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數(shù)控的發(fā)展
題目：數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與趨勢(shì)
姓 名：
所在學(xué)院：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
日 期： 2007-5-25
引言
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。本文簡(jiǎn)要分析了數(shù)控機(jī)床高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢(shì)，并提出了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的一些問題。
一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史及趨勢(shì)
1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。
6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
1.1、數(shù)控（NC）階段
（1952～1970年）
早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代－－電子管；1959年的第二代－－晶體管；1965年的第三代－－小規(guī)模集成電路。
1.2、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件－－運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。
到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代－－小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代－－微處理器和1990年的第六代－－基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還
要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控”，實(shí)質(zhì)上已是指“計(jì)算機(jī)數(shù)控”了。
1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢(shì)
1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
?。?）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
?。?）引入故障診斷專家系統(tǒng)
?。?）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
可以通過自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
二、機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
2.1、微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2.1.2 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。
2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
2.1.4 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
2.1.5 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。
2.1.6 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
2.2、宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達(dá)20.8%，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
三、機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場(chǎng)
(以下具體的發(fā)展趨勢(shì))
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
一、數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向基于PC的全數(shù)字化開放體系結(jié)構(gòu)方向發(fā)展
基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)已得到廣泛認(rèn)可，具有強(qiáng)大的生命力?
從兩次機(jī)床展上可以看到，著名廠商的高檔數(shù)控系統(tǒng)都以基于PC的開放數(shù)控系統(tǒng)為主流。?
SINUMERIK?840Di?sl是基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)[MMC(人機(jī)通信)軟件系統(tǒng)、NC(數(shù)字控制)軟件系統(tǒng)、PLC(可編程邏輯控制)軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動(dòng)接口軟件]中的MMC軟件系統(tǒng)采用Windows?NT或XP操作系統(tǒng)。機(jī)床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技術(shù)改變?nèi)藱C(jī)界面(HMI)。其開放式系統(tǒng)理念的一個(gè)重要特點(diǎn)是，可以在數(shù)控核心部分，使用標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具對(duì)用戶指定的系統(tǒng)循環(huán)和功能宏進(jìn)行調(diào)整。?
FANUC?16i/18i/21i/30i系列是具有網(wǎng)絡(luò)功能的超小型、超薄型高檔CNC系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)采用CNC內(nèi)建PC型式，NC卡完成高實(shí)時(shí)性要求的數(shù)控運(yùn)算和PLC控制功能，PC完成操作界面、編程、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)等相對(duì)弱實(shí)時(shí)性要求功能。操作系統(tǒng)采用Windows?2000/XP或Windows?CE。備有C語言執(zhí)行程序、嵌入式宏執(zhí)行程序等各類功能。CNC系統(tǒng)與主計(jì)算機(jī)的連接接口采用高速串行總線(HSSB)。FANUC?300i/310i/320i系列采用Windows?CE作為操作系統(tǒng)，并提供動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)供用戶二次開發(fā)。
圖1 基于PC的iTNC 530系統(tǒng)
圖2 FANUC CNC單元與伺服單元和I/O的連接
圖3 Heidenhain以EnDae2.2協(xié)議連接編碼器和伺服
1. 高速化
隨著汽車、國防、航空、航天等工業(yè)的高速發(fā)展以及鋁合金等新材料的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的高速化要求越來越高。
圖1 HRV4可獲取更高的轉(zhuǎn)速和更小的電流
圖4 HRV4更小的溫升
圖 5反向間隙加速功能
( 反向間隙加速功能?
由于存在反向間隙，在高速加工時(shí)會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)滯后，引起象限尖峰，并影響加工精度。采用反向間隙加速功能后將顯著改善象限尖峰，提高加工精度。?
圖9 MPC功能
?
MPC(Machining?Point?Control－加工點(diǎn)控制)?
