數控機床技術的五大方向和三大差距
數控機床功能不斷豐富,采用了工序、工藝集中化和復合化技術;機床在結構布局和新材料應用方面都有了新發展...
圍繞質量、效率和工藝變革的要求，我國機械制造工藝裝備——主要是數控設備在技術層面發生了深刻的變化。數控機床功能不斷豐富，采用了工序、工藝集中化和復合化技術;機床在結構布局和新材料應用方面都有了新發展;數控技術在開放化、智能化、網絡化、高速高精化方面取得了新發展。其目的都是為了提高生產效率，提高精度，保證質量和實現效益最大化。
不斷追求高質量和高效率是機械制造業研究的永恒主題和目標，是促進其工藝裝備發展的源動力。工藝要求和變革是機械制造工藝裝備技術發展創新和變革的根據和基礎。
國產數控機床走過了50年發展的漫長歷程，在近10年來得到了較快發展，特別是得到了政府的重視，設立了重大技術攻關專項，有效地促進了數控機床的發展。
目前，國產數控機床可供品種達1500多種，覆蓋了數控金屬切削機床、數控板材加工機床(數控沖壓機床、數控激光加工機床、火焰切割機床等)、數控電加工機床、工業機器人、三坐標測量機等，種類基本齊全。2010年數控金屬切削機床保有量約為150萬臺(其中進口超過40萬臺)，僅金屬切削機床的年產量就超過了16萬臺、2011年1~10月份累計達到21.8萬臺、全年可達到25萬臺左右。國產品牌數控機床的數量和價值占國內市場50%以上。在代表先進技術水平的五軸聯動和復合加工中心、數控系統和其他配套技術產品方面也都取得了新進展。本文主要圍繞數控技術發展與差距展開討論。
追求高生產率
為了追求機械制造的高生產率，促進數控設備向加工復合化(工序復合和工藝復合)、高速化、智能化、網絡化、工藝參數優化方向發展。
1復合化
數控機床復合加工，主要指工序集中化、復合化和工藝復合化。
1.1工序集中化、復合化
自從20世紀70年代末，隨著三聯動加工中心開始用于機械制造，開始進入機械加工工序集中化時代。20世紀80年代，我國自制的三聯動加工中心也開始在機械制造中得到應用，主要是用于箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實現鏜、銑、鉆、攻絲等多道工序，提高了加工效率和精度。
2000~2011年是我國數控機床發展最快的時期。在此期間，自主開發了五軸聯動加工中心、車銑復合加工中心、車銑磨復合加工中心和磨削復合加工中心等。有的國內制造廠商已經能夠提供五軸聯動和多軸聯動復合加工中心等，但有一些是屬于重大專項攻關產品，有待進一步商品化和產業化。
1.1.1五軸聯動加工中心
國內生產五軸聯動加工中心的廠家正在不斷增加。如沈陽機床廠生產的GMC2590μ橋式五軸聯動加工中心、VM22120μ立式五軸加工中心、VMC05656e門式五軸加工中心、HS664RT五軸高速加工中心;大連機床產生的VDM500五軸立式加工中心;北京機電院生產的XKR32G五軸聯動加工中心和XKH800五軸聯動葉片加工中心;濟南二機床生產的XV2525×60高架式五軸聯動加工中心等都能實現一次安裝完成零件的銑、鏜、鉆、鉸、攻絲等多道工序。
開發五軸聯動加工中心有2個關鍵核心部件技術難度較大，一個是雙擺角萬能加工頭;一個是雙軸回轉臺(見圖2)。這2種部件國內廠商也已開發出來，但有待進一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用于大型機床，雙擺軸回轉臺用于小型機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機，并裝有編碼器，以提高動態性能和精度。
雙擺角萬能加工頭技術難度更大一些。國內某廠商開發的一種直驅雙擺角萬能頭的主要參數如下：
額度扭矩：A軸500~1000Nm(可選)、C軸660~2000Nm(可選);
定位精度：±2“、±2.5”、±3“、±5”(可選);
絕對編碼器分辨率：26位、29位(可選);
