数控机床技术的最新发展
机制13班钟宏声 [1**********]16
摘要：本文简述了当今时代对数控机床技术的需求以及我国与世界先进国家的差距，重点阐述了数控机床技术的最新发展情况并对我国发展数控技术提出了相应的建议。
关键词：数控技术最新发展
Abstract ：This article describes the needs of the technology of Nunerical Control in the model and the gap between China and the advanced counties in the world, it describes the current developing situation of the technology of Nunerical Control amply and puts propose at the development of the technology of Nunerical Control in China.
Key words：the technology of Nunerical Control, the current developing situation.
一、引言
随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量也提出了越来越高的要求。随着社会对产品的多样化需求的增强，产品种类不断增多，更新换代的速度也越来越快，这使得数控机床在生产中的应用越来越广泛，同时对数控机床的数控系统、伺服驱动系统及主机结构提出了更高的要求。特别是柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成技术的不断成熟，对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制技术的应用提出了更高的要求，高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势。
二、我国数控机床技术发展现状
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近３００万台），但我们的机床数控化率仅达到１．９％左右，这与西方工业国家一般能达到２０％的差距太大。日本不到８０万台的机床却有近１０倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国２１世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床３０００～４０００台，日本１年产５万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口７０００～９０００台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。
我国数控机床制造业在８０年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳。从１９９５年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在１９９９年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。但也反映了下列问题：
（１） 低技术水平的产品竞争激烈；
（２） 高技术水平、全功能产品主要靠进口；
（３） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；
（４） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；
（５） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
三、数控机床技术的最新发展成果
近几年来，数控机床技术在实用化和产业化等方面取得可喜的成绩，主要表现在以下几个方面。
（1）复合化。复合化加工通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间，从而提高机床生产率。复合化加工还可以减少辅助程序，减少夹具和加
工机床数量，对降低整体加工和机床维护费用也有利。复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床复合化发展的趋势是尽可能将零件所有的工序集中在一台机床上加工。复合加工的另一领域是与非刀具切削的复合，例如切削加工与激光加工技术的复合。
随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣——车复合加工、车——镗——钻——齿轮加工等复合加工、车磨复合加工、成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。
（2）智能化。智能化加工是一种基于知识处理理论和技术的加工方式，发展智能加工的目的是要解决加工过程中众多不确定性的、要求人工干预才能解决的问题。计算机软硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。
数控加工智能化趋势有两个方面：一方面是采用自适应控制技术，以提高加工质量和效率。把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运行达到最优。其主要的追求目标是：保护刀具和工件，适应材料的变化，改善尺寸控制，提高加工精度，保持稳定的质量，寻求最高的生产率和最低的成本消耗，简化零件程序的编制，降低对操作人员经验和熟练程度的要求等；另一方面是在现代数控机床上装备有多种监控和检测装置，对工件、刀具等进行监测，实时监视加工的全部过程，发现工件尺寸超差、刀具磨损或崩刃破损，便立即报警，并给予补偿或调换刀具。在故障诊断中，除了采用专家系统外，还将模糊数学、神经网络应用其中，取得了良好的效果。
（3）高柔性化。柔性是指机床适应加工对象变化的能力。提高数控机床柔性化正朝着两个方向努力：一是提高数控机床的单机柔性化，二是向单元柔性化和系统柔性化发展。
机器人使柔性化组合效率更高，机器人与主机的柔性化组合使得柔性更加灵活、功能进一步扩展、加工效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床等组成多种形式的柔性生产线，并以开始应用。
（4）高精度化。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。目前数控机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm ）提升到目前的微米级（0.001mm ），有些品种已达到0.01um 左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05um 左右，形状精度可达到0.01um 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001um ），主轴回转精度要求达到0.01-0.05um ，加工圆度为0.1um ，加工表面粗糙度Ra=0.003um等。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制、温度和振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。
