未來(lái)機(jī)床發(fā)展走向及熱點(diǎn)技術(shù)淺談

廈門大學(xué)航空系 董一巍 李曉琳

機(jī)床是制造及修理一切機(jī)器的機(jī)器，在制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。用機(jī)床生產(chǎn)的產(chǎn)品技術(shù)水平可以反映一個(gè)國(guó)家機(jī)械工藝的技術(shù)水平，機(jī)床工具工業(yè)被譽(yù)為機(jī)械工業(yè)的“總工藝師”[1-2]。一方面，隨著尖端科技的不斷發(fā)展，以航空航天、汽車為代表的高科技領(lǐng)域?qū)?fù)雜零件的性能要求不斷提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來(lái)越快，對(duì)先進(jìn)制造機(jī)床的要求也不斷提高，對(duì)發(fā)展未來(lái)機(jī)床的需求愈加迫切。另一方面，隨著加工零件要求的不斷提高，機(jī)床上的加工工具、工藝方法、工藝裝備以及檢測(cè)、控制方法等也在不斷發(fā)生革新，促使機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)不斷改進(jìn)和發(fā)展。圖1展示了數(shù)控設(shè)備及制造系統(tǒng)的歷史變化趨勢(shì)，而高精度、高效率、復(fù)合化、智能化、綠色化、高柔性化和模塊化是未來(lái)機(jī)床理想的發(fā)展方向。

圖1 數(shù)控設(shè)備及制造系統(tǒng)的歷史變化趨勢(shì)

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

在19世紀(jì)后期，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，美國(guó)迅速超過(guò)英國(guó)成為了機(jī)床工業(yè)第一強(qiáng)國(guó)。運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)，首先研制出了各種由機(jī)、電、液控制的高效自動(dòng)化機(jī)床。由于航空制造業(yè)復(fù)雜零件的制造和特殊材料的加工需求，麻省理工學(xué)院（MIT）研制出世界第一臺(tái)數(shù)字控制機(jī)床，并進(jìn)行了大量的原理性和應(yīng)用性技術(shù)試驗(yàn)。目前，其高檔NC機(jī)床居多，同時(shí)也根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，生產(chǎn)性價(jià)比高、實(shí)用先進(jìn)的中檔NC機(jī)床[3-4]。在第十三屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（CIMT2013）上，美國(guó)哈挺公司展出了T42超精密車削中心，其主軸跳動(dòng)小于0.5μm，重復(fù)定位精度小于2μm，工件圓度為0.25μm，輪廓精度和連續(xù)加工精度均為5μm。美國(guó)哈斯DS-30Y系列車削中心配備Y軸、C軸和動(dòng)力刀結(jié)合雙軸車削，能在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行多次重復(fù)和加工，能夠進(jìn)行偏心銑削、鉆孔和攻絲加工，具備四軸加工能力。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，德國(guó)則更加重視機(jī)床基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，重視發(fā)展高精度重型、大型NC機(jī)床，并注重先進(jìn)工藝、成組技術(shù)、先進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)和各種配套件、NC系統(tǒng)、測(cè)量、刀具、砂輪技術(shù)的發(fā)展。德馬吉森精機(jī)天津工廠制造的高精度臥式加工中心NHC4000/NHC5000（如圖2所示）對(duì)各移動(dòng)體實(shí)行輕量化加工，快速進(jìn)給速度由以前的50m/min提高到60m/min，提高了20%以上；通過(guò)X軸、Y軸線性導(dǎo)軌配置在高位，實(shí)現(xiàn)了壁厚高剛性床身。此外，通過(guò)加大主軸軸承內(nèi)徑和縮短主軸端面到托盤中心的最短距離，實(shí)現(xiàn)了更高剛性的加工。NHC系列機(jī)床能進(jìn)行從低速鑄件加工到高速鋁合金加工，可滿足汽車、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等多個(gè)行業(yè)的加工需求[5-6]。