擺角范圍：A軸±110°、C軸±360°。
我國還沒有形成雙擺角萬能頭系列化商品，而國際上像德國CYTEC公司可以供應系列化商品。
1.1.2車銑復合加工中心
車銑復合加工中心既有在數控車床基礎上開發出來的，也有在立式加工中心基礎上開發出來的。如南京數控機床有限公司生產的CK1840S型車銑復合加工中心是在數控車床基礎上開發出來的。該機床具有雙主軸、雙刀架、雙C軸和W軸，共7軸，分為二組三聯動全閉環控制。其中C軸分辨率達到0.001°。該機床對回轉體零件一次裝卡可完成車削、分度偏心鉆削、定位銑削等多道工序，即1臺車銑復合加工中心能完成2臺數控車床的加工工序，提高效率1倍，且因能減少二次安裝誤差而提高了精度。安陽鑫盛機床股份有限公司生產的CX110立式車銑復合加工中心，是在立式加工中心基礎上增加車削裝置開發出來的。該機床具有車、鏜、銑、鉆、鉸、攻絲等功能，可實現五軸聯動的五面加工。此外大連機床開發的VHT800五軸聯動車銑復合加工中心、CHD25五軸聯動車銑復合加工中心;武漢重型機床集團公司開發的WHGS7000車銑復合加工中心等，也都能實現零件一次裝卡，完成復雜結構和復雜型面零件的多道工序加工。
1.1.3車銑磨復合加工中心
寧波海天精工機械有限公司開發的HTM-V120L數控立式車銑磨復合加工中心，工件一次裝卡可完成車、銑、磨多道工序，還可進行重切削高精度加工，適合用于大型軸承加工。
1.1.4車銑磨齒輪加工復合中心
有的車削中心在回轉刀架上安裝了第二主軸和砂輪軸。在第二主軸上也可安裝齒輪刀具加工軸齒輪和蝸輪，甚至可以實現五軸聯動，用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。
1.1.5磨削復合加工中心
上海機床廠有限公司開發的H405-BE型數控復合磨床，采用西門子數控系統分別控制砂輪架和工作臺進給，頭架主軸旋轉和砂輪架旋轉，具有外圓磨削和砂輪架自動分度等功能。一次裝卡可完成內外圓和端面自動循環磨削。
1.2工藝復合
工藝復合加工在國內還不多見。沈陽機床集團SCHIESS公司開發的VTM3501立式車銑磨及激光淬火復合加工中心。可實現車、鏜、鉆、攻絲、銑、磨及激光淬火等加工。該機床把冷加工工藝和熱加工工藝復合在一起，大幅提高了生產效率。
據有關資料顯示，1臺五軸聯動加工中心或多工序復合加工中心比三聯動加工中心能提高生產效率1倍以上。多軸聯動和復合加工不但能提高生產效率，而且減少了二次安裝誤差，提高了精度和質量。國內已經可以生產五軸聯動加工中心和多軸聯動復合加工中心，但有些屬重大攻關產品還有待進一步商品化和產業化。
2高速化
為實現數控加工高速化，傳動系統采用直驅技術，數控系統采用高速運算處理技術。
2.1直驅技術
為了提高生產效率，數控機床傳動部件逐步采用直驅技術。主軸采用電主軸直驅，進給采用直線電機驅動，回轉工作臺采用力矩電機直驅，五軸聯動的擺角萬能頭采用力矩電機直驅等。
早在2000年以前，我國就開始了直驅技術的研究與開發。目前山東博特精工股份有限公司和洛軸研科技股份有限公司都能生產和供應電主軸系列產品，北京首科凱奇電氣技術有限公司也開發了直線電機。用戶對以上產品性能和技術指標反應良好，但與國外先進水平相比還有差距。
目前，國外先進的電主軸單元轉速可達15000~100000r/min，一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機直驅的進給部件既要求速度高，還要求有高的加減速功能。快速移動速度可達60~200m/min，加速度達2g~10g;工作進給可高達60m/min以上，加速度達1g~2g。采用傳統的滾珠絲杠傳動的進給部件的進給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g;一般情況下，進給速度為30m/min左右。直驅比用滾珠絲杠驅動的進給速度提高了1倍以上，從而減少了輔助時間，提高了生產效率。直線電機驅動技術有著廣闊的應用前景，但還需進一步降低成本和解決發熱問題。