采用MPC功能，可在加工點(diǎn)處抑止振顫，獲得更高的加工精度。)
a. 主軸轉(zhuǎn)速：機(jī)床采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電機(jī))，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min；
b. 進(jìn)給率：在分辨率為0.01μm時(shí)，最大進(jìn)給率達(dá)到240m/min且可獲得復(fù)雜型面的精確加工；
c. 運(yùn)算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運(yùn)算速度的極大提高，使得當(dāng)分辨率為0.1μm、0.01μm時(shí)仍能獲得高達(dá)24～240m/min的進(jìn)給速度；
d. 換刀速度：目前國外先進(jìn)加工中心的刀具交換時(shí)間普遍已在1s左右，高的已達(dá)0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計(jì)成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時(shí)間僅0.9s。
2. 高精度化
數(shù)控機(jī)床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、熱變形以及對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償越來越獲得重視。
a. 提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，并采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度(日本已開發(fā)裝有106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測(cè)器的交流伺服電機(jī)，其位置檢測(cè)精度可達(dá)到0.01μm/脈沖)，位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法；
b. 采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，對(duì)設(shè)備的熱變形誤差和空間誤差進(jìn)行綜合補(bǔ)償。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60%～80%；
c. 采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，并通過仿真預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度，以保證機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，使其性能長(zhǎng)期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并保證零件的加工質(zhì)量。
3. 功能復(fù)合化
復(fù)合機(jī)床的含義是指在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為工藝復(fù)合型和工序復(fù)合型兩類。工藝復(fù)合型機(jī)床如鏜銑鉆復(fù)合——加工中心、車銑復(fù)合——車削中心、銑鏜鉆車復(fù)合——復(fù)合加工中心等；工序復(fù)合型機(jī)床如多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床和雙主軸車削中心等。采用復(fù)合機(jī)床進(jìn)行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時(shí)間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場(chǎng)反應(yīng)能力，相對(duì)于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 [Page]
加工過程的復(fù)合化也導(dǎo)致了機(jī)床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復(fù)雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機(jī)械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。
在2005年中國國際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2005)上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機(jī)床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實(shí)現(xiàn)4～5軸聯(lián)動(dòng)的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動(dòng)高速銑削中心等。
4. 控制智能化
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
a. 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測(cè)加工過程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度)和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性；
b. 加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的；
c. 智能故障自診斷與自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法實(shí)現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確定位；
d. 智能故障回放和故障仿真技術(shù)：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事故進(jìn)行回放和仿真，用以確定錯(cuò)誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)；
e. 智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，并自動(dòng)調(diào)整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅(qū)動(dòng)裝置和智能化進(jìn)給伺服裝置。這種驅(qū)動(dòng)裝置能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并自動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行；
f. 智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，將測(cè)量(Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。
5. 體系開放化
a. 向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長(zhǎng)生命周期；
b. 向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求；
c. 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動(dòng)消耗。
6. 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化
并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床克服了傳統(tǒng)機(jī)床串聯(lián)機(jī)構(gòu)移動(dòng)部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導(dǎo)軌進(jìn)給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機(jī)動(dòng)性不夠等固有缺陷，在機(jī)床主軸(一般為動(dòng)平臺(tái))與機(jī)座(一般為靜平臺(tái))之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過控制桿系中桿的長(zhǎng)度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機(jī)器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點(diǎn)。
并聯(lián)機(jī)床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當(dāng)前機(jī)床技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，受到了國際機(jī)床行業(yè)的高度重視，被認(rèn)為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機(jī)床行業(yè)中最有意義的進(jìn)步”和“21世紀(jì)新一代數(shù)控加工設(shè)備”。[Page]
7. 極端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機(jī)床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀(jì)的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā)展能適應(yīng)微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機(jī)床包括微切削加工(車、銑、磨)機(jī)床、微電加工機(jī)床、微激光加工機(jī)床和微型壓力機(jī)等的需求量正在逐漸增大。
8. 信息交互網(wǎng)絡(luò)化
對(duì)于面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的企業(yè)來說，使數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個(gè)部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，又能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、培訓(xùn)、教學(xué)、管理，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)(數(shù)控機(jī)床故障的遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個(gè)稱為信息塔(e-Tower)的外部設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報(bào)警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。
圖 FANUC 16i/18i/21i/30i系列CNC的網(wǎng)絡(luò)接口
圖 FANUC CNC的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、維護(hù)與管理
9. 新型