日本則優(yōu)先發(fā)展量大面廣、中檔偏高的NC機(jī)床，其中FANUC公司的NC系統(tǒng)在先進(jìn)性、齊全性方面尤為突出，對(duì)多工序復(fù)合加工的加工中心（MC）特別重視，同時(shí)不斷開(kāi)發(fā)高檔機(jī)床[7]。由日本大隈生產(chǎn)的MB-V系列立式加工中心曾獲得2002年度“日本機(jī)械學(xué)會(huì)科技獎(jiǎng)”，其對(duì)溫度變化所產(chǎn)生的真正熱變形，以環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所取得的大量熱變位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)0.1μm單位的實(shí)時(shí)熱變位補(bǔ)償方法予以控制，即使在室溫變化達(dá)8℃的情況下，加工過(guò)程中的尺寸變化也只有8μm（實(shí)測(cè)值），實(shí)現(xiàn)了非常高精度的加工[8]。世界著名精密機(jī)床制造企業(yè)日本安田（YASDA）的YBM640V verⅢ數(shù)控坐標(biāo)加工中心和YBM6J高精度臥式坐標(biāo)加工中心，定位精度分別達(dá)到2.0μm 和3.0μm。日本牧野機(jī)床有限公司的EDBV3高精度五軸電火花機(jī)床具有“貫通感知功能”，在加工小孔時(shí)，可在貫通1mm距離內(nèi)自動(dòng)停止，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。

從目前來(lái)看，世界先進(jìn)的機(jī)床技術(shù)主要體現(xiàn)在以下方面：首先，先進(jìn)的機(jī)床往往伴隨著先進(jìn)的加工工藝，如近年發(fā)展的磨削、車削、電加工、激光加工相結(jié)合的MC復(fù)合機(jī)床，可以完成復(fù)雜零件的一次裝夾下的全部加工；而智能化機(jī)床能自行選擇優(yōu)化加工工藝，如淬硬鋼件的以車代磨、以磨代車、硬齒面滾切強(qiáng)力磨削等加工工藝，大大提高了加工精度和效率。其次，機(jī)床結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性體現(xiàn)在通過(guò)機(jī)床布局的改進(jìn)和創(chuàng)新可以大大提高機(jī)床的加工效率，由原來(lái)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展到框中框結(jié)構(gòu)，又到后來(lái)的虛擬軸、串并聯(lián)軸、純并聯(lián)軸等新型結(jié)構(gòu)，一直在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新[9]。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

圖2 德馬吉森精機(jī)NHC4000臥式加工中心

圖3 大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任VDW 500立式加工中心

總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)機(jī)床行業(yè)現(xiàn)在正高速發(fā)展。從產(chǎn)值來(lái)看，已經(jīng)位于世界前列，如我國(guó)的沈陽(yáng)機(jī)床廠和大連機(jī)床廠位于世界機(jī)床企業(yè)前十五強(qiáng)[10]。機(jī)床技術(shù)進(jìn)步顯著，如圖3所示，大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司的VDW 500五軸立式加工中心，采用三坐標(biāo)單元式結(jié)構(gòu)，床體為整體鑄件，滑臺(tái)做X向運(yùn)動(dòng)（左右運(yùn)動(dòng)），立柱在滑臺(tái)上做Y向運(yùn)動(dòng)（前后運(yùn)動(dòng)），滑枕在立柱做Z向運(yùn)動(dòng)（上下運(yùn)動(dòng)），A、C軸NC轉(zhuǎn)臺(tái)固定在床體上繞X、Z旋轉(zhuǎn)，特別適用于五軸聯(lián)動(dòng)的各種復(fù)雜3D曲面恒速加工和五面加工，在航空、航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11]。北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司的SP320和SP400LC亞微米精度精密數(shù)控車削中心，主軸徑向跳動(dòng)0.5m，主軸軸向跳動(dòng)1μm，重復(fù)定位精度2μm[12]。GF加工方案推出的SA20數(shù)控精密電火花成型機(jī)床，具有智能化全自動(dòng)編程、豐富的加工策略、成熟的專家參數(shù)庫(kù)、自動(dòng)移動(dòng)、找邊、找角、找內(nèi)中心、找外中心、電極找正、C軸分中、工件找正、實(shí)時(shí)監(jiān)視加工狀態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)等智能功能。東風(fēng)汽車有限公司設(shè)備制造廠的DH500-IAPC高速臥式加工中心單元，具有視覺(jué)識(shí)別、溫升伸長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償、智能故障診斷、智能防撞等功能。