目前，我國一些廠家開發的數控機床已采用了直驅技術。如濟南二機床開發的XHV2525×60高架式五軸聯動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機驅動。北京機電院開發的XKR32G五軸聯動加工中心工作臺的2個回轉軸采用力矩電機直驅，XKH800五軸聯動葉片加工中心的主軸采用電主軸直驅等。國內數控機床采用直驅技術還處于初級階段，還不普遍，在性能方面還存在一定差距。而德國DMG公司每年生產的數控機床中有1500多臺采用了直驅技術。德國巨浪公司生產的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉速達40000r/min，換刀時間低于0.6s，進給加速度達1g~2g，快速進給速度可達90m/min，工件交換時間為2s。
2.2數控系統高速運算處理技術
高速直驅進給要求數控系統運算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑加(減)速優化程序段預處理能力。較先進的數控系統可預處理幾千和幾萬個程序段。在多軸聯動控制時可根據預處理緩沖區的G代碼進行加減速優化處理。為保證加工速度，第六代數控系統每秒可進行2000~10000次進給速度改變。
3智能化
為追求數控機床加工效率和加工質量，數控系統不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學習控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等智能化功能，并有故障診斷專家系統，使自診斷和故障監控功能更趨于完善。伺服驅動系統智能化，能自動感知負載變化，自動優化調整參數。
國產數控系統正在努力朝智能化方向發展，引入了一些智能化技術。比如華中的“中華8型”和凱恩帝K1000TIV型等，數控系統都具有自診斷功能、狀態實時顯示和故障實時報警等智能化功能，并都在進一步豐富和完善智能化技術。
國外如西門子、發那科、三菱生產的數控系統融入的智能化技術更為豐富。國產數控系統與之相比還有不少差距。如西門子的SINUMERIK828DBASICM具有圓柱形零件加工智能坐標轉換功能，具有SINUMERIKMDynamics工藝包，含有全部“精優曲面”功能，可以實現高效加工和獲得加工最佳表面質量。發那科的Oi-D和OiDMate具有有輪廓智能控制功能、30i/31i/32i/35i-MODELB系列數控系統是最新的人工智能納米級系統，能靈活地支持鏜銑加工中心、數控車床多軸聯動復合加工機床等。智能化技術對于提高數控加工機床生產效率有極大的貢獻率，必須重視。
4開放化和網絡化
數控裝置的開放化可以更容易地實現智能化網絡化制造，有效地促進生產效率的提高。
4.1開放化
開放式數控裝置是指硬件、軟件和總線對用戶是開放的。開放式數控裝置最主要的優點是具有更好的通用性、靈活性、適應性和可擴展性，可以滿足用戶二次開發的要求。
4.1.1NC和CNC概念及開放化
目前，數控裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路組成的數控裝置被稱為NC裝置;由計算機硬件和軟件共同組成的數控裝置被稱為CNC數控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎，軟件是整個CNC運行和功能實現的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。
CNC數控裝置硬件除具有CPU、EPROM、RAM外，還有位置控制器、手動輸入(MDA)接口、顯示(CRT)接口和PLC接口等，因此CNC數控裝置是一種專用計算機。
