数控机床的发展趋势

数控机床的发展趋势数控(NC)是数字控制（NumericalControl）的简称，是20世纪中叶发展起来的一种数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，成为数控机床，也成为NC机床。数控技术和数控装备是各个国家工业现代化的重要基础。我国数控技术与世界先进国家相比还有一定的差距，因此了解数控技术国内外的发展状况对我国数控领域的发展有着非常重要的意义。世界上第一台数控机床是有美国麻省理工学院与1952年首先研制出来的；日本与1958年研制出首台数控机床。我国数控机床的研制是从1958年起步的，有清华大学研制出最早的样机。但是经过50年的发展，2010年我国已经跃居世界第一大机床生产大国。在2012年5月27日，在湖北省数控一代机械产品创新应用示范工程启动大会上，中国工程院院长周济强调：“全世界的机械工业正处于产品数字化发展时期，我们必须抓住这一契机，在10年内实现机械产品总体升级为数控一代，使我国机械工业实现由大到强的转变。数控技术总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳为下列八个方面：1、持续提高经济加工精度数控机床的结构优化、制造与装配精化、误差补偿技术的发展和加工工艺的改善，使其经济加工精度不断提升。从1950年到2000年的50年内，普通精度加工有0.3mm提升到0.03mm，精加工由3μm提升到0.03μm，超精加工则由0.3μm提升到0.003μm。当前的普通精度加工已达二十世纪50年代的精密加工水平1倍。分析数控机床的几何精度和位置精度也可以得出相同的结论。从1985年至2003年，国外先进水平加工精度的提升，也大致每八年其误差约减小一半，也就是说，当前先进水平的加工精度已经达到二十世纪50年代时以高精度著称的坐标镗床的工作精度。以加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平，国内大致为0.008~0.010mm，而国际先进水平水平为0.002~0.003mm按上述统计规律分析差距约为15年左右。2、推进全面高速化，实现高效制造高速切削对推进数控机床的全面高速化起着先导作用，它不仅能提高金属切除率、缩短单件工时，而且应用高速切削进行精加工，将能明显改善加工质量。因此，在刀具材料和结构发展的支持下，切削速度不断提高。实际生产中，车、铣45号钢由1950年的80~100m/min，到2000年普遍达500~600m/min，50年内切削速度提高了5倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间，即除了提高主轴转速和进给速度外，还要提高快移速度与加减速度，缩短主轴启动、制动时间，减少刀具自动交换时间与工件托盘自动交换时间等，来减少辅助时间并通过产生信息集成管理和规划以及CAIVI等进一步缩短技术准备时间。对现有数控机床使用情况统计得出：在多数情况下其机床利用率（有效切削时间与全部工时之比）仅为25%~35%，其余的75%~65%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、启制动空运转、工件上下料和装夹等辅助时间.以及待加工时间（由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间）与故障停机时间上。因此需通过提高各轴快移速度和加减速度、主轴变速的角加减速度、刀具自动交换速度，改善数控系统的操作方便性和监控功能以及加强信息管理，才有可能全面压缩辅助时间和减少待工时间，使数控机床利用率达到60%~80%。在推进加工过程全面高速化发展中，电主轴技术、直接驱动技术、高速高精数字化伺服控制技术发挥了主要的作用。3、复合加工机床促进新一代高效机床的形成多功能复合加工机床简称复合机床（complexMachinetools）,或者称多功能加工（MultiFuntionalMachining）或者完全加工（completeMachining或EndtoEndMachine）机床。复合机床的含义是一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的完全加工。复合机床根据其结构特点。可分为如下两类：3.1功能复合型为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。3.2工序复合型应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多轴铣头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下和加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等。增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度，不仅可减少多工序加工零件的上下料时间，而且更主要地可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待的时间，尤其在未组成有效的生产线的条件下，这种工序间的等待时间将远远地超过零件在机床上的工作时间，从而延长了零件的生产周期。