控制智能化
隨著人工智能技術的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化的發(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方面：
(1)加工過程自適應控制技術：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據這些狀態(tài)實時調整加工參數(主軸轉速、進給速度)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;
(2)加工參數的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現代智能方法，構造基于專家系統(tǒng)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、縮短生產準備時間的目的;
(3)智能故障自診斷與自修復技術：根據已有的故障信息，應用現代智能方法實現故障的快速準確定位;
(4)智能故障回放和故障仿真技術：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產經驗;
(5)智能化交流伺服驅動裝置：能自動識別負載，并自動調整參數的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數進行優(yōu)化和調整，使驅動系統(tǒng)獲得最佳運行;
(6)智能4M數控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個系統(tǒng)中，實現信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
5體系開放化
(1)向未來技術開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協議，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(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期;
(2)向用戶特殊要求開放：更新產品、擴充功能、提供硬軟件產品的各種組合以滿足特殊應用要求;
(3)數控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數據模型，從而實現整個制造過程乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。
6.驅動并聯化
并聯運動機床克服了傳統(tǒng)機床串聯機構移動部件質量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業(yè)自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸(一般為動平臺)與機座(一般為靜平臺)之間采用多桿并聯聯接機構驅動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能，更能滿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。并聯機床作為一種新型的加工設備，已成為當前機床技術的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數控技術以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數控加工設備”。
7.極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎產業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰(zhàn)略技術，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(車、銑、磨)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.信息交互網絡化
對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監(jiān)視、控制、培訓、教學、管理，還可實現數控裝備的數字化服務(數控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設備，包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等，能夠實現語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線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：
(1)高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優(yōu)點，在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用;
(2)直線電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用，機械傳動結構得到簡化，機床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯機床以及動態(tài)性能和運動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均采用兩個直線電動機;
(3)電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數控機床的結構，具有傳動環(huán)節(jié)少、結構緊湊等一系列優(yōu)點。
10.高可靠性
數控機床與傳統(tǒng)機床相比，增加了數控系統(tǒng)和相應的監(jiān)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)電網電壓的波動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，要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性，就要精心設計系統(tǒng)、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數控系統(tǒng)平均無故障時間在7～10萬小時以上，國產數控系統(tǒng)平均無故障時間僅為10000小時左右，國外整機平均無故障工作時間達800小時以上，而國內最高只有300小時。
11.加工過程綠色化
隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節(jié)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(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領更多的世界市場。
12.多媒體技術的應用
多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(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現。除此以外，在數控技術領域應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監(jiān)測等，因此有著重大的應用價值。
國產數控機床缺乏核心技術，從高性能數控系統(tǒng)到關鍵功能部件基本都依賴進口，即使近幾年有些國內制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產品的功能、性能的可靠性仍然與國外產品有一定差距。近幾年國產數控機床制造商通過技術引進、海內外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進數控技術，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的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產數控機床的技術水平、性能和質量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數用戶的認可。
一些國產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，加工質量在生產進度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產數控機床制造商的生產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)無法形成足夠生產規(guī)模。如國外機床制造商能做到每周裝調出產品，而國內的生產周期過長且很難控制。因此我們在引進技術的同時應注意加強自身工藝技術改造和管理水平的提升。
由于數控機床產業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長遠利益，對提高自身的綜合服務水平不夠重視，甚至對服務缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務。有些企業(yè)派出的人員對生產的數控機床缺乏足夠了解，不會使用或使用不好數控機床，更不能指導用戶使用好機床;有的對先進高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對制造商缺乏信心。制造商的服務應從研究用戶的加工產品、工藝、生產類型、質量要求入手，幫助用戶進行設備選型，推薦先進工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓人員和良好的培訓環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機床的最大效益、加工出高質量的最終產品，這樣才能逐步得到用戶的認同，提高國產數控機床的市場占有率。
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