数控机床的现状及发展趋势

数控机床的现状和发展趋势

李胜 (1460090336)

（沈阳工学院能源与水利学院，辽宁抚顺113006）

摘要：控机床是装备制造业的关键装备，是关系到国家经济建设与战略地位，体现国家综合水平的重要标志。介绍了我国数控机床的产生背景、发展过程与现状，重点分析了取得的成果及存在的问题，并展望了我国数控机床产业的发展前景，探讨了我国数控机床的发展趋势。

关键词：数控机床; 现状; 发展趋势

Status and developing trends of CNC machine tools

Li sheng

(Institute of technology school of energy and water resources in Shenyang, Liaoning Fushun 113006)

Abstract: the equipment manufacturing industry is the key of controlling machine tool equipment, is related to the country's economic construction and strategic position, reflecting an important symbol of national level. Introduces the background, development and current situation of NC machine tools, focuses on results achieved and existing problems and prospects the prospects of China's CNC machine tool industry to explore the development trend of China's CNC machine tool.

Key words:CNC machine tools; The status quo; Development trends.

机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，是发展机器制造业以至整个工业必不可少的复杂生产工具。数控机床就是在数字控制下，能在尺寸精度和几何精度两方面完成毛坯零件加工成所需要形状的工作母机的总称。数控机床是典型的机电一体化产品，它集微电子技术、计算机技术、测量技术、传感器技术、自动控制技术及人工智能技术等多种先进技术于一体，并与机械加工工艺紧密结合，是新一代的机械制造技术装备。与传统机床相比，数控机床具有高效率、高精度、高柔性化及高集成化等特点，能够很好地解决工艺难题，保证加工质量，同时又能大大降低工人的劳动强度，提高生产效率。大力发展数控机床产业不仅仅是我国实现工厂自动化的基础，也是我国机械制造业技术改造的必由之路，更是发展高精尖技术产业的重要保证。我国在“十一五”装备制造业发展规划纲要中已经明确提出: 国家要把以数控机床为代表的基础装备作为重点发展的七大领域之首。随着各种新技术的迅猛发展，数控机床技术水平高低以及产量已成为衡量一个国家工业现代化发展水平的重要标志。

一 .数控机床的组成

数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、

计算机、电动机及拖动、动控制、检测等技术

为一体的自动化设备。数控机床的基本组成包括控

制介质、数控装置、伺服系统、反馈装置及机床本体，如图

1.1 控制介质

控制介质是储存数控加工所需要的全部动作

刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件

的加工程序，因此，控制介质就是指将零件加工信

息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种

形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的

有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。随着数控技术

的发展，穿孔带、穿孔卡趋于淘汰，而利用CAD/CAM软件在计算机编程，然后通过计算机与

数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置

的方法应用越来越广泛。

1.2 数控装置

数控装置是数控机床的核心，人们喻为“中枢

系统”。现代数控机床都采用计算机数控装置，即CNC（Computer Numerical Control）。数控装置

包括输入装置及中央处理器(CPU)和输出装置等构控制介质数控装置伺服系统机床本体

反馈装置

成数控装置能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

1.3 伺服系统

伺服系统是接收数控装置的指令、驱动机床执行机构运动的驱动部件。包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机和进给电机等。工作时，伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后，带动机床的移动部件或执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。

1.4 反馈装置

反馈装置是由测量元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈回来，构成闭环控制。一些精度要求不高的数控机床，没有反馈装置，则称为开环系统。

1.5 机床本体

机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。

二.我国数控机床的产生和发展

我国数控机床及技术起始于1958年，是由清华大学和北京第一机床厂共同研制成功的。我国数控机床产业的发展一直受到国家经济状况、数控技术发展水平与国家扶持政策的制定等三大因素的影响圈。总体来说，我国数控机床的发展大致可划分为3个阶段图:

(1)封闭式发展阶段

在我国数控机床诞生的最初20年中，由于国外技术封锁以及我国基础条件薄弱，机床总体设计实力较差，数控机床发展十分缓慢，再加之受微电子技术发展的制约，各种配套基础元部件、数控系统等的可靠性较差，工作不稳定，导致我国数控机床无法正式生产，难以形成相应产业。