CNC軟件分為管理軟件和控制軟件2種。管理軟件用于管理零件程序的輸入輸出、刀具位置系統參數、零件程序顯示、機床狀態故障診斷及報警等。控制軟件由譯碼、插補、運算、刀具補償、速度控制、位置控制等軟件組成。
現代開放式數控裝置主要是在PC機平臺上開發的CNC數控裝置。我國“華中8型”數控裝置采用了基于多處理器的開放式軟硬件體系結構和自主創新的總線技術。硬件跨平臺，軟件可以置換，具有軟硬件多層次開放功能。北京凱恩帝的K1000TIV數控裝置采用開放式PLC，提供調試軟件支持用戶二次開發。廣州數控的GSK25i數控裝置也采用了開放式PLC，支持PLC梯形圖在線編輯、診斷及信號跟蹤功能。
4.1.2標準與規范
能否實現數控裝置的開放化與建立技術標準和規范密切相關。數控技術誕生50多年來，信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G、M代碼描述如何加工。顯然，該標準越來越不能滿足現代數控技術高速發展的要求。
歐美和日本等國家在20世紀90年代就開始研究制定了開放式數控裝置的體系結構規范(OMAC、OSACA、OSEC)，開發了開放式數控裝置并作為發展戰略。我國于2000年也開始研究并制定了開放式數控裝置規范框架，但還很不完善。
4.2網絡化
網絡化有利于信息共享和提高生產效率。有資料介紹在多品種小批量生產中，1臺數控機床用于切削的時間只占機動時間的25%~35%，聯成網絡后，可以提高到60%~65%。
數控的網絡化技術，主要是指數控系統與外部的其他控制系統或上位機進行網絡連接和網絡控制。數控系統首先面向企業內部局域網，然后再經因特網向企業外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網絡可使企業與企業之間進行跨地區協同設計、協同制造、信息共享、遠程監控、遠程診斷和服務等。網絡能為制造提供完整的生產數據信息，可以通過網絡將加工程序傳給遠方的機床進行加工，也可遠程診斷并發出指令調整。網絡使各地分散數控機床聯系在一起，互相協調，統一優化調整，使產品加工不局限于一個工廠內而實現社會化生產。
我國的機械制造企業信息化集成的發展也比較快，實現了車間級和企業級信息網絡集成。數控的網絡化發展前景廣闊，但真正實現跨企業、跨地區的信息化網路還有很長的路要走。
5優化工藝參數提高效率
數控加工采用的工藝參數是否合理，對于提高生產效率和保證加工質量非常重要，必須逐步進行優化并建立工藝數據庫。
優化工藝參數有2種方法。一種是通過實際試切來選擇合理的工藝參數，費時、費力、費材料;另一種方法是應用力學動態優化仿真方法，比第一種方法省時、省力、省材料，同樣可以獲得較合理的工藝參數。在生產實踐中，還可以對這些參數進行合理的調整。
航空行業是數控機床的大用戶，對優化工藝參數、建立工藝數據庫，并應用到生產實踐中有急切的需求。因此，由政府支持組織北京航空航天大學和中航工業北京航空制造工程研究所開展優化工藝參數技術攻關。以上單位開發了一整套工藝參數力學動態優化仿真、預測和數字化軟硬件系統，建立了優化工藝參數數據庫，形成了優化高速切削工藝參數手冊，從根本上實現了工藝參數選擇從試切到仿真的跨越，提高了加工效率和質量。這是一項意義重大而又深遠的工作。
陜西飛機制造公司在近100項零件加工上應用了優化的工藝參數，平均加工效率提高了2倍以上;望江工業有限公司在火炮零件加工中采用優化工藝參數，效率提高了4倍以上;昌河飛機工業(集團)公司采用優化工藝參數加工鋁合金零件，效率提高了2.8倍以上。
西門子828D數控系統具有動態工藝包(Dynmics)，含有全新的“精優曲面”功能，可以實現高效加工并獲得最佳表面質量。
我國數控設備生產企業也應該提供這方面的技術和服務。采用工藝優化參數不但可以提高生產效率和提高加工質量，而且對節省材料、節能減排，實現綠色制造有著重要意義。
追求高精度高質量
追求數控機床加工工件的高精度和高質量。首先數控機床本身必須具有這樣的性能。為此，數控機床在結構和布局上，在材料選用上必須考慮到提高剛性和承載能力，以保證實現高精度;同時數控系統、伺服驅動系統、傳動系統和測量傳感器等也必須具有高分辨率、高精度的性能，才能滿足加工工件高精度、高質量的要求。
1結構布局
為了實現功能和提高剛性，數控車床、車削中心、立式加工中心、臥式加工中心、龍門加工中心、車銑復合加工中心等在結構布局方面發生了深刻變化。
例如，國內有些廠家生產的立式加工中心和臥式加工中心，橫向坐標采用立柱移動，這樣減少了一層工作臺(傳統結構是雙層十字工作臺)，提高了工作臺的剛性和承載能力;龍門加工中心從工作臺不動、雙立柱移動發展成橋式結構，即工作臺固定，2個立柱做成固定式墻體，在墻體上面裝有導軌，橫梁在導軌上做縱向運動。這種結構減少了運動部件的質量和運動慣性，有利于準定位，減少了占地面積。
沈陽機床生產的GMC2590μ橋式五軸加工中心、濟南二機床生產的XHV2525×60高架式五軸聯動高速鏜銑加工中心、臺灣亞太菁英(股份)公司生產的跨軌式高速龍門加工中心，都采用了橋架式龍門框架結構。該結構布局合理、剛性好、承載能力強、受力均勻、熱平衡性好、精度穩定、占地面積小。典型結構布局形式如圖3所示。
2采用新材料提高剛性
用于數控機床的優質新材料的開發與應用，有利于提高數控機床整體剛性和精度，非常重要。
例如，寧波海天精工機械有限公司在生產的HTM-V120L數控立式車銑磨加工中心上采用了90%花崗巖成分聚合澆鑄的床身。據該廠介紹，該材料制成的床身比一般鑄鐵床身抗震強度增加10倍。
又如，大連科德公司在生產的TG-45型六軸(或五軸)聯動數控刀具磨床的底座采用了人造石材。
據稱以上2家企業應用了這兩種新材料，因其具有吸震性好、穩定性好、耐磨等特點，為提高和保持機床精度提供了保證。
此外，還有資料顯示，蜂窩狀材料、水泥材料、天然花崗巖石材等也有用于數控設備的情況。重視新型材料的開發與應用，必然使機床結構設計和性能發生變革。
3高精度插補數控系統
高位數CPU(64位)在數控裝置上的應用，高速納米級插補運算、高分辨率伺服等功能為提高數控機床精度做出重要貢獻。
在數控機床上應用的CPU，從20世紀80年代的16位發展到現在的64位，其頻率也從原來的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發展進一步提高了運算速度和分辨率(0.1μm、0.01μm)。國產數控系統開始采用64位CPU，可實現微米級精度插補，但與國外先進數控系統相比還有距離。
例如，發那科30i/31i/32i/35iB系列數控系統、三菱M700V數控系統、西門子的828D數控系統為都是納米級插補或納米級運算精度。
實現納米級精度插補，伺服驅動系統控制分辨率和響應能力是非常關鍵的。為此，在驅動單元之中伺服電機軸上安裝高精度傳感器(16×106線/轉)，在閉環系統中采用高分辨率(1μm)的光柵尺，可使小型數控機床的運動部件定位精度達到2~3μm。一般情況下，國產小型數控機床還達不到這樣的水平。
結束語
只有組成數控設備的各種部件(包括軟硬件)技術都卓越，整體綜合性能才能卓越，才能實現加工的高生產率、高精度、高質量。而且，每個部件都有保證生產效率和質量的功能，只是貢獻率不同而已。本文只介紹了數控技術發展的幾個重要方面，不夠全面。
要特別強調的是，今后要特別重視新工藝的研究與創新，從而促進數控產品的創新;要特別重視數控加工工藝參數的優化和建立數據庫的工作，以提高生產效率和加工質量。要特別重視新材料的研究與應用，以提高數控機床性能;要特別重視數控技術的智能化網絡化技術的開發與應用，其前景廣闊。
以上強調的4個特別，政府應大力支持，數控設備生產企業和機械制造企業應特別重視，要不懈地努力工作，使我國數控機床技術發展從跟隨變為領跑。
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