复合数控机床则具有良好的工艺适用性，避免了制品的存储和传输环节，有力地支持了准时制造(JIT)，因此对它的研发已被给予了极大的关注。尽管就功能来讲各种复合数控机床的出现，将会使机床间的功能界限会渐现淡化，但各机床制造厂仍保留了各自的特点和侧重点，使复合数控机床呈现出多样性的创新结构。4、工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现随着机械产品的性能优化和轻量化，其零件和构件的形状、尺寸和精度呈现多样性，很难用少数几种标准的、通用的机床结构来最佳地满足多方面的工艺要求。通过对机床布局和结构的创新，使对不同类型的零件加工具有最佳的适用性，避免出现不能发挥最佳性能的现象。这种“个性化”结构趋向虽存在着产品竞争的需要，但更主要是体现出如何更好地适应用户的需求。尤其对一些批量生产的零件，更希望有最佳工艺适用性的专门化数控机床。如飞机大型构件为便于排屑垂直放置的五轴联动机床、汽车制造业高效多件加工的双主轴头加工中心等。要解决品种多样化与经济性的矛盾，这就对机床的模块化设计提出了更高的要求，近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究以及对可重构机床技术的探索，反应了对制造装备更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。5、智能化和集成化成为数字化制造的重要支撑技术制造技术的发展经历了二十世纪30年代以流水线技术为核心的自动化制造技术，50年代以数控技术为核心的柔性制造技术，80年代以信息技术为核心的集成制造技术，二十一世纪初出现以虚拟技术为核心的数字制造技术。信息技术的发展及其与传统技术的相融合，使机床朝着数字化、集成化和智能化的方向发展，数字化制造装备、数字化生产线、数字化工厂的应用空间将越来越大；而采用智能技术来实现多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、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度，提高制造效率。6、发展适应敏捷自造和网络化分布式的制造系统柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）作为一种高生产率的多品种自动化生产系统，于二十世纪70年代初开始研制，80年代得到很大的发展，到90年代初由于大批量生产的制造业如汽车工业产品更新加快，出现了多品种生产的需求，要求自动线柔性化，发展了用数控机床构建的柔性生产线(FMI),由此也失去了结构简约的高速化数控机床的发展。回顾近10年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：6.1增强制造系统的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速响应能力。6.2发展兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于重构的新型制造系统，以适应不确定性的市场环境。这类制造系统称为快速重组制造系统（RRMS）或可重构制造系统(RMS)。其原理为：通过对制造系统中的设备配置的调整或更换设备上的功能模块，来迅速构成适应新产品产品生产的制造系统。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性，即如前面提到的可重构机床（RMT）。上述两方面的发展都将使作为生产底层的制造系统的自治性和敏捷性获得提高，不仅能提升加工系统的自动化水平，形成与工业机器人、物流系统等组成的数字化、智能化制造系统，而且也为实施网络化制造提供良好的基础。7、向大型化和微小化两极发展能源装备的大型化及航空航天事业等的发展，要求提供300t以上的巨轮、高精度、高质量的锻件，需要建造6~8万t的模锻压机及重型加工中心。微纳米技术是21世纪的战略高技术，微系统技术是微纳米技术的一部分，是集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源于一体的微型器件系统，正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。8、配套装置和功能部件的品种质量日臻完善除了数控系统（含数控装置和伺服驱动装置）有专业化生产厂外，关键的通用性功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、流动导轨副、直线滚动丝杆驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动化转位刀塔等在国内均有一些著名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增加整体的可靠性和降低成本起着重要的作用。虽然经过多年的发展，我国数控机床技术取得较大的进步，在世界市场上也占有比较重要的地位，但是我们应该清晰地看到，在中、高档数控机床的可靠性和数控机床的配套设施方面以及数控机床的一些先进产品与技术，与国外发达国家相比仍有一定的差距，因此，还应该做好以下几个方面：1）数控技术创新；2）加大数控专业技术人才的培养；3）积极消化国外先进数控技术；4）建立健全数控技术的产学研体系。只有这样我国数控机床水平才能处于世界领先水平。