淺談我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

吳連連，黃愛華

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055）

0 引 言

數(shù)控（NC）是數(shù)字控制（Numerical Control）的簡稱，是20 世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種用數(shù)字化信息進行自動控制的一種方法。裝備了數(shù)控技術(shù)的機床，稱為數(shù)控機床，也簡稱為NC機床。

世界上第一臺數(shù)控機床是由美國麻省理工學(xué)院于1952年首先研制出來的；日本于1958年研制出首臺數(shù)控機床。我國數(shù)控機床的研制是從1958年起步的，由清華大學(xué)研制出了最早的樣機。但是經(jīng)過50 多年的發(fā)展，2010 年我國已經(jīng)躍居世界第一大機床生產(chǎn)國。在2012年5月27日，在湖北省數(shù)控一代機械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程啟動大會上，中國工程院院長周濟強調(diào)：“全世界的機械工業(yè)正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時期，我們必須抓住這一契機，在10年內(nèi)實現(xiàn)機械產(chǎn)品總體升級為‘?dāng)?shù)控一代’，使我國機械工業(yè)實現(xiàn)由‘大’到‘強’的轉(zhuǎn)變?！?/p>

1 數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。數(shù)控機床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機床本體，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機床的組成

1.1 控制介質(zhì)

控制介質(zhì)是儲存數(shù)控加工所需要的全部動作和刀具相對于工件位置信息的媒介物，它記載著零件的加工程序，因此，控制介質(zhì)就是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，穿孔帶、穿孔卡趨于淘汰，而利用CAD/CAM軟件在計算機編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置的方法應(yīng)用越來越廣泛。

1.2 數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，人們喻為“中樞系統(tǒng)”?，F(xiàn)代數(shù)控機床都采用計算機數(shù)控裝置，即CNC（Computer Numerical Control）。數(shù)控裝置包括輸入裝置及中央處理器(CPU)和輸出裝置等構(gòu)成數(shù)控裝置能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。

1.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是接收數(shù)控裝置的指令、驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)運動的驅(qū)動部件。包括主軸驅(qū)動單元、進給驅(qū)動單元、主軸電機和進給電機等。工作時，伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求與位置、速度反饋信號相比較后，帶動機床的移動部件或執(zhí)行部件動作，加工出符合圖紙要求的零件。

1.4 反饋裝置

反饋裝置是由測量元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋回來，構(gòu)成閉環(huán)控制。一些精度要求不高的數(shù)控機床，沒有反饋裝置，則稱為開環(huán)系統(tǒng)。

1.5 機床本體

機床本體是數(shù)控機床的實體，是完成實際切削加工的機械部分，它包括床身、底座、工作臺、床鞍、主軸等。

2 我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀

我國數(shù)控機床的研制工作起步比較晚，于1958年由清華大學(xué)和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數(shù)控銑床，并于1958 年開始試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。1965 年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20 世紀(jì)60 年代末至70 年代初成功研制。從1980年起，我國加大改革開放的力度，先后從日、德、美、西班牙等西方國家引進CNC系統(tǒng)，對各種機、電、液、氣等基礎(chǔ)原件進行合作生產(chǎn)，極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

總體來說，從1958年研制出第一臺數(shù)控機床到現(xiàn)在，我國數(shù)控機床的發(fā)展大體可以分為三個階段：1958至1979年為第一階段，在這一階段內(nèi)我國受到西方國家的封鎖和國內(nèi)環(huán)境的影響，數(shù)控機床的發(fā)展采用的是封閉式摸索前進，數(shù)控機床的一些關(guān)鍵技術(shù)，如電、氣、液等核心技術(shù)達不到可靠性要求，故障常出；1980年至1995 年為第二階段，我國提出了改革開放的政策，積極引進國外的先進數(shù)控技術(shù)，利用國外的先進產(chǎn)品配置和技術(shù)，期間我國的數(shù)控機床取得了長足的發(fā)展，逐漸縮小與國外先進國家的差距，但總體來說，這個階段屬于我國的仿制時期，自主研發(fā)的產(chǎn)品占少數(shù)；1996 年至今為第三階段，我國實施產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略，數(shù)控機床進入自主研發(fā)的時期，數(shù)控機床的產(chǎn)值比重也逐漸增大，數(shù)控機床無論從數(shù)量上還是在質(zhì)量上都取得了較大的進步，某些核心的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)接近或者領(lǐng)先于世界水平。例如，2010 年，世界28 個主要機床生產(chǎn)國家和地區(qū)產(chǎn)值達663億美元，較2009年增長了21%，其中，中國機床占全球機床產(chǎn)值的31%。中國為世界機床第一大生產(chǎn)國，日本居第二位，德國位列第三位，但是排名世界前7 位的數(shù)控機床生產(chǎn)企業(yè)我國沒有一家[2]。

3 我國數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

20世紀(jì)90年代開始，我國數(shù)控機床系統(tǒng)完成了16位機向32位機轉(zhuǎn)變，伺服驅(qū)動從直流向交流全數(shù)字式轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)從封閉向開放轉(zhuǎn)變，控制系統(tǒng)由專用計算機向通用計算機轉(zhuǎn)變，加快了數(shù)控機床技術(shù)前進的步伐，具體來說數(shù)控機床會朝著以下幾個方向發(fā)展[3-4]。

