浅谈我国数控机床的现状与发展趋势-.pdf

栏 目主持梅峰 浅谈我 国数控机床 的现状 与发展趋势 贵州航天乌江机电设备有限责任公司 遵义5 6 3 0 0 3 张玉峰 随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新 产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其 产品更是13 趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等 领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且 往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设 备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适 应这些要求。同时，随着市场竞争的13益加剧，企业生 产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及 降低生产成本，数控机床就应运而生了。 数控机床及数控机床组成的柔性化制造系统是改造 传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础， 它的发展一直备受人们的关注。数控机床以其卓越的柔 性 自动化的性能、优异而稳定的精度、敏捷而多样化的 功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发 展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核 心技术。另一方面，通过持续的开发研究以及信息技术 的深化应用促进了数控机床性能和质量的进一步提升， 使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 1 ．数控机床的发展历程 2 0世纪 5 0年代，美国为了革新飞机制造业 中用在 仿形机床上的靠模和样件的加工设备，开始研制新型机 床。1 9 5 2年， 美国帕森斯公司与麻雀理工学院伺服机构 实验室合作，研制成功一台控制三坐标立铣床的数控系 统，其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空 管组成，这就是第一代数控系统。1 9 5 9年晶体管元件问 世，数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路，从此数 控系统跨入第二代。1 9 6 5年，出现了小规模集成电路， 由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得到了进 一 步提高，数控系统从而发展到第三代。以上三代数控 机床的控制系统均为硬接线数控系统，即 N C N u m e r i c a l C o n t r o 1 系统。 随着计算机技术的发展，出现了以小型计算机代替 专用硬接线装置，以控制软件实现部分或全部数控功能 的计算机数控 C N C 系统，使数控机床进入了第 四 代。1 9 7 4年美、日等国首先研制出以做处理器为核心的 数控系统。由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性 高、价格低廉，所以微处理器数控系统得到了广泛的应 用，从而使数控机床进入了第五代。 随着工业自动化程度的提高，数控机床及基于 C N C原 理的各类自动化设备层出不穷，成为推动企业提高产品质 量和劳动效率的主要手段。这也对 C N C系统提出了更新的 要求，以往的C N C系统功能和结构设计很难满足不同层次 来自不同方面的要求。在这种形势下，以不断发展的 P c 技术为依托，出现了以 P C技术为基础的开放式 C N C系 统。自2 0世纪9 0年代以来，这种开放式 C N C系统正在 发展成为世界的潮流。数控系统发展的历程如表 1 所示。 表 1 数控 系统发展的历程 发展阶段 数控 系统 的发展 产生年代 第一代 电子管数控系统 1 9 5 2正 硬件数控 第二代 晶体管数控系统 1 9 6 1 拄 第三代集成 电路数控系统 1 9 6 5年 第 四代小 型计算机数控系统 1 9 6 8正 软件数控 第五代微处理器数控系统 1 9 7 4 第六代基于工控 P C机的通用 C N C系统 l 9 9 0年 2 ．我国数控机床的发展概况 我国于 1 9 5 8年由清华大学和北京第一机床厂合作 研制了我国第一台数控铣床，并于 1 9 5 8年开始试制成 功第一台电子管数控机床。1 9 6 5 年开始研制晶体管数控 系统，直到 2 0世纪 6 0年代末至 7 0年代初成功。从 2 0 世纪 8 0年代开始，先后从 日本 、美国、德国等国家引 进先进的数控技术。如北京机床研究所从 13本 F A N U C 公司引进 F A N U C 3 、F A N U C 5 、F A N U C 6 、F A N U C 7系列 参磊 工冷 加 工 笪 呈 塑_ WWW． met a1 wor ki ng 7 9 50 ． tom 产品的制造技术；上海机床研究所引进美国 G E公司的 MT c 一1数控系统等。 我国于 1 9 5 8 年研制出第一台数控机床后，发展过 程大致可分为两大阶段。在 1 9 5 8～1 9 7 9年间为第一阶 段，从 1 9 7 9年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机 床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄 弱、配套件不过关的情况下，终因表现欠佳 ，无法用于 生产而停顿。在第二阶段从日、德 、美 、西班牙先后引 进数控系统技术，从 日、美、德、意、英 、法、瑞士、 匈、奥、 韩国等国家以及中国台湾引进数控机床先进技 术和合作、 合资生产， 解决了可靠性、稳定性问题， 数 控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。 在 2 0 余年间，数控机床的设计和制造技术有较大 提高，主要表现在三大方面培训一批设计、制造、 使 用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设 计、制造、 使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术 的差距；通过利用国外先进元部件 、数控系统配套，开 始能自行设计及制造高速 、高性能、五面或五轴联动加 工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的 试验、消化、掌握及创新却较差。至今，许多重要功能 部件、自动化刀具、 数控系统依靠国外技术支撑 ， 不能 独立发展，差距较大。存在的主要问题包括缺乏像 日 本 “ 机电法” 、 “ 机信法”那样的指引；严重缺乏各方 面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工 作；元部件和数控系统不配套； 企业和专业间缺乏合 作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合 力。但在我国数控机床发展史上值得一提的是第一台数 控机床设计的人是许道荣教授，按他的话说“ 数控机 床是国防工业的关键环节。它能生产飞机、军舰的重要 零部件，备受国家的重视；它也是显示 国家技术实力和 工业制造能力的一项重要指标。 ”图 1是当时第一台数 控机床的设计团队照片。 图1 幽呈 箜呈 塑 WWW． met a l wor k i ng 7 9 50 ． t om 参磊 工冷 加 工 3 ．数控机床技术发展趋势 我国数控机床的发展离不开机床技术与制造技术的 发展，从表2可以看到机械加工装备对促进制造技术发 展的紧密关系和重要支撑作用。 表 2 机械加工装备与制造技术的发展阶段 年代 机械加工装备 制造技术 以流水线技术 为核 2 O世纪 3 O～ 5 O年代 传统机床 心的 自动化制造技术 以数控技术为核 心 2 O世纪 5 0～ 7 0年代 数控机床 的柔性制造技术 以信息技术为核 心 2 0世纪 7 O～ 8 O年代 柔性化制造 系统 的集成制造技术 以虚拟技术为核 心 2 O世纪 9 0年代 一迄今 敏捷化制造 系统 的数字制造技术 以数字化为特征数控机床是柔性化制造系统和敏捷 化制造系统的基础装备，其总的发展趋势是高精化、 高速化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性 和经济性。