但從類型上來(lái)說(shuō)，我國(guó)取得主要發(fā)展進(jìn)步的為中低檔機(jī)床，而高檔機(jī)床市場(chǎng)則主要被國(guó)外占領(lǐng)。中國(guó)機(jī)床工業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、使用、創(chuàng)新能力，尚處于低中檔水平。當(dāng)今的中國(guó)機(jī)床、功能部件、控制系統(tǒng)、刀具和測(cè)量，在精度、可靠性、穩(wěn)定性、耐用性上，與國(guó)外先進(jìn)水平差距仍然存在，這也是大量進(jìn)口國(guó)外高檔NC機(jī)床的根本原因[13]。

未來(lái)機(jī)床的發(fā)展方向

隨著以航空工業(yè)為代表的高端科技的不斷發(fā)展，加工產(chǎn)品的性能要求越來(lái)越高，對(duì)零件的加工效率要求也不斷提高，精度和成本的控制越來(lái)越嚴(yán)格，這對(duì)于未來(lái)機(jī)床的性能提出了更高的要求。以下從機(jī)床技術(shù)特性和技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)闡述未來(lái)機(jī)床的發(fā)展方向。

1 從機(jī)床技術(shù)特性的角度

“高速、高精、復(fù)合、智能、環(huán)保”是公認(rèn)的未來(lái)機(jī)床發(fā)展的必然方向。

（1）高精度。

從20世紀(jì)50年代到2000年，機(jī)床的精度每8～10年就會(huì)提高一倍。目前機(jī)床加工的尺寸精度已經(jīng)達(dá)到μm級(jí)，加工的形位精度甚至達(dá)到了亞微米級(jí)和深亞微米級(jí)。采用溫度、振動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，提高了數(shù)控機(jī)床的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度等。目前，普通數(shù)控機(jī)床的加工精度可達(dá)5～10μm，精密級(jí)加工中心可達(dá) 1～1.5 μm，超精密加工中心的精度可達(dá)納米級(jí)。另外，機(jī)床精度的提高不只體現(xiàn)在加工精度數(shù)量級(jí)上，高精度的概念也得到了拓展和延伸?，F(xiàn)在提到高精度，包括表面粗糙度、形位精度和尺寸精度間的相互協(xié)調(diào)，例如尺寸精度在μm級(jí)，形位精度為亞微米級(jí)，則表面精度在nm級(jí)左右，同時(shí)還要保障工件表層結(jié)構(gòu)品質(zhì)[14-15]。

國(guó)內(nèi)超精密加工的典型有北京機(jī)床所的納米車床、上海磨床廠的納米磨床；國(guó)外典型的產(chǎn)品有DIXI公司以精密鏜銑床為主的納米級(jí)機(jī)床。機(jī)床的精度是一方面，機(jī)床的高精度相應(yīng)地也對(duì)控制系統(tǒng)、位置測(cè)量/反饋以及數(shù)控系統(tǒng)與伺服控制的匹配等提出了新的要求[16]。

（2）高效率。

20世紀(jì)后期，機(jī)床的生產(chǎn)率約提高了5倍，主要通過(guò)全面提高金屬切除率和數(shù)字化制造技術(shù)等途徑加以實(shí)現(xiàn)。隨著刀具材料和機(jī)床結(jié)構(gòu)的發(fā)展，歐美各國(guó)應(yīng)用新的機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高功能部件性能，輕量化移動(dòng)型部件，減少運(yùn)動(dòng)摩擦。高速加工技術(shù)的應(yīng)用縮短了切削時(shí)間和輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了加工制造的高質(zhì)量和高效率。其另一個(gè)特點(diǎn)是大多從單一的高速切削發(fā)展至全面高速化，并借助柔性制造技術(shù)和信息化生產(chǎn)管理技術(shù)，不僅縮短切削時(shí)間，同時(shí)輔助時(shí)間和技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間也大大降低。對(duì)自動(dòng)化加工作出突出貢獻(xiàn)的MAZAK公司是世界上應(yīng)用FMS最成熟、最全面的機(jī)床制造商，它可以根據(jù)加工對(duì)象確定加工過(guò)程，選擇相適應(yīng)的加工設(shè)備，確定加工步驟[17]，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）復(fù)合化。