3.1 高速化

隨著新型刀具和其他關(guān)鍵部件的采用，數(shù)控機床進入高速切削的時代。高速加工采用遠高于常規(guī)加工切削速度進給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時，同時還可獲得很高加工精度。高速切削機床是實現(xiàn)高速切削加工的前提和關(guān)鍵，具有高精度的高轉(zhuǎn)速主軸，具有控制精度高的高軸向進給速度和進給加速度的軸向進給系統(tǒng)，是實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵。例如，現(xiàn)在數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速由原來的幾千轉(zhuǎn)提高到現(xiàn)在的上萬轉(zhuǎn)，甚至幾十萬轉(zhuǎn)；進給速度由原來的每分鐘幾米提高到現(xiàn)在100～200 m/min；換刀的時間也越來越短，從原來的十幾秒降到現(xiàn)在的1 ms，這些都極大地提高了生產(chǎn)率。

3.2 精密與超精密化

精密與超精密加工是今后金屬切削加工的發(fā)展方向。近幾年，隨著數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，通過機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造和裝配的精化，數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和溫度、振動誤差補償技術(shù)的應(yīng)用等，從而提高數(shù)控機床加工的幾何精度、運動精度，減少形位誤差、表面粗糙度。據(jù)資料分析，數(shù)控機床加工精度平均每8 年提高1 倍，從數(shù)控機床的產(chǎn)生到現(xiàn)在，數(shù)控機床的加工精度提高了大約了100倍。近10 多年來，精密級加工中心的加工精度則從（±3～5）μm 提高到（±1～1.5）μm。

3.3 開放化

基于通用計算機的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控機床系統(tǒng)已經(jīng)成為其發(fā)展的主要方向，開放化的系統(tǒng)可以使數(shù)控機床應(yīng)用于不同的平臺之上，可以與其他不同的系統(tǒng)相互操作，增加數(shù)控機床系統(tǒng)的兼容性，這種開放的、交互的數(shù)控機床具有操作簡便、維護方便等特點，提高了數(shù)控機床在企業(yè)中的普及率。

3.4 技術(shù)集成化和技術(shù)復(fù)合化

技術(shù)集成和技術(shù)復(fù)合是今后數(shù)控機床發(fā)展的另一趨勢。為了提高生產(chǎn)率，出現(xiàn)復(fù)合加工機床，復(fù)合加工機床突出體現(xiàn)了工件在一次裝卡中完成大部分或全部加工工序，從而達到減少機床和夾具、免去工序間的搬運和儲存、提高工件加工精度、縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。這類機床可以進行復(fù)合工序的操作，例如車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工技術(shù)復(fù)合，甚至還可以跨加工類別的技術(shù)復(fù)合，如激光-沖壓、金屬切割-激光等技術(shù)復(fù)合，這類復(fù)合加工機床的出現(xiàn)極大地縮短了輔助時間，提高了生產(chǎn)率。

3.5 智能化

智能化指工作過程智能化，利用計算機、信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機結(jié)合，對數(shù)控機床加工過程實行智能監(jiān)控和人工智能自動編程等。智能監(jiān)控是指在加工過程中，數(shù)控機床可以實現(xiàn)對工件的自動找正、自動換刀、自動補償以及對加工過程出現(xiàn)的故障問題等自動解決，而人工智能編程是指數(shù)控機床可以根據(jù)設(shè)定程序自動加工出所需要的零件。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制（遠程控制）已經(jīng)成為數(shù)控機床可持續(xù)發(fā)展的新方向之一。

3.6 綠色化

人口、資源和環(huán)境已經(jīng)成為制約人類發(fā)展的三大問題。為尋求符合環(huán)保要求的機床，干式和微量冷卻類型數(shù)控機床應(yīng)用越來越廣泛。操作工人的環(huán)境、加工材料、冷卻液的使用會成為衡量數(shù)控機床的綠色水平，因此綠色清潔的數(shù)控機床成為今后數(shù)控機床的主導(dǎo)方向。

4 結(jié)束語

雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，我國數(shù)控機床技術(shù)取得較大的進步，在世界市場上也占有比較重要的地位，但是我們也應(yīng)該清晰地看到，在中、高檔數(shù)控機床的可靠性和數(shù)控機床的配套設(shè)施方面以及數(shù)控機床的一些先進產(chǎn)品與技術(shù)，與國外發(fā)達國家相比仍有一定的差距，因此，還應(yīng)做好以下幾個方面：1）數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新；2）加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)；3）積極消化國外先進數(shù)控技術(shù)；4）建立健全數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研體系。只有這樣我國數(shù)控機床水平才能處于世界領(lǐng)先水平。

[1] 劉永兵. 控機床的發(fā)展趨勢[J].考試周刊，2011（40）：149.

[2] 王政.數(shù)控機床的歷史、現(xiàn)狀與展望[J].魅力中國，2011（4）：388.

[3] 李紹鵬.數(shù)控機床產(chǎn)品發(fā)展趨勢探究[J].物流工程與技術(shù)，2011（11）：43-44.

[4] 唐克巖.我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機床與液壓，2012（3）：145-147.