（5）高速化。电主轴的发展实现了主轴的高转速，直线电动机的发展实现了坐标轴的高速移动，如加工主轴转速超过了每分钟1万转，工作台快速移动速度超过了100m/min。功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。目前我国立式加工中心主轴最高转速由6000-8000r/min提高到10000-15000r/min，最高可达24000r/min；快速进给从16m/min提高到24-40m/min，最高可达60m/min。采用直线电机驱动时可达到最高300m/min。加速度达到3G 至10G 的水平。数控车床主轴最高转速从3000r/min提高到4500r/min，车削中心最高达7000r/min；快速进给从8m/min提高到15m/min，最高可达40m/min；国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达20000-100000r/min。全数字交流伺服电动机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电动机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大地提高了数控机床的技术水平。
（6）多功能化。现代数控系统由于采用了多CPU 结构和分级中断控制方式，因此在一台数控机床上可以同时进行零件加工和程序编制。同时为了适应自动化技术的不断发展，适应工
厂自动化越来越大的要求，为了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中，机床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。一般的数控系统都具有RS-232C 和RS-422高速远距离串行接口，通过网卡连成局域网，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。如SIMMENS 公司的Sinumeric850/880系统设置有SINEC H1网络接口和MAP 网络接口，通过网络接口可将数据系统连接到SINMENS 的SINEC H1网络和MAP 工业局域网络中。FANUC 公司的FANUC15系统也配置了类似的网络接口，为了便于接入工业局域网，还可配置MAP 3.0接口板。
（7）性能可靠化。由于现代机床CNC 系统的模块化、标准化、通用化和系列化，便于组织批量生产，有利于保证产品质量。现代CNC 系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件的数量，降低了功耗，从而提高了可靠性。通过完善的故障诊断功能，实现对系统内软硬件及外部设备的故障诊断和报警。利用报警提示及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计来实现故障自恢复；利用监控检测技术，对发生超程、刀具损坏、过热、干扰、断电等各种意外自动进行相应保护，从而保证数控机床可靠的工作。当前国外数控装置的平均无故障运行时间（MTBF ）以达到6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，可靠性大为增强。
（8）插补和补偿方式多样化。目前数控机床已可实现多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO 插补、NURBS 插补、样条插补等。同时还可实习多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。
（9）微型化。随着微型技术在科研、军事领域的应用需求日益增大，微型机械与微机电系统的研究已成为必然趋势。目前工业发达国家在数控系统微型化上已经取得了许多成果。日本Fanuc 公司生产的加工加工微型零件的ROBOnanoui 五轴联动加工中心以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀可加工出直径为1mm 的人脸浮雕；精微塑性成型加工技术成功地制造出多种微型器件，例如螺纹直径为20-50um 的微小螺丝；日本还研发出重量约34kg ，体积为625mm ×490mm ×380mm 的微型机械制造厂。
（10）满足用户需求多元化。用户界面是数控系统和用户之间对话的接口，由于用户需求不同，故开发用户界面工作量极大，成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET 、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。柔性的用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。同时实现了科学计算可视化，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要的意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，在自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示方面给用户带来了极大的方便。多媒体技术的广泛应用，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息能力，可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产参数监测等方面有着重大应用价值。
（11）加工过程绿色化。随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。
（12）造型宜人化。造型宜人化是一种新的设计思想和理念。它将功能设计、人机工程学与工业美学有机地结合起来，是技术与经济、文化、艺术的协调统一，其核心是使产品变为更具魅力的商品，引导人们进入一种新的工作环境。
（13）系统开放化。随着技术、市场、生产组织结构的快速变化，对数控机床，特别是数控系统提出许多更新、更高的要求，特别是数控系统的重构能力、设计模式、开放性设计有了很多新的需要。为了适应新需要，数控系统的开放化模式的形成和发展已成必然趋势。欧美和日本针对此趋势在自动化领域的开放式体系结构上做了不少开发研究工作。
美国政府为了增强其制造业的持久发展能力和国际市场的竞争力，在1989到1994年期间由国防部委托马丁-马瑞塔航天研究所开展NGC 计划研究。NGC 计划的主要技术课题是开放系统结构和中性语言。这标志着数控系统进入了开放化时代。美国的GM 、Ford 、Cnysler 公司与数控系统生产厂商合作，开展了OMAC 项目研究，目的是开展以PC 为基础的开放式模块化数控系统，实现开放性、模块化、可塑性和可维护性。
1991年10月，欧洲开始了ESPRIT 中的一项自动化系统中的开放式控制系统结构规范的研究计划，即OSACA 计划。
日本于1994年12月成立了通产省外围组织IROFA 下属的NC 开放化政策委员会，有11家企业参加，以开放型NC 装置的定义及参考模型的制作为主要研究课题。同年，由东芝机械、丰田工机、山崎、日本IBM 、三菱电机和SML 发起成立了OSE 研究会。其主要工作是制定开放式数控系统体系结构和安装规约，进行实验验证和标准化活动。目前已经取得了丰硕的成果。
四、结束语
高技术数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达的国家至今仍限制向中国出口。当前，我国自主研发高档数控系统的发展和产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已在很大程度上制约了国民经济的发展，威胁到了国防安全，我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。
参考文献：
[1]周延佑机床技术发展的新动向[J] 世界制造技术与装备市场，2013
[2]何文立数控机床技术发展战略研究[M] 北京：国家机械工业局，2000
[3]黄伟数控技术及应用[M] 北京：清华大学出版社，2011
[4]任玉田新编机床数控技术[M] 北京：北京理工大学出版社，2008