数控机床发展趋势分析

　　数控机床发展趋势分析

　　摘要:未来制造要求低成本、高产品质量、绿色制造、新工艺、新方法、制造方式柔性化等。而数控机床作为制造技术的重要支撑，需要不断更新，才能适应制造的新要求。本文主要对数控机床的发展趋势及对策进行探讨。

　　关键词:数控机床;绿色制造;发展趋势

　　一、我国数控机床的发展现状

　　我国自20世纪80年代，机床制造业的不断发展，尤其是数控机床非常值得关注。通过“六五”、“七五”期间国家引进数控技术，加上科技公关创新，数控机床和数控技术得到很大的改善及提升。但是，我国的在中、高档数控机床与发达国家相比仍然有很多路要走。表1为40号刀柄的中型加工中心我国与外国主要技术指标对比，能够看出仍然存在较大差距。

　　二、数控机床的发展趋势

　　计算机技术及智能技术的飞速发展，推动了数控机床的改进及完善，数控系统不断更新，到现在为止一共出现了六代机床，如表2所示。其中第一代到第三代为硬件数控，第四代到第六代为计算机数控。最新的数控系统在数控技术方面取得了很大的提高，使性能向高速度、高精度以及高柔性方向快速发展。近些年来，计算机技术的革新，对数控机床有了新的要求，主要朝着以下几个方向发展。(一)向智能化方向发展计算机技术的革新及发展使得数控机床的智能化发展迅猛。新一代的数控机床中采用了神经网络、模糊系统等控制理论，使得其性能极大的改善。通过引进自适应控制技术，使得数控系统可以通过自动调节切削速度、进给量等，实现加工过程的最优化，从而实现加工精度控制，得到最佳的工件表面粗糙度、直线度等。(二)向功能集成化、柔性化方向发展通过数控多轴与换刀换箱式加工中心的广泛应用，现代数控机床正朝着系统化、智能化以及柔性化方向发展。并在数控机床上呈现出柔性制造单元、柔性制造系统以及柔性加工线。现代数控机床呈现多轴，比如五轴、六轴数控机床，并可以实现自动换刀及工作平台交换，且功能集成化特征逐渐突出。一台现代数控机床能够实现车、镗、铣、磨、钻，并可以实现加工、测量以及装卸一体化。(三)向高精度、高速度方发展精度与速度为数控机床的两个非常重要的指标，主要影响加工工件或产品的质量以及生产周期，对企业在市场中的竞争地位起到关键作用。数控机床的加工精度主要由两部分组成:普通数控机床的加工精度和精密加工中心的加工精度。前者的加工精度从10μm增加到5μm，后者从3～5μm增加到1～1．5μm，随着技术的进步，超精密加工精度可以达到纳米级(0．001μm)。

　　三、数控机床发展对策

　　(一)加强机床的集成化，发展复合加工数控机床要进一步加快复合数控机床研发进度，不断提升工序的集中度，提升加工精度的同时，提高生产效率。加工数控机床的集成化，可以进行工序的转换，节约时间。(二)优化网络化制造单元，加强制造能力的高效柔性化现在，国内外数控系统及数控机床在强化自身管理能力的同时，应加强CAD/CAPP/CAM、PDM等信息的集成，从分布式网络化联盟制造的角度不断研发相适应的制造单元，通过加强与企业客户的供应链管理和客户关系管理等方面的提升，实现智能化决策。(三)推进μm工程，进一步研制高效精密数控机床要进一步推进μm工程，研制兼顾高精化、高效化的数控机床，从而满足中国制造的发展。(四)完善全面质量管理，开展可靠性设计要不断加强全面质量管理，保证数控机床的可靠性，在开展设计的时候，既要考虑机床自身的功能及力学特性，还要考虑可靠性设计，依据其要求合理分配相关部件的可靠性指标。可靠性管理体系的结构如下图所示:(五)进一步提升数控机床的综合性能通过加强数控机床的高精化及高柔性来提高其高效化，实现金属切除率的提升及高进给和高主轴转速。

　　四、结语

　　总之，数控技术的发展随着计算机技术的革新及进步，会朝着更加智能化、先进化方向发展，人机交互性更强，对未来制造起到推动作用。

　　数控机床发展趋势分析

　　数控机床最早诞生于美国。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的设想，后受美国空军委托与麻省理工学院合作，于1952年试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床，其数控系统采用电子管。1960年开始，德国、日本、中国等都陆续地开发、生产及使用数控机床，中国于1968年由北京第一机床厂研制出第一台数控机床。1974年微处理器直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。

　　由于微电子和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统一直在不断更新，到目前为止已经历过以下几代变化：