由于復(fù)雜零件的加工要求越來(lái)越高，目前越來(lái)越多的復(fù)雜零件采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行綜合加工，以避免加工過(guò)程中反復(fù)裝夾帶來(lái)的誤差，提高加工精度，縮短加工周期。復(fù)合加工機(jī)床已成為機(jī)床發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前應(yīng)用最多的是以車削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機(jī)床和以銑削為基礎(chǔ)的復(fù)合加工機(jī)床，除此之外還有許多其他類型，例如以磨削為基礎(chǔ)的磨頭回轉(zhuǎn)式(或可換式)復(fù)合加工機(jī)床，以及將激光加工、沖壓、熱處理等各種工藝組合而成的復(fù)合加工機(jī)床。這些機(jī)床都是在原有的基礎(chǔ)上集成其他加工工藝組合而成，多為復(fù)合數(shù)控機(jī)床和復(fù)合加工中心，如圖4所示為德馬吉森精機(jī)的車銑復(fù)合加工中心，可在一臺(tái)機(jī)床上完成從毛坯到齒輪的全套加工，加工過(guò)程如圖5所示。

圖4 德馬吉森精機(jī)車銑復(fù)合加工中心

圖5 復(fù)合中心加工齒輪

未來(lái)的復(fù)合加工機(jī)床將結(jié)合數(shù)控技術(shù)、軟件技術(shù)、信息技術(shù)、可靠性技術(shù)的發(fā)展，向構(gòu)件集約化、結(jié)構(gòu)緊湊化、配置模塊化和部件商品化方向發(fā)展。復(fù)合加工機(jī)床的性能也會(huì)根據(jù)用戶的加工要求向多樣化發(fā)展，如有適合于多品種、單件和小批量生產(chǎn)的全功能性復(fù)合加工機(jī)床，也有為適合于提高生產(chǎn)效率和較大批量生產(chǎn)條件的專用的、功能適宜的復(fù)合加工機(jī)床。同時(shí)，復(fù)合加工技術(shù)也在重型、大型機(jī)床上有著廣泛的開(kāi)發(fā)前景。復(fù)合加工是未來(lái)機(jī)床發(fā)展的重要方向[18]。

（4）智能化。

智能化是指工作過(guò)程智能化，即利用計(jì)算機(jī)將信息、網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行全方位的監(jiān)控。其內(nèi)容包括數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面，如為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便等方面的智能化，為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化；還有智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等，以及智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容[19]。數(shù)控加工的智能化制造的關(guān)鍵是測(cè)控-加工一體化技術(shù)[20]。

“將機(jī)床與智能機(jī)器人融合”也是已提出的提升機(jī)床智能化水平的一條途徑，日本發(fā)那科在這方面頗具發(fā)言權(quán)。相比普通重復(fù)動(dòng)作型機(jī)器人，發(fā)那科已研發(fā)了具有視覺(jué)傳感器和力覺(jué)傳感器的智能機(jī)器人，可以代替人工完成工件的上下料作業(yè)，并且還研發(fā)了既可以控制機(jī)床功能，也能控制機(jī)器人的智能控制裝置[21]。

（5）綠色化。

“綠色機(jī)床” 的核心概念即是減少對(duì)能源的消耗。我們期望綠色機(jī)床應(yīng)該具備的特征有：機(jī)床主要零部件由再生材料制造；機(jī)床的重量和體積減少50%以上；通過(guò)減輕移動(dòng)部件質(zhì)量、降低空運(yùn)轉(zhuǎn)功率等措施使功率消耗減少了30%～40%；使用過(guò)程中的各種廢棄物減少了50%～60%，保證基本沒(méi)有污染的工作環(huán)境；報(bào)廢機(jī)床的材料接近100%可回收[22-24]。

2 從技術(shù)發(fā)展的角度

從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，未來(lái)機(jī)床有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

