我國數(shù)控機床的發(fā)展趨勢與對策

郭靜

（江西中船航海儀器有限公司,江西九江332005）

我國數(shù)控機床的發(fā)展趨勢與對策

郭靜

（江西中船航海儀器有限公司,江西九江332005）

文章以數(shù)控機床為研究對象，闡述了數(shù)控機床的發(fā)展歷程，并對我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進行了介紹，分析了其目前存在的主要問題，最后提出了針對我國數(shù)控機床的發(fā)展對策。

數(shù)控機床；發(fā)展趨勢；發(fā)展對策

數(shù)控機床是一種裝有計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的機床，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，現(xiàn)實需求增長迅速，應用前景廣闊。近年來,我國在數(shù)控機床和機床工具行業(yè)對外合作進一步加強,無論在精度、速度、性能,還是智能化方面都取得了很好的成績。在國際貿(mào)易中,很多發(fā)達國家把數(shù)控機床視為具有高技術附加值、高利潤的主要機電出口產(chǎn)品。因此，對數(shù)控機床技術的發(fā)展歷程、趨勢及其發(fā)展中存在的問題進行總結(jié)和分析，將有助于推進我國數(shù)控機床技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展的目標。

1 數(shù)控機床的發(fā)展進程

自20世紀50年代以來，世界數(shù)控機床主要經(jīng)歷了數(shù)控NC（Numerical Control）和計算機數(shù)控CNC（Computer Numerical Control）2個階段。

數(shù)控NC階段主要經(jīng)歷了以下3代：

第1代數(shù)控系統(tǒng)，始于20世紀50年代初年，系統(tǒng)全部采用電子管元件，邏輯運算與控制采用硬件電路完成。

第2代數(shù)控系統(tǒng)，始于20世紀50年代末，以晶體管元件和印刷電路板廣泛應用于數(shù)控系統(tǒng)為標志。

第3代數(shù)控系統(tǒng)，始于20世紀60年代中期，由于小規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使其體積變小、功耗降低，可靠性提高，推動了數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

計算機數(shù)控CNC階段也經(jīng)歷了3代：

第4代數(shù)控系統(tǒng)，始于20世紀70年代，當首個采用小型計算機的CNC裝置在芝加哥展覽會上露面時，標志著CNC技術的問世。

第5代數(shù)控系統(tǒng)，20世紀70年代后期，中、大規(guī)模集成電路技術所取得成就，促使價格低廉、體積更小、集成度更高、工作可靠的微處理器芯片的產(chǎn)生，并逐步應用于數(shù)控系統(tǒng)。

第6代數(shù)控系統(tǒng)，始于20世紀90年代初，受通用微機技術飛速發(fā)展的影響，數(shù)控系統(tǒng)正朝著以個人計算機(PC)為基礎，向著開放化、智能化、網(wǎng)絡化等方面進一步發(fā)展。

2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

（1）高速化。隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展和國際市場競爭的日趨激烈，為了進一步提高勞動生產(chǎn)效率，行業(yè)及社會對數(shù)控機床的高速化發(fā)展提出了更高的要求。20世紀90年代以來,西方發(fā)達國家爭相發(fā)展新一代高速數(shù)控機床,高速主軸單元(電主軸,轉(zhuǎn)速15000～100000r/min)、高速且高加P減速度的進給運動部件(快移速度60～120m/min,切削進給速度高達60m/min)、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破,達到了新的技術水平。

（2）高精度化。從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對超精密加工技術不斷提出了新的要求。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05μm左右，形狀精度可達0.01μm左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm）。

（3）功能復合化。在零件加工中，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上以實現(xiàn)工序的集約化。主要表現(xiàn)在數(shù)控機床配有自動換刀機構，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋等多種工序加工；數(shù)控機床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工；數(shù)控系統(tǒng)由于采用了多CPU結(jié)構和分級中斷控制方式，即可在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的“前臺加工，后臺編輯”，故多功能機床成為近年來發(fā)展很快的機種。