具体可归纳为以下几个方面 1 高速加工技术发展迅速 ，在高档数控机床中得 到广泛应用应用新的机床运动学理论和先进的驱动技 术，优化机床结构，采用高性能功能部件， 移动部件轻 量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从 单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速 化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万 转 、 几十万转 ； 快速移动速度从每分钟十几米发展到几 十米和上百米；换刀时间从十几秒下降到 l O s 、3 s 、I s 以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技 术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的 高质量和高效率。 2 精密加工技术有所突破通过机床结构优化、 制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高 精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用 等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形 位误差、 表面粗糙度。加工精度平均每 8 年提高 1 倍， 从 1 9 5 0～ 2 0 0 0年5 0年内提升 1 0 0倍。目前，精密数控 机床的重复定位精度可以达到 1 la ,m，进入亚微米超精加 工时代。图2 为数密数控车床，机床的精度在 0 ． 0 0 2 p , m 以内，加工零件的表面粗糙度值达到 R 0 ． 4 m 。 3 技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技 术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序 复 合 型车、铣、 钻、镗 、磨 、齿 轮加 工技术复合，跨加工 类别技术复合金 切与激光、冲压与激 光 、金 属烧 结 与镜 面 切削复合等，目前 已 由机加工复合发展到 图 2 非机加工复合， 进而发展到零件制造和管理信息及应用 软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及 生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机 床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新 结构。 4 数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字 化控制技术发展经历了三个阶段数字化控制技术对机 床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程 自动控 制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智 能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、 信息 、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过 程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能 监控可以实现工件装夹定位自动找正，刀具直径和长度 误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物 流监控，自动进行补偿 、调整、自动更换刀具等，智能 监控系统对机床的机械、电气 、液压系统出现故障 自动 诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技 术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控 系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动 编程系统能按机床加工要求对零件进行 自动加工。在线 服务可以根据用户要求随时接通 I N T E R N E T接受远程服 务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化 的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障 自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度 、 提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展 成柔性制造单元和智能网络 [ 厂，并进一步向制造系统 可重组的方向发展。 5 极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是 指极大型、极微型 、极精密型等极端条件下的制造技 术， 是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机 电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关 的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如 微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应 用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设 备的重型、超重型数控机床的研制；I T产业等高新技术 的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应 微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加 工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。 4 ．我国数控机床发展方向 从 2 0 世纪 8 0 年代起，我国数控机床制造业的发展 虽然有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的 关注，已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机 床方面，与国外一些先进产品与技术，仍有较大差距， 大部分处于技术跟踪阶段。表 3是以 B T 4 0刀柄的中型 加工中心为例，列出国内外先进产品主要技术指标，由 此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明显差距。 表 3 中型加工 中心主要技术指标对 比 项 目 国 内 国外 主轴最高转速／ r rai n 6 O o o～l 0 o o O l 0【 x O～ 4 0 O 【 x 快移速度／ m - m i n 1 O～2 4 3 0～ 6 0 金属切 除率 4 5钢／ 2 o o ～ 3 0 0 4 0 0～ 6 0 0 e In m i n。 。 定位精度／ mm 全行程 O ． O l ～ 0 ． O 1 6 0 ． 0 0 4～ 0 ． 0 0 6 重复定位精度／ mm 0 ． 0 0 5～ 0 ． 0 0 8 0 ． O H0 2～ 0 ． o o 3 平均无故障运行时间／ h 5 O H0～ 6 0 0 l 0 o O 基于 目前世界先进制造技术不断兴起，超高速切 削、 超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发 展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出 了更高的要求。