第一，高效化。高效化首先體現(xiàn)在高速化，其中包含主軸的高速化和進(jìn)給的高速化。目前已應(yīng)用的高速銑削加工中心類機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到42000r/min或更高。而隨著直線電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)床進(jìn)給速度也從原來(lái)的每分鐘幾米、十幾米發(fā)展到現(xiàn)在的（80～120）m/min，同時(shí)進(jìn)給加速度也大大提高。這使得機(jī)床的加工效率大大提高。其次是復(fù)合化，即將幾種加工工藝復(fù)合起來(lái)，一次性加工某些復(fù)雜零件，縮短機(jī)床輔助工作時(shí)間。然后是針對(duì)特殊應(yīng)用的多主軸加工系統(tǒng)的應(yīng)用，新的加工工藝將會(huì)帶動(dòng)新的加工方式出現(xiàn)，在航空大型結(jié)構(gòu)件的加工中，例如陣列式加工、多龍門、多主軸數(shù)控加工等不僅能提高效率，還會(huì)帶來(lái)一系列好處。最后是適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以和各種機(jī)床配套的適應(yīng)控制技術(shù)，能夠優(yōu)化加工過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)，從而提高加工效率。此外，高效和復(fù)合刀具的使用同樣也使機(jī)床的效率明顯提高。

第二，精密化。數(shù)控機(jī)床的精密化對(duì)控制系統(tǒng)、位置測(cè)量/反饋以及數(shù)控系統(tǒng)與伺服控制的匹配等提出了新的要求。為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越多的復(fù)雜零件對(duì)精密度的要求，必須尋求各項(xiàng)超精密加工技術(shù)的突破，包括超精密加工機(jī)床的裝夾、刀具材料、加工工藝、環(huán)境控制和測(cè)控技術(shù)、誤差補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)方面[25-30]。

第三，數(shù)控機(jī)床與工藝的緊密結(jié)合。機(jī)床企業(yè)應(yīng)首要考慮用戶行業(yè)的零件特征、加工需求和工藝路線的特征性，為了滿足企業(yè)的特殊要求，機(jī)床行業(yè)將以滿足企業(yè)個(gè)性化要求為目標(biāo)，向著專業(yè)定制的方向發(fā)展。

以航空領(lǐng)域?yàn)槔?，未?lái)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)所采用的鈦合金和復(fù)合材料的比例將大幅度提升，鋁合金的需求有所下降，鈦合金和復(fù)合材料的加工機(jī)床逐漸受到青睞。針對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)，中捷機(jī)床有限公司借助十一五科技重大專項(xiàng)的契機(jī)研發(fā)了一款用于鈦合金加工的AB擺頭五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，其加工能力與國(guó)外同類型機(jī)床相當(dāng)，完全可以替代該類型的進(jìn)口機(jī)床[31-32]。

第四，數(shù)控機(jī)床本身的設(shè)計(jì)優(yōu)化。應(yīng)用可以大幅提高機(jī)床性能的技術(shù)和理念，如箱中箱設(shè)計(jì)技術(shù)、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)和重心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，同時(shí)更加重視影響機(jī)床精度和高性能的因素，包括抑振、抑熱和冷卻問(wèn)題[33-34]。西門子公司提出以機(jī)械電子學(xué)支持的機(jī)床設(shè)計(jì)，將機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服以及控制反饋?zhàn)鳛橐粋€(gè)完整的機(jī)電系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，更強(qiáng)調(diào)數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，進(jìn)行聯(lián)合的、全局的優(yōu)化。

第五，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和加工過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性與機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)將結(jié)合得更為緊密。西門子、馬扎克等公司在其設(shè)計(jì)上已融入這些設(shè)計(jì)理念，使機(jī)床設(shè)計(jì)從原來(lái)的只注重機(jī)床本身的設(shè)計(jì)擴(kuò)展到綜合考慮“機(jī)床－刀具－工件”的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，將加工過(guò)程特性通過(guò)仿真進(jìn)行預(yù)測(cè)，并反饋到機(jī)床的設(shè)計(jì)中。通過(guò)虛擬機(jī)床技術(shù)，在機(jī)床制造出來(lái)以前就可以看到機(jī)床的性能，有助于在設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)測(cè)機(jī)床性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)[35]。

第六，從材料的角度看，現(xiàn)在機(jī)床床身的材料已突破了傳統(tǒng)的鑄鐵、水泥，一些新型材料，比如人造大理石、鑄鋁，甚至一些仿生材料和結(jié)構(gòu)也將會(huì)用于機(jī)床。當(dāng)前的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一類新型機(jī)電一體化材料，滿足機(jī)床各項(xiàng)性能要求，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的多功能一體化于一身[36-40]。

未來(lái)機(jī)床技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)

1 直驅(qū)技術(shù)

