圍繞質(zhì)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(shù)控設(shè)備在技術(shù)層面發(fā)生了深刻的變化。數(shù)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(shù)；機床在結(jié)構(gòu)布局和新材料應(yīng)用方面都有了新發(fā)展；數(shù)控技術(shù)在開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速高精化方面取得了新發(fā)展。其目的都是為了提高生產(chǎn)效率，提高精度，保證質(zhì)量和實現(xiàn)效益最大化。

不斷追求高質(zhì)量和高效率是機械制造業(yè)研究的永恒主題和目標，是促進其工藝裝備發(fā)展的源動力。工藝要求和變革是機械制造工藝裝備技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和變革的根據(jù)和基礎(chǔ)。

國產(chǎn)數(shù)控機床走過了50年發(fā)展的漫長歷程，在近10年來得到了較快發(fā)展，特別是得到了政府的重視，設(shè)立了重大技術(shù)攻關(guān)專項，有效地促進了數(shù)控機床的發(fā)展。

目前，國產(chǎn)數(shù)控機床可供品種達1500多種，覆蓋了數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控板材加工機床(數(shù)控沖壓機床、數(shù)控激光加工機床、火焰切割機床等)、數(shù)控電加工機床、工業(yè)機器人、三坐標測量機等，種類基本齊全。2010年數(shù)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(chǎn)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(chǎn)品牌數(shù)控機床的數(shù)量和價值占國內(nèi)市場50%以上。在代表先進技術(shù)水平的五軸聯(lián)動和復合加工中心、數(shù)控系統(tǒng)和其他配套技術(shù)產(chǎn)品方面也都取得了新進展。本文主要圍繞數(shù)控技術(shù)發(fā)展與差距展開討論。

追求高生產(chǎn)率

為了追求機械制造的高生產(chǎn)率，促進數(shù)控設(shè)備向加工復合化(工序復合和工藝復合)、高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、工藝參數(shù)優(yōu)化方向發(fā)展。

1復合化

數(shù)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(lián)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(lián)動加工中心也開始在機械制造中得到應(yīng)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(xiàn)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(shù)控機床發(fā)展最快的時期。在此期間，自主開發(fā)了五軸聯(lián)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(nèi)制造廠商已經(jīng)能夠提供五軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動復合加工中心等，但有一些是屬于重大專項攻關(guān)產(chǎn)品，有待進一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

1.1.1五軸聯(lián)動加工中心

國內(nèi)生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心的廠家正在不斷增加。

開發(fā)五軸聯(lián)動加工中心有2個關(guān)鍵核心部件技術(shù)難度較大，一個是雙擺角萬能加工頭；一個是雙軸回轉(zhuǎn)臺(見圖2)。這2種部件國內(nèi)廠商也已開發(fā)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(zhuǎn)臺用于小型機床。目前這2種部件都采用直驅(qū)力矩電機，并裝有編碼器，以提高動態(tài)性能和精度。

雙擺角萬能加工頭技術(shù)難度更大一些。國內(nèi)某廠商開發(fā)的一種直驅(qū)雙擺角萬能頭的主要參數(shù)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(yīng)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(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，也有在立式加工中心基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。

1.1.3車銑磨復合加工中心


1.1.4車銑磨齒輪加工復合中心

有的車削中心在回轉(zhuǎn)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(xiàn)五軸聯(lián)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


1.2工藝復合

工藝復合加工在國內(nèi)還不多見。

據(jù)有關(guān)資料顯示，1臺五軸聯(lián)動加工中心或多工序復合加工中心比三聯(lián)動加工中心能提高生產(chǎn)效率1倍以上。多軸聯(lián)動和復合加工不但能提高生產(chǎn)效率，而且減少了二次安裝誤差，提高了精度和質(zhì)量。國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心和多軸聯(lián)動復合加工中心，但有些屬重大攻關(guān)產(chǎn)品還有待進一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

2高速化

為實現(xiàn)數(shù)控加工高速化，傳動系統(tǒng)采用直驅(qū)技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)采用高速運算處理技術(shù)。

2.1直驅(qū)技術(shù)

為了提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機床傳動部件逐步采用直驅(qū)技術(shù)。主軸采用電主軸直驅(qū)，進給采用直線電機驅(qū)動，回轉(zhuǎn)工作臺采用力矩電機直驅(qū)，五軸聯(lián)動的擺角萬能頭采用力矩電機直驅(qū)等。