（4）控制智能化。現(xiàn)代數(shù)控機床引進了自適應控制技術，根據(jù)切削條件的變化自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)。具有自診斷、自修復功能，在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設備進行自診斷、檢查，一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機等措施，并進行故障報警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。為實現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。

（5）體系開放化。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題，目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究,數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構對象（數(shù)控功能）,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。

（6）驅(qū)動并聯(lián)化。在20世紀90年代以前，金屬切削機床都是串聯(lián)機床。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，研究人員實現(xiàn)了機床結(jié)構設計的突破性創(chuàng)新，通過改變桁架桿的長度及移動支點位置來實現(xiàn)刀具與工件的相對位置變動，在床身——刀具——工件這一運動鏈中包含多條獨立的主運動支鏈，從而打破了傳統(tǒng)機床以直角坐標系為基礎的串聯(lián)運動學原理，其結(jié)構的基本特征就是“并聯(lián)”。并聯(lián)機床的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)機床結(jié)構的局限，為數(shù)控機床技術的發(fā)展注入了新的活力。

（7）信息交互網(wǎng)絡化。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。

寓言的標題本來就要求短而精，如果照著原語的標題直接翻譯，譯語的標題就變得繁瑣，不僅違背寓言標題的本身要求還會不符合譯語的表達習慣。讀過《伊索寓言》英文版，都知道當中的寓言標題大都是簡潔的名詞或者名詞性短語。所以，譯者將原語的信息大多刪去，只留譯代表核心內(nèi)容和思想的“疑”。

（8）加工過程綠色化。隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源和環(huán)境問題尤為重要。要實現(xiàn)數(shù)控機床切削加工環(huán)?；凸?jié)能化，就必須對加工工藝進行綠色化改進。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，因為切削液既污染環(huán)境又危害操作者健康。于是近年來不用或少用切削液，實現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的數(shù)控機床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展中。今后，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領更多的市場份額。

3 我國數(shù)控機床發(fā)展中存在的主要問題

（1）行業(yè)基礎比較差，突出表現(xiàn)在缺乏系統(tǒng)深入的科研工作，設計方法陳舊，僅靠類比模仿進行產(chǎn)品設計，既缺乏機床創(chuàng)新的基本理論，又缺乏豐富的生產(chǎn)實際經(jīng)驗，對高效自動化機床、數(shù)控機床的剛度、振動、熱變形、噪聲、精度補償?shù)然A技術缺乏深入研究，對各類機床加工工藝、布局、結(jié)構、導軌、卡軸、卡具等應用技術又缺乏認真試驗，難以創(chuàng)新設計出優(yōu)質(zhì)適銷的先進產(chǎn)品。

（2）沒有合理地運用資源，主要表現(xiàn)在2點：①對于所涉及到的研究所、廠房等沒有綜合應用、取長補短，往往見到的是他們孤軍作戰(zhàn)，而且各單位忙于生存，普遍缺乏深入系統(tǒng)的科研工作，更沒有做到生產(chǎn)一代、研制一代、預研一代等可持續(xù)的發(fā)展；②機床行業(yè)人員專業(yè)素質(zhì)不高，缺乏行業(yè)領軍人才，總體科研能力不強。

（3）我國制造業(yè)大環(huán)境的制約。由于沒有在全國范圍內(nèi)發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動化，對高效自動化機床的主機設計的基本功較差，而機床的品種結(jié)構發(fā)展，全靠主機設計本領加以變化，因此，依靠引進和合作生產(chǎn)來發(fā)展各類主機，至今國許多高性能、新結(jié)構的數(shù)控機床大都為合作產(chǎn)品，基本處于仿制階段。

（4）缺乏吸引高層次、高素質(zhì)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的環(huán)境，高速、柔性、精密機床配套技術的自主研發(fā)能力低。