　　第一代数控（1952~1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；

　　第二代数控（1959~1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；

　　第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；

　　第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；

　　第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的数控系统；

　　第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。

　　前三代为第一阶段，数控系统主要是由硬件联结构成，称为硬件数控；后三代称为计算机数控，其功能主要由软件完成。

　　近20年来，随着科学技术的发展，先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。目前数控技术主要朝以下方向发展：

　　1）向高速度、高精度方向发展

　　速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。

　　在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3~5μm提高到1~1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.001μm）。加工精度的提高不仅在于采用了滚珠丝杠副、静压导轨、直线滚动导轨、磁浮导轨等部件，提高了CNC系统的控制精度，应用了高分辨率位置检测装置，而且也在于使用了各种误差补偿技术，如丝杠螺距误差补偿、刀具误差补偿、热变形误差补偿、空间误差综合补偿等。

　　在加工速度方面，高速加工源于20世纪90年代初，以电主轴和直线电机的应用为特征，使主轴转速大大提高，进给速度达60m／min以上，进给加速度和减速度达到1~2g以上，主轴转速达100000r/min以上。高速进给要求数控系统的运算速度快、采样周期短，还要求数控系统具有足够的超前路径加（减）速优化预处理能力（前瞻处理），有些系统可提前处理5000个程序段。为保证加工速度，高档数控系统可在每秒内进行2000~10000次进给速度的改变。

　　2）向柔性化、功能集成化方向发展

　　数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备；出现了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，FMC）、柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）、柔性加工线（FlexibleManufacturingLine，FML）。

　　在现代数控机床上，自动换刀装置、自动工作台交换装置等已成为基本装置。随着数控机床向柔性化方向的发展，功能集成化更多地体现在：工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工”和集装卸、加工、测量为一体的“完整加工”等。

　　3）向智能化方向发展

　　随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中，由于采用“进化计算”（EvolutionaryComputation）、“模糊系统”（FuzzySystem）和“神经网络”（NeuralNetwork）等控制机理，性能大大提高，具有加工过程的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、运动参数动态补偿、智能诊断、智能监控等功能。

　　（1）引进自适应控制技术  由于在实际加工过程中，影响加工精度因素较多，如工件余量不均匀、材料硬度不均匀、刀具磨损、工件变形、机床热变形等。这些因素事先难以预知，以致在实际加工中，很难用最佳参数进行切削。引进自适应控制技术的目的是使加工系统能根据切削条件的变化自动调节切削用量等参数，使加工过程保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。

　　（2）故障自诊断、自修复功能  在系统整个工作状态中，利用数控系统内装程序随时对数控系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、自检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位和原因等，并利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块。

　　（3）刀具寿命自动检测和自动换刀功能  利用红外、声发射、激光等检测手段，对刀具和工件进行检测。发现工件超差、刀具磨损和破损等，及时进行报警、自动补偿或更换刀具，确保产品质量。

　　（4）模式识别技术  应用图像识别和声控技术，使机床自己辨识图样，按照自然语言命令进行加工。

　　（5）智能化交流伺服驱动技术  目前已研究能自动识别负载并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能化主轴交流驱动装置和进给伺服驱动装置，使驱动系统获得最佳运行。 

　　4）向高可靠性方向发展

　　数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标，它主要取决于数控系统各伺服驱动单元的可靠性。为提高可靠性，目前主要采取以下措施：

　　（1）采用更高集成度的电路芯片，采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。

　　（2）通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化，提高硬件的生产批量和质量。

　　（3）增强故障自诊断、自恢复和保护功能，对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加工超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。

　　5）向网络化方向发展

　　数控机床的网络化将极大地满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造（AgileManufacturing，AM）、虚拟企业（VirtualEnterprise，VE）、全球制造（GlobalManufacturing，GM）的基础单元。目前先进的数控系统为用户提供了强大的联网能力，除了具有RS232C接口外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，可以实现多台数控机床间的数据通信和直接对多台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网通信的功能以及网络接口，促进了系统集成化和信息综合化，使远程在线编程、远程仿真、远程操作、远程监控及远程故障诊断成为可能。

　　自主管理

　　6）向标准化方向发展

　　数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50多年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G、M代码对加工过程进行描述，显然，这种面向过程的描述方法已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

　　7）向驱动并联化方向发展

　　并联机床（又称虚拟轴机床）是20世纪最具革命性的机床运动结构的突破，引起了普遍关注。并联机床（参见图1-7）由基座、平台、多根可伸缩杆件组成，每根杆件的两端通过球面支承分别将运动平台与基座相连，并由伺服电机和滚珠丝杠按数控指令实现伸缩运动，使运动平台带动主轴部件或工作台部件作任意轨迹的运动。并联机床结构简单但数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此并联机床是一种知识密集型机构。并联机床与传统串联式机床相比具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用。

