数控机床发展趋势

摘要：　数控机床是先进制造技术的核心。高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是现代数控机床的发展主流。数控机床给机械制造业带来了性的变化。本文重点介绍数控技术的发展过程以及未来的发展趋势。

关键词：　柔性化  高精度  数控技术  CNC 系统  发展趋势

引言：近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动、电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企业已成为大、中型企业的主要技术装备。

✧数控系统的发展趋势

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：

1、 性能发展方面

1.1 高精高速高效化速度

效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速CPU 芯片、RISC 芯片、多CPU 控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。

1.2 柔性化

数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。

1.3 多轴化

多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

2 功能发展方面

2.1 用户界面图形化

用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，图形用户界面要适合各种用户包括非专业用户的使用，通过窗口和菜单进行操作，可实现图形模拟、图形动态跟踪、仿真和快速编程等功能。

2.2插补和补偿多样化

插补方式有直线插补、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、多项式插补等。补偿功能有垂直度补偿、间隙补偿、圆弧插补时过象限的误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、刀具半径补偿、温度补偿等。

2.3高性能的内置PLC

数控系统内装高性能的PLC，可直接用梯形图或高级语言编程，可在线调试和在线编辑修改，建立自己的应用程序。

2.4 多媒体技术应用

计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控系统，应用多媒体技术对各种信息可进行综合化，智能化处理。

3 体系结构的发展方面

3.1 集成化

采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路，及专用集成电路芯片，提高数控系统的集成电路密度和软硬件运行速度及系统的可靠性。

3.2 模块化

实现数控系统的集成化和标准化，将CPU、储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，构成不同档次的数控系统。

4 智能化、开放式新一代数控系统

4.1 智能化

自动编程、加工过程智能监控、在线检测等。今后的数控系统将计算机智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程，即称为智能闭环控制体系，这种技术是利用传感器获得适时的信息，以增强制造者取得最佳产品的能力；智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

4.2 开放式

开放式体系结构使数控系统有更好的柔性、适应性、通用性、扩展性，并向网络化、智能化方向发展。目前开放式数控系统主要有三种形式：1）全升、下降十个动作组成[7]。系统漫游是通过操纵键盘实现用户在三维场景中的任意漫游, 通过键盘用户可以灵活、准确地对场景进行全方位的观察。 键盘漫游的过程就是通过键盘连续不断地改变视点位置或视线方向并渲染场景的过程。

5 　网络化、信息化加工技术的发展趋势

5. 1 　数控机床网络化

随着柔性制造单元( FMC) 、柔性制造系统( FMS) 的发展,数控机床网络化建设已是现代制造业发展的一个大趋势。网络化数控装备是近年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、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、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。

数控机床网络系统包括:

(1) 网络服务器。

(2) 局域网线。

(3) CAD/ CAM 计算机。

(4) CNCL IN K- 4. 0 管理系统。

(5) 联网系统主控机。

(6) 远程通讯接口。

(7) 通讯电缆。

(8) 数控机床。

其中网络服务器、局域网线、CAD/ CAM 系统和数控机床是企业已存在的资源。系统管理机是一台安装了联网专用软件的工业级PC 计算机,可以将客户管理端软件安装在局域网的任何一台计算机上作为管理工作站。联网系统管理机是一台专用计算机,其作用是接受各工作站的调度,向网络上所有数控机床发送指令,实现机床信息的统一管理。远程通讯接口设备是专用于主控机与机床间通讯的多串口分配器,其特点是可实现远距离传输而无信号损失。通讯电缆是普通4 芯屏蔽电缆,两端加光电隔离器以避免干扰信号。

随着网络技术日益普遍运用,互联网进入车间只是时间问题,这将是数字化制造的主要标志。从另一角度来看,企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销) 或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的,车间最底层的加工设备———数控机床不能够连成网络或信息化,就必然成为制造业信息化的制约瓶颈。所以,对于现代制造工厂来说,除了要提高机床的数控化率外,更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能,以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。

5. 2 　数控机床信息化

从数控技术的发展趋势来看,CAM(计算机辅助制造)与CNC(数控机床) 的集成可以为最终的用户带来效益,是一大趋势。当然,从更加长远的方向来看,CNC 系统、运动控制系统、自动化驱动系统这三大自动系统在统一的驱动平台下工作也是数控技术的发展趋势。数控机床信息化的典型案例是Mazak410H ,该机床配备有信息塔,实现了工作地的自主管理。信息塔具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网,下载工作指令和加工程序。工件试切时,可在屏幕上观察加工过程。信息塔实时反映机床工作状态和加工进度,并可以通过手机查询。信息塔同时进行工作地数据统计分析和刀具寿命管理,以及故障报警显示、在线辅助排除。机床操作权限需经指纹确认。

6　绿色机床技术的发展趋势

绿色机床提出一种全新的概念,大幅减少机床重量,节省材料,同时降低机床使用时的能源消耗。绿色机床关注数控机床与环境和人的关系,强调节能减排,确保在大幅度提高机床生产效率的同时降低生产系统对环境的负荷以及对操作者健康的危害。因此,绿色机床具有以下几大特点:

(1) 机床主要零部件由再生材料制造。

(2) 机床的重量和体积减少50 %以上。

(3) 通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30 %～40 %。

(4) 使用过程中产生的各种废弃物减少50 %～60 % ,保证基本没有污染的工作环境。

(5) 报废后机床的材料100 %可回收。

据统计,目前机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25 %左右,各种损耗和辅助功能占去大部分。机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床。传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度,提高刚度就必须增加机床重量”。因此,现有机床重量的80 %用于保证机床的刚度,而只有20 %用于满足机床运动学的需要。绿色机床就是要在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量,达到省材、节能的目的。

实现途径主要有三个方面:

(1) 通过结构优化或者采用新结构实现轻量化。

(2) 采用新材料或复合材料来实现轻量化。

(3) 采用自适应补偿技术提高机床的精度。

✧结束语

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、绿色化已成为现代数控机床发展的趋势和方向。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。

参考文献：

1.梁伟、王先，《数控机床发展趋势》，《桂林航天工业高等专科学校学报》，2010 年第2 期。

2.任艺、王冬梅，《数控技术的发展方向》，《科技资讯》，2009 NO.18。

3.刘祖其，《数控机床电气控制》，《高等教育出版社》,2009。

4.汪哲能, 《并联机床研究趋势及我国发展现状分析》,《中国新技术新产品》，2009 NO.24。

5.王彩霞，《数控系统与数控机床技术发展趋势》，《新技术新工艺·数字技术与机械加工工艺装备》　2010年　第4期。

6.曹丽萍，《浅谈数控技术的发展》，《中国新技术新产品》，2009 NO.24。