直驅(qū)技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速加工、精密加工、環(huán)保的要求都有重要作用。以高速加工為例，在高速條件下，傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)方式將帶來(lái)一系列問(wèn)題，比磨損、間隙、振動(dòng)、噪聲、運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度低等，而直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行改善。目前，直線電機(jī)技術(shù)趨于成熟，已應(yīng)用到機(jī)床工業(yè)中的各項(xiàng)技術(shù)中，大大提高了技術(shù)水平與經(jīng)濟(jì)效益[34，41-45]。國(guó)際主流機(jī)床廠商迅速推出采用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，MAZAK開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于龍門加工中心的直驅(qū)雙擺角銑頭，DMG在CTX gamma系列車削中心采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單擺角銑頭，德馬吉森精機(jī)在NT系列復(fù)合加工機(jī)床上采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擺角銑頭，F(xiàn)ANUC公司的納米級(jí)的ROBONANO系列加工中心直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均采用直驅(qū)技術(shù)，德國(guó)E Zimmerman公司不僅提供機(jī)床和直驅(qū)擺角銑頭產(chǎn)品，還擁有3旋轉(zhuǎn)座標(biāo)擺角銑頭的專利。

和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)相比，直驅(qū)伺服電機(jī)的伺服控制難度更高。德國(guó)Siemens公司和美國(guó)Anorad公司合作，采用Siemens公司的SINUMERIK840D CNC系 統(tǒng) 和SIMODRIVE611D交流伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)Anorad公司的LFB-S-6型永磁直線電機(jī)，為此專門定義了CNC和伺服系統(tǒng)與直線電機(jī)的性能和接口特性。清華大學(xué)采用基于重復(fù)控制的非線性PID控制方法，獲得了更高的位置伺服精度和魯棒性。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)采用基于擾動(dòng)觀察器的加速度控制方法，以及采用滑模觀察器的無(wú)傳感器控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)的魯棒控制[46]。

2 結(jié)構(gòu)形態(tài)并聯(lián)化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，加之并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的剛度重量比大、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)得到了進(jìn)一步的研究與發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，已成為數(shù)控技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[47]。美國(guó)Hexel公司致力于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床和并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的普及化，推出低價(jià)位的Tornado型五坐標(biāo)加工中心和銑床工作臺(tái)以及六自由度的定位平臺(tái)和微型機(jī)器人等一系列產(chǎn)品。Metrom公司推出的P-800型五桿并聯(lián)機(jī)床Ll是一個(gè)封閉的框架機(jī)構(gòu)，在三角形頂部安裝有3根電滾珠絲桿，在后側(cè)安裝2根電滾珠絲桿，絲杠通過(guò)萬(wàn)向鉸與主軸連接，當(dāng)絲杠都運(yùn)動(dòng)到主軸的一側(cè)時(shí)，運(yùn)動(dòng)傾角可達(dá)到90°，并具有模塊化和可重構(gòu)性，如圖6所示。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多高校和科研單位對(duì)并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)了多種形式的樣機(jī)，如清華大學(xué)和天津大學(xué)聯(lián)合于1997年成功開(kāi)發(fā)了一臺(tái)基于Stewart機(jī)構(gòu)的大型鏜銑類虛擬軸機(jī)床樣機(jī)VAMTIY。北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的BKX.I型變軸數(shù)控機(jī)床，具有高剛度、高精度、高速度、高柔性、輕重量、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)[48]。燕山大學(xué)也成功開(kāi)發(fā)了五自由度的5-UPS/PRPU并聯(lián)機(jī)床，并且新開(kāi)發(fā)了適用于并聯(lián)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)[49]。我國(guó)哈爾濱量具刃具集團(tuán)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)品種（六桿結(jié)構(gòu)）成功應(yīng)用于哈爾濱汽輪機(jī)廠葉片加工生產(chǎn)線中，齊齊哈爾第二機(jī)床集團(tuán)與清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的龍門式“混聯(lián)”結(jié)構(gòu)（即串聯(lián)與并聯(lián)混合）機(jī)床，是我國(guó)獨(dú)立構(gòu)思的品種，也成功用于哈爾濱電機(jī)廠的大型水電站設(shè)備制造中。隨著世界各國(guó)對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床的深入研究，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床性價(jià)比和精度等都將不斷地提高，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床一定會(huì)得到廣闊的發(fā)展。