（5）對國外技術重引進、輕消化吸收的問題仍很突出?！跋痹谡麄€資金投入中所占的比例相對其他工業(yè)發(fā)達國家來仍太低。

4 我國數(shù)控機床的發(fā)展對策

（1）推進μm工程，研制高效精密數(shù)控機床。目前國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機床尚缺少高效、高可靠性且加工精度達微米級的產(chǎn)品。為此，需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備以適應汽車制造業(yè)加工關鍵零件的需求。由于這些數(shù)控制造裝備的加工精度主要在微米級（μm）范圍內(nèi)，因此可稱為μm級制造裝備及技術研究，簡稱“μm工程”。

（2）發(fā)展復合加工數(shù)控機床、縮短制造過程鏈。加快復合數(shù)控機床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度，使加工過程鏈集約化，可以提高多品種單件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的穩(wěn)定性。復合數(shù)控機床可以減少在不同數(shù)控機床間進行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時間。通常這些時間占零件整個生產(chǎn)周期的40%～60%，即使在信息管理良好的情況下，仍將占20%左右。因此，復合數(shù)控機床具有明顯的技術效果。為了避免復合機床因功能的擴展而過多地引起結(jié)構的復雜化和成本的增加，還需要探求兩個問題：通過創(chuàng)新技術擴大功能部件的適用面來簡化結(jié)構；發(fā)展模塊化和可重構化的復合機床。

（3）推進高效柔性化的新一代制造系統(tǒng)。1995年開始研究的在可重構制造技術支持下，構建具有適應大批量高效柔性化生產(chǎn)的可重組制造系統(tǒng)(RMS)是一個值得注意的發(fā)展動向。其核心為制造系統(tǒng)能物理組態(tài)，即根據(jù)加工對象的變化方便地進行布局和設備配置的調(diào)整，發(fā)展了能對多變的市場需求做出合理的配置規(guī)劃和易于調(diào)整的布局方式、適應重構的控制軟件、開放式控制系統(tǒng)和規(guī)范化接口以及能快速提升系統(tǒng)重組后制造質(zhì)量的診斷系統(tǒng)等技術，使其兼具專用生產(chǎn)線的高效性能和適用的柔性以取得更佳的經(jīng)濟性，已在生產(chǎn)中取得了初步成功的應用。

（4）發(fā)展網(wǎng)絡化制造單元，推進企業(yè)制造能力的高效柔性化。當前，國內(nèi)外一些機床和數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)在從分布式網(wǎng)絡化聯(lián)盟制造的角度出發(fā)研究相適應的制造單元，強化其自治管理能力，能與企業(yè)的資源計劃（ERP），產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和計算機輔助設計/計算機輔助制造/計算機輔助工程（CAD/CAPP/CAM）的信息集成，進而通過與客戶關系管理(CRM)和供應鏈管理(SCM)的聯(lián)系做出智能決策，實施并行工程、可視化監(jiān)控等以提高機床利用率，實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。

（5）開展可靠性設計，加強全面質(zhì)量管理，保證數(shù)控機床的可靠性增長。為了保證數(shù)控機床有較高的可靠性，設計時不僅要考慮其功能和力學特性，還要進行可靠性設計，根據(jù)可靠性要求合理分配各組成件的可靠性指標，在配套件采購和制造過程中重視質(zhì)量要求，加強全面質(zhì)量管理以求可靠性的不斷增長。

（6）提高技術人員的綜合素質(zhì)。中國機床工業(yè)的振興，數(shù)控機床的加速發(fā)展，歸根到底，取決于人員素質(zhì)的提高。因此國家要高度重視數(shù)控機床領域高技術專業(yè)人才的培養(yǎng)，優(yōu)化人才成長與使用環(huán)境，著力營造重視數(shù)控機床領域高技能人才的文化氛圍，對于有突出貢獻的人員要敢于重獎，以更好地激發(fā)他們的創(chuàng)造力和貢獻度，進而推動我國數(shù)控機床領域的質(zhì)量和效能。

［1］曹偉.我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀與對策［J］.現(xiàn)代經(jīng)濟信息,2008，（4）：150-151.

［2］許龍.淺析數(shù)控機床的發(fā)展趨勢［J］.企業(yè)導報，2011，（22）：189.

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郭靜（1972-），女，河北定州人，大學本科，工程師，主要研究方向：機械設計與微電子。