早在2000年以前，我國就開始了直驅(qū)技術(shù)的研究與開發(fā)。

目前，國外先進的電主軸單元轉(zhuǎn)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(qū)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(tǒng)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(qū)比用滾珠絲杠驅(qū)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(chǎn)效率。直線電機驅(qū)動技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但還需進一步降低成本和解決發(fā)熱問題。


2.2數(shù)控系統(tǒng)高速運算處理技術(shù)

高速直驅(qū)進給要求數(shù)控系統(tǒng)運算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑加(減)速優(yōu)化程序段預處理能力。較先進的數(shù)控系統(tǒng)可預處理幾千和幾萬個程序段。在多軸聯(lián)動控制時可根據(jù)預處理緩沖區(qū)的G代碼進行加減速優(yōu)化處理。為保證加工速度，第六代數(shù)控系統(tǒng)每秒可進行2000~10000次進給速度改變。

3智能化

為追求數(shù)控機床加工效率和加工質(zhì)量，數(shù)控系統(tǒng)不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學習控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)戎悄芑δ?，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨于完善。伺服驅(qū)動系統(tǒng)智能化，能自動感知負載變化，自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。

國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)正在努力朝智能化方向發(fā)展，引入了一些智能化技術(shù)。


4開放化和網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)控裝置的開放化可以更容易地實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化制造，有效地促進生產(chǎn)效率的提高。

4.1開放化

開放式數(shù)控裝置是指硬件、軟件和總線對用戶是開放的。開放式數(shù)控裝置最主要的優(yōu)點是具有更好的通用性、靈活性、適應(yīng)性和可擴展性，可以滿足用戶二次開發(fā)的要求。

4.1.1NC和CNC概念及開放化

目前，數(shù)控裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置被稱為NC裝置；由計算機硬件和軟件共同組成的數(shù)控裝置被稱為CNC數(shù)控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎(chǔ)，軟件是整個CNC運行和功能實現(xiàn)的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。

CNC數(shù)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(shù)控裝置是一專用計算機。

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(tǒng)參數(shù)、零件程序顯示、機床狀態(tài)故障診斷及報警等?？刂栖浖勺g碼、插補、運算、刀具補償、速度控制、位置控制等軟件組成。

現(xiàn)代開放式數(shù)控裝置主要是在PC機平臺上開發(fā)的CNC數(shù)控裝置。

4.1.2標準與規(guī)范

能否實現(xiàn)數(shù)控裝置的開放化與建立技術(shù)標準和規(guī)范密切相關(guān)。數(shù)控技術(shù)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(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)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(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)，開發(fā)了開放式數(shù)控裝置并作為發(fā)展戰(zhàn)略。我國于2000年也開始研究并制定了開放式數(shù)控裝置規(guī)范框架，但還很不完善。

4.2網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化有利于信息共享和提高生產(chǎn)效率。有資料介紹在多品種小批量生產(chǎn)中，1臺數(shù)控機床用于切削的時間只占機動時間的25%~35%，聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)后，可以提高到60%~65%。

數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，主要是指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位機進行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)首先面向企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，然后再經(jīng)因特網(wǎng)向企業(yè)外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網(wǎng)絡(luò)可使企業(yè)與企業(yè)之間進行跨地區(qū)協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、信息共享、遠程監(jiān)控、遠程診斷和服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)能為制造提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，可以通過網(wǎng)絡(luò)將加工程序傳給遠方的機床進行加工，也可遠程診斷并發(fā)出指令調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)使各地分散數(shù)控機床聯(lián)系在一起，互相協(xié)調(diào)，統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)整，使產(chǎn)品加工不局限于一個工廠內(nèi)而實現(xiàn)社會化生產(chǎn)。

我國的機械制造企業(yè)信息化集成的發(fā)展也比較快，實現(xiàn)了車間級和企業(yè)級信息網(wǎng)絡(luò)集成。數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展前景廣闊，但真正實現(xiàn)跨企業(yè)、跨地區(qū)的信息化網(wǎng)路還有很長的路要走。

5優(yōu)化工藝參數(shù)提高效率

數(shù)控加工采用的工藝參數(shù)是否合理，對于提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量非常重要，必須逐步進行優(yōu)化并建立工藝數(shù)據(jù)庫。