3 數(shù)控系統(tǒng)智能化

數(shù)控系統(tǒng)性能向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展，使柔性自動(dòng)化加工技術(shù)水平不斷提高[50]。先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床（如加工中心或者數(shù)控車削中心）都能夠滿足復(fù)雜零件的加工要求和精度要求，其強(qiáng)大的地方體現(xiàn)在機(jī)床一般具有4～5軸聯(lián)動(dòng)，能夠一次裝夾即實(shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)雜零件的全部加工。

圖6 P-800型5桿并聯(lián)機(jī)床

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)難度大，集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的數(shù)控編程程序復(fù)雜，操作困難，需要考慮多方面的運(yùn)算，處理信息量大以及不能在所有平臺(tái)上統(tǒng)一應(yīng)用等特點(diǎn)都給國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展增加了困難，但它能滿足更復(fù)雜的零件制造和更高精度的性能要求，是未來(lái)機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[51-52]。目前，在五軸數(shù)控加工編程CAD/CAM方面，以O(shè)penMind公司的HyperMill和DELCAM公司的PowerM ill最為典型。HyperMill系統(tǒng)具有豐富的五軸編程功能[53]，可以進(jìn)行曲面、型腔、葉片、多葉片、管道等的加工，已成為葉片和葉輪類零件專用的編程系統(tǒng)。PowerMill具有定位五軸加工功能和連續(xù)五軸加工的功能[54]。在國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)和多家公司進(jìn)行合作，研發(fā)了一些圖形可視化的編程系統(tǒng)，其中，NPU/GNCP系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)件三至五軸加工功能和雕塑曲面的五軸加工功能。南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)的超人系統(tǒng)，采用了基于圖論的多坐標(biāo)加工編程技術(shù)，解決了復(fù)雜多曲面區(qū)域編程的分層加工、整體加工等問(wèn)題[55]。為了普及五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的應(yīng)用，必須提高技術(shù)人員的編程計(jì)算能力，制定統(tǒng)一的程序標(biāo)準(zhǔn)，使五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)具有通用性。

我國(guó)的數(shù)控編程技術(shù)還有待突破，距離實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)真正的智能化，能夠自行優(yōu)化加工步驟與參數(shù)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況與環(huán)境因素自我診斷與調(diào)整仍有很長(zhǎng)的距離。自適應(yīng)技術(shù)與機(jī)床故障診斷修復(fù)向?qū)У葯C(jī)床新技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)一步智能化，需要盡快掌握和應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)要在數(shù)控系統(tǒng)上有所突破，關(guān)鍵還是要掌握核心技術(shù)，例如:適合高速加工的通信協(xié)議和接口問(wèn)題、適合高檔機(jī)床的編程技術(shù)以及適合高速高效加工的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。此外，還要結(jié)合市場(chǎng)需求，根據(jù)用戶需求和加工工藝研發(fā)具有針對(duì)性的高檔數(shù)控機(jī)床[56-57]。

結(jié)束語(yǔ)

尖端科技的不斷發(fā)展對(duì)制造業(yè)的要求不斷提高，機(jī)床行業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)，本文介紹了“高速、高精、復(fù)合、智能、環(huán)?！笔俏磥?lái)機(jī)床的發(fā)展方向，同時(shí)新技術(shù)的出現(xiàn)使未來(lái)機(jī)床擁有無(wú)限可能。為了促進(jìn)我國(guó)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步介紹了影響機(jī)床性能的熱點(diǎn)技術(shù)，并與國(guó)外先進(jìn)水平進(jìn)行了對(duì)比。我國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，但距離世界先進(jìn)水平仍有較大差距。

面對(duì)這種差距，應(yīng)努力掌握核心技術(shù)，發(fā)展未來(lái)機(jī)床，縮小差距。其最根本的途徑還是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)床企業(yè)應(yīng)保持對(duì)新技術(shù)的敏感性，在設(shè)計(jì)理念上，要改變以模仿設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)，追求創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念；從設(shè)計(jì)方法上，要進(jìn)行設(shè)計(jì)手段方法的更新。只有將實(shí)際技術(shù)與市場(chǎng)需求相結(jié)合，并推廣應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，才能推動(dòng)機(jī)床技術(shù)的革新與發(fā)展。

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