淺析數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程及趨勢

作者簡介：楊利勇（1976.12-），男，甘肅酒泉人，主任，本科，研究方向：化工。

摘 要： 本文以數(shù)控機(jī)床為研究對象，首先闡述了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程，尤其對其進(jìn)給伺服系統(tǒng)和機(jī)械傳動系統(tǒng)的發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)描述，接下來對我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行了介紹，并分析了其存在的問題，最后提出了針對我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床;進(jìn)給伺服系統(tǒng);機(jī)床加工程序

【中圖分類號】TG659 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.150

1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程

自上世紀(jì)50年代以來，世界數(shù)控機(jī)床主要經(jīng)歷了數(shù)控NC（Numerical Control）和計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC（Computer Numerical Control）2個階段[2]。

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50年代初年，系統(tǒng)全部采用電子管元件，邏輯運(yùn)算與控制采用硬件電路完成。

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

第3代數(shù)控系統(tǒng)，始于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(jìn)一步發(fā)展。

計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC階段也經(jīng)歷了3代：

第4代數(shù)控系統(tǒng)，始于70年代，當(dāng)首個采用小型計(jì)算機(jī)的CNC裝置芝加哥展覽會上露面時，標(biāo)志著CNC技術(shù)的問世。

第5代數(shù)控系統(tǒng)，70年代后期，中、大規(guī)模集成電路技術(shù)所取得成就，促使價(jià)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(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。

2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展中所存在的問題

由于我國的技術(shù)水平和基礎(chǔ)工業(yè)相對其他發(fā)達(dá)國家相比比較落后，數(shù)控機(jī)床的性能、水平和可靠性與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距還很大。因此，加速進(jìn)行中國數(shù)控系統(tǒng)的工程化、商品化攻關(guān)，盡快建成與完善我國數(shù)控機(jī)床和數(shù)控產(chǎn)業(yè)成了我國的主要任務(wù)[5]。目前，我國在發(fā)展數(shù)控機(jī)床業(yè)中存在的主要問題主要有以下幾點(diǎn)：

1）缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神，忽視了數(shù)控機(jī)床本身的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展規(guī)律，沒有實(shí)事求是地制定數(shù)控機(jī)床發(fā)展的規(guī)劃，盲目性大。

2）缺乏系統(tǒng)深入的科研工作難以對各種技術(shù)資料進(jìn)行積累，設(shè)計(jì)方法陳舊，僅靠類比模仿進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，既缺乏機(jī)床創(chuàng)新的基本理論，又缺乏豐富的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對高效自動化機(jī)床、數(shù)控機(jī)床的剛度、振動、熱變形、噪聲、精度補(bǔ)償?shù)然A(chǔ)技術(shù)缺乏深入研究，對各類機(jī)床加工工藝、布局、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軌、卡軸、卡具等應(yīng)用技術(shù)又缺乏認(rèn)真試驗(yàn)，難以創(chuàng)新設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)適銷的先進(jìn)產(chǎn)品。

3）沒有合理地運(yùn)用資源這主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)，第一，對于所涉及到的研究所、廠房等沒有綜合應(yīng)用、取長補(bǔ)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(yù)研一代等可持續(xù)的發(fā)展;第二，機(jī)床行業(yè)人員素質(zhì)低，缺乏各方而人才，而且各研究單位、企業(yè)、人才流失嚴(yán)重，科研、設(shè)計(jì)力量十分虛弱，往往呈現(xiàn)低效運(yùn)行狀態(tài)。

4）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(jī)床的卞機(jī)設(shè)計(jì)的基本功較差，而機(jī)床的品種結(jié)構(gòu)發(fā)展，全靠主機(jī)設(shè)計(jì)本領(lǐng)加以變化，因此，依靠引進(jìn)和合作生產(chǎn)來發(fā)展各類卞機(jī)，至今我國許多高性能、新結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床大都為合作產(chǎn)品，基本處于仿制階段。

3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展策略

從上世紀(jì)80年代起，我國機(jī)床制造業(yè)對數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床一直給予較大的關(guān)注。但是由于我們的數(shù)控技術(shù)與其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家差距較大，與國外一些先進(jìn)產(chǎn)品相比，仍存在著很大劣勢，使得我們總是處于技術(shù)跟蹤階段。面對這種情況，為了加速振興我國的機(jī)床制造業(yè)，提高我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)以下幾個方面的研究工作：

1）以高速化為先導(dǎo)，提高數(shù)控機(jī)床的綜合性能：數(shù)控機(jī)床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一個重要措施。分析中型加工中心的高速化與高精化的發(fā)展歷程，可以得出，作為表征其切削運(yùn)動高速化的主軸最高轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度，大致持續(xù)地以每10年增長1倍的比率上升，而表征壓縮機(jī)床輔助時間的快移速度（指以滾珠絲杠和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動）和自動換刀/工作臺轉(zhuǎn)位速度，基本上以每12～15年翻一番的速度增長，1993年后逐步推廣用直線電動機(jī)直接驅(qū)動的新技術(shù)，使加工中心的快移速度比用滾珠絲杠副驅(qū)動時又提高了1倍。高速化的發(fā)展還要多注意2個問題：從先進(jìn)適用出發(fā)確定高速范圍;高速化要和機(jī)床的結(jié)構(gòu)和控制性能相匹配。

2）推進(jìn)μm 工程，研制高效精密數(shù)控機(jī)床：目前國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床尚缺少高效、高可靠性且加工精度達(dá)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(yīng)汽車制造業(yè)加工關(guān)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(shù)研究，簡稱“μm 工程”。

3）發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床、縮短制造過程鏈：加快復(fù)合數(shù)控機(jī)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(fù)合數(shù)控機(jī)床可以減少在不同數(shù)控機(jī)床間進(jìn)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(fù)合數(shù)控機(jī)床具有明顯的技術(shù)效果。為了避免復(fù)合機(jī)床因功能的擴(kuò)展而過多地引起結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和成本的增加，還需要探求兩個問題：通過創(chuàng)新技術(shù)擴(kuò)大功能部件的適用面來簡化結(jié)構(gòu);發(fā)展模塊化和可重構(gòu)化的復(fù)合機(jī)床。

4）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(gòu)制造技術(shù)支持下，構(gòu)建具有適應(yīng)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(jìn)行布局和設(shè)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(yīng)重構(gòu)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(shù)，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(jì)性，已在生產(chǎn)中取得了初步成功的應(yīng)用。

5）發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化制造單元，推進(jìn)企業(yè)制造能力的高效柔性化：當(dāng)前，國內(nèi)外一些機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)在從分布式網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)盟制造的角度出發(fā)研究相適應(yīng)的制造單元，強(qiáng)化其自治管理能力，能與企業(yè)的資源計(jì)劃（ERP），產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAD/CAPP/CAM）的信息集成，進(jìn)而通過與客戶關(guān)系管理（CRM）和供應(yīng)鏈管理（SCM）的聯(lián)系做出智能決策，實(shí)施并行工程、可視化監(jiān)控等以提高機(jī)床利用率，實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。