(2)引进国外先进技术，消化吸收，初步建立

起国产化体系阶段1980年以来，在改革开放政策的指导下，国家大力支持发展机床行业，先后从日本、美国、欧洲等工业发达国家引进数控系统、伺服系统、数控机床及一些基础功能元部件等。通过引进相关技术并消化吸收，有效地促进了我国数控机床产业的发展，使我国在数控技术的研究、开发及数控机床的生产和应用水平等方面都取得了长足的发展与进步。

(3)产业化研究，进入市场竞争阶段

我国数控机床的发展在经历了30年的跌宕起伏后，己经由成长期进入到成熟期。在此过程中，我国国产数控装备的产业化取得了实质性的发展与进步，在技术水平、品种、质量等方面都取得了较大成绩。随着我国国民经济与高新技术产业的快速发展，特别是加入WTO以后，对数控机床的需求日益旺盛。2001年我国机床工业产值进入世界前五名，数控机床产量达1. 75万台，比上年增长28.5 % ; 2004年数控机床产量达5. 2万台，同比年增长40% ; 2008年，我国金属切削机床年产量达到61. 7万台，其中数控机床产量12. 2万台，分别比2001年增长了2. 21倍和5. 97倍。在2002 2008年间，我国金属切削机床产量年均增长18. 58%，而同期数控机床产量年平均增长率高达33. 22%，大大高于普通金属切削机床的增长速度，而且数控机床在金属加工机床总量中的比重也呈逐年上升趋势。此外，我国机床的数控化率也逐年提高，机床数控化率己由2001年的9. 12%上升为2008年的19. 79%，同时产值数控化率也由37. 8%提高到48.6 %。

三. 数控机床的发展趋势

3.1高速化

随着国防、汽车、航空、航天等工业的告诉发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。

(1)主轴转速:机床采用电主轴(内装式主轴

电机)，主轴最高转速达200000r}nin;

(2)进给率:在分辨率为0. O1l}m时，最大进

给率达到240m /min且可获得复杂型面的

精确加工;

(3)运算速度:微处理器的迅速发展为数控系

统向高速、高精度方向发展提供了保障，

开发出CPU已发展到32位以及64位的数

控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。

由于运算速度的极大提高，使得当分辨率

为0. 11}m , 0. O1 lam时仍能获得高达

24一240m/min的进给速度

(4)换刀速度:目前国外先进加工中心的刀具

交换时间普遍已在is左右，高的已达0.

5 s。德国Chi-ron公司将刀库设计成篮

子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，

其刀到刀的换刀时间仅0. 9 s

3. 2高精度化

数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

(1)提高CNC系统控制精度:采用高速插技

术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到

0. O1l}m脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线J陛控制等方法;

(2)采用误差补偿技术:采用反向间隙补偿、

丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%一80%;

(3)采用网格解码器检查和提高加工中心的运

动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量!

3. 3功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类!4]。工艺复合型机床如锁铣钻复合—加工中心、车铣复合—车削中心、铣锁钻车复合—复合加工中心等; 工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构(如图1所示!3])，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会(CCINTI'2005)上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床(包括双主轴、双刀架、9轴控制等)以及可实现4 ~5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削

中心等!

3.4 控制智能化

随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面:

(1)加工过程自适应控制技术:通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度)和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性;

(2)加工参数的智能优化与选择:将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代

智能方法，构造基于专家系统或基于模型的”加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的;

（3）智能故障自诊断与自修复技术:根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位;

（4）智能故障回放和故障仿真技术:能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验!

（5）智能化交流伺服驱动装置:能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行;

（6）智能4M数控系统:在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measarement、建模(Modelting} ,加工(Manuficturing、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。

3.5新型功能部件

为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括:

（1）高频电主轴:高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用;

(2)直线电动机:近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如:西门子公司生产的1 FN 1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等;德国EX-0ELL-0公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机

（3)电滚珠丝杆:电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。、

四.结语

目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋

势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。

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