　　由并联、串联同时组成的混联式数控机床，不但具有并联机床的优点，而且在使用上更具实用价值，是一类很有前途的数控机床。 

　　数控机床发展趋势分析

　　1.向高速度、高精度方向发展

　　速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到产品的质量和档次、产品的生产周期和在市场上的竞争能力。

　　2.向柔性化、功能集成化方向发展

　　数控机床在提高单机柔性化的同时，朝单元柔性化和系统化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性的高效加工设备。

　　3.向智能化方向发展

　　随着人工智能在计算机领域不断渗透和发展，数控系统向智能化方向发展。在新一代的数控系统中，由于采用了“进化计算”“模糊系统”和“神经网络”等控制机理，使其性能大大提高。

　　4.向高可靠性方向发展

　　为提高可靠性，其采用更高集成度的`电路芯片，采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。

　　除了这些以外，我国数控机床还向网络化方向发展、向驱动并联化方向发展、向标准化方向发展。希望我国的数控机床行业一直地不断进步、不断发展。

　　近年来，以上市企业为代表的数控机床制造企业率先进行了技术攻关及创新。

　　1、沈阳机床(000410)：开发的A、C摆角高速加工中心，解决了航空领域的大型铝合金高速加工难题。同时，沈阳机床开发的大型车铣复合机床，整体提高了船舶大型曲轴加工的精度和加工效率，对于解决我国船舶动力落后问题发挥了积极作用。

　　2、济南第二机床厂：开发的桥式5轴龙门加工中心，解决了航天领域的钛合金锻件加工难题。

　　3、陕西秦川机床(000837)：集团研发的5轴联动数控叶片磨床也已在黎明航空发动机公司的发动机叶片磨削生产线上得到应用，保证了航空企业的批量生产需要。

　　4、武汉重型机床厂：研制的CKX53160数控单柱移动立式车铣床，完成了对三峡水电站550吨巨型水轮机转轮的加工任务。该厂还研制出重型7轴5联动车铣复合加工机床，可承重100吨，能一次装夹完成大型军用船舶螺旋桨的全部工序加工。

　　5、华中数控(300161)：公司配套的钻攻中心已经批量应用于三星、华为等国内外知名品牌手机的生产。与国外知名品牌数控系统相比，公司产品的主要性能和加工效率毫不逊色，并且实现了部分超越。而且近期表示，公司数控系统有小批量应用在航空航天等领域。同时，机器人业务为公司的主业之一，公司已在武汉、重庆、深圳、佛山等地对机器人业务进行布局。

　　6、华东数控(002248)：主营业务为研发、生产经营数控机床、数控机床关键功能部件(数控系统、编码器、高速精密机床主轴、刀库等)及普通铣床、普通磨床等。公司具有先进数控龙门导轨磨床产品,CRTSII型高速铁路机床产品,数控加工中心产品、圆磨产品等,未来通过与大连机床集团的营销平台的有效嫁接,将充分发挥公司产品的竞争优势。

　　值得注意的是，大连机床2006年研发成功的国产首台9轴5联动数控机床，国产9轴数控机床的问世，或将推动中国潜艇的静音性能迈上新台阶。

　　公司自2006年成立以来一直专注从事高速精密电主轴的设计、生产与销售以及相关零配件与维修业务。目前，公司的产品包括PCB钻孔机与成型机主轴、数控雕铣机主轴、高速加工中心主轴以及其他领域主轴四类，涉及九大系列上百种相关产品，在国内外均占部分市场份额。另外，目前公司有国家专利上百个，并与高校联合共建四个实验室。

　　7、昊志机电(300503)：电主轴行业的国内领军企业，技术实力领先。行业成长空间大，售后市场需求广阔。

　　目前中国数控机床消费总额占全球比例高达42%，机床保有量不断提高。伴随我国机床行业的快速增长、结构调整以及专业化分工深化，具有多方面技术和性能优势的电主轴将受益于下游机床工业产业升级。而进口电主轴价格高、交货期长、维修困难，国内产品进口替代空间广阔。此外，电主轴常因操作不当、部件磨损等原因导致故障，也会因长期使用精度下降而需要维护检修。

　　最后，需要注意的是，只有宏观经济大环境彻底改善，才能有效扭转我国机床行业的发展趋势。但是，就中长期而言，笔者坚定看好该行业的发展前景——事关大国安危!可以在目前的二级市场中把握波段交易机会。

数控机床发展趋势分析

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