笔者认为我国数控机床在未来应朝着以 下几个方向发展 1 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的 两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目 前，数控系统采用位数 、频率更高的处理器，以提高系 统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和 多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高 插补运算的速度和精度 ，并采用直线电动机直接驱动机 床工作台的直线伺服进给方式 ，其高速度和动态响应特 性相当优越。采用前馈控制技术 ， 使追踪滞后误差大大 减小， 从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加 参磊 工冷 加 工 兰 笪 塑■ 墨 叠 WWW． met a1 wor ki ng1 9 50 ． c orn 工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为 一 的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化， 主轴电动机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶 瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具 已开始得到应用。 2 多功能化配有自动换刀机构 刀库容量可达 1 0 0把以上的各类加工中心，能在同一台机床上同时 实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔 、 攻螺纹等 多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体 切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切 削加工。数控系统由于采用了多 C P U结构和分级中断控 制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编 制，实现所谓的 “ 前台加工，后台编辑” 。为了适应柔 性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远 距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数 据通信， 也可以直接对多台数控机床进行控制。 3 智能化现代数控机床将引进 自适应控制技 术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工 过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度 和较小的表面粗糙度值，同时也能提高刀具的使用寿命 和设备的生产效率。具有 自诊断、自修复功能，在整个 工作状态中，系统随时对 C N C系统本身以及与其相连 的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即 采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部 位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用 模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故 障诊断要求，趋势是采用人工智能专家诊断系统。 4 数控编程自动化 随着计算机应用技术的发 展，目前 C A D ／ C A M图形交互式 自动编程已得到较多的 应用，是数控技术发展的新趋势。利用 C A D绘制的零 件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和 后置处理，从而自动生成 N C加工程序，以实现 C A D与 C A M集成。随着 C I MS技术 的发展，当前又 出现 了 C A D ／ C A P P ／ C A M集成的全自动编程方式，与 C A D ／ C A M 系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必 由人工参与，直接从系统内的 C A P P数据库获得。 5 可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户 最关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路 芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电 圈兰 生 笪 塑 WWW． m e t a | wo r k i ng1 9 50 ． c om 参露 工冷 加 工 路，以减少元器件的数量， 来提高可靠性。通过硬件功 能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件 结构机床本体的模块化、 标准化和通用化及系列化，使 得既提高硬件生产批量 ，又便于组织生产和质量把关。 还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种 诊断程序， 实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进 行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利 用容错技术 ， 对重要部件采用 “ 冗余”设计，以实现故 障自恢复 ；利用各种测试 、监控技术 ，当生产超程 、 刀损 、干扰 、断电等各种意外时 ，自动进行相应的保 护 。 6 控制系统小型化数控系统小型化便于将机、 电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、 多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得 以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用 新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将 使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安 装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。 5 ． 结语 数控机床是当代机械制造业的主流装备，是市场热 门商品， 部分高档数控机床仍然被当成战略物资在国际 市场上受到禁运与限制。我国数控机床的发展经历了3 0 年的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期。 某些至今仍受到禁运的数控五轴联动产品技术，我 国都已陆续掌握，如数控五轴联动的重型落地镗铣床、 龙门式铣镗床、加工中心等，十年来已一一推向市场。 C I M T 2 0 1 0 展会上， 展出了五轴联动机床 5 0 多台，包括 航空航天、造船、冶矿工业用的重型龙门移动式及各种 类型数控五轴联动镗铣床和加工中心。 今后我国要加速发展数控机床产业，既要深入总结 过往的经验教训， 切实改善存在的问题，又要认真学习 国外的先进经验 ，沿正确的道路前进。必须狠抓根本， 坚持 “ 以人为本” ， 加速提高人员素质、培养各种专家 人才， 从根本上改变 目前低效、落后的状态。重视培 才、选才、用才，建立学习型企业，树立企业文化，加 速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办 各种技术讲座、 训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专 家、顾问等，尽力提高数控的技术水平。MW 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 1 5