優(yōu)化工藝參數(shù)有2種方法。一種是通過實際試切來選擇合理的工藝參數(shù)，費時、費力、費材料；另一種方法是應(yīng)用力學動態(tài)優(yōu)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(shù)。在生產(chǎn)實踐中，還可以對這些參數(shù)進行合理的調(diào)整。

航空行業(yè)是數(shù)控機床的大用戶，對優(yōu)化工藝參數(shù)、建立工藝數(shù)據(jù)庫，并應(yīng)用到生產(chǎn)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(yè)北京航空制造工程研究所開展優(yōu)化工藝參數(shù)技術(shù)攻關(guān)。以上單位開發(fā)了一整套工藝參數(shù)力學動態(tài)優(yōu)化仿真、預測和數(shù)字化軟硬件系統(tǒng)，建立了優(yōu)化工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，形成了優(yōu)化高速切削工藝參數(shù)手冊，從根本上實現(xiàn)了工藝參數(shù)選擇從試切到仿真的跨越，提高了加工效率和質(zhì)量。這是一項意義重大而又深遠的工作。

我國數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該提供這方面的技術(shù)和服務(wù)。采用工藝優(yōu)化參數(shù)不但可以提高生產(chǎn)效率和提高加工質(zhì)量，而且對節(jié)省材料、節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色制造有著重要意義。

追求高精度高質(zhì)量

追求數(shù)控機床加工工件的高精度和高質(zhì)量。首先數(shù)控機床本身必須具有這樣的性能。為此，數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)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(xiàn)高精度；同時數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)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(zhì)量的要求。

1結(jié)構(gòu)布局

為了實現(xiàn)功能和提高剛性，數(shù)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(jié)構(gòu)布局方面發(fā)生了深刻變化。


2采用新材料提高剛性

用于數(shù)控機床的優(yōu)質(zhì)新材料的開發(fā)與應(yīng)用，有利于提高數(shù)控機床整體剛性和精度，非常重要。

蜂窩狀材料、水泥材料、天然花崗巖石材等也有用于數(shù)控設(shè)備的情況。重視新型材料的開發(fā)與應(yīng)用，必然使機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能發(fā)生變革。

3高精度插補數(shù)控系統(tǒng)

高位數(shù)CPU(64位)在數(shù)控裝置上的應(yīng)用，高速納米級插補運算、高分辨率伺服等功能為提高數(shù)控機床精度做出重要貢獻。

在數(shù)控機床上應(yīng)用的CPU，從20世紀80年代的16位發(fā)展到現(xiàn)在的64位，其頻率也從原來的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發(fā)展進一步提高了運算速度和分辨率(0.1μm、0.01μm)。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開始采用64位CPU，可實現(xiàn)微米級精度插補，但與國外先進數(shù)控系統(tǒng)相比還有距離。

實現(xiàn)納米級精度插補，伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制分辨率和響應(yīng)能力是非常關(guān)鍵的。為此，在驅(qū)動單元之中伺服電機軸上安裝高精度傳感器(16×106線/轉(zhuǎn))，在閉環(huán)系統(tǒng)中采用高分辨率(1μm)的光柵尺，可使小型數(shù)控機床的運動部件定位精度達到2~3μm。一般情況下，國產(chǎn)小型數(shù)控機床還達不到這樣的水平。

結(jié)束語

只有組成數(shù)控設(shè)備的各種部件(包括軟硬件)技術(shù)都卓越，整體綜合性能才能卓越，才能實現(xiàn)加工的高生產(chǎn)率、高精度、高質(zhì)量。而且，每個部件都有保證生產(chǎn)效率和質(zhì)量的功能，只是貢獻率不同而已。本文只介紹了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的幾個重要方面，不夠全面。

要特別強調(diào)的是，今后要特別重視新工藝的研究與創(chuàng)新，從而促進數(shù)控產(chǎn)品的創(chuàng)新；要特別重視數(shù)控加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和建立數(shù)據(jù)庫的工作，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。要特別重視新材料的研究與應(yīng)用，以提高數(shù)控機床性能；要特別重視數(shù)控技術(shù)的智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，其前景廣闊。

以上強調(diào)的4個特別，政府應(yīng)大力支持，數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和機械制造企業(yè)應(yīng)特別重視，要不懈地努力工作，使我國數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展從跟隨變?yōu)轭I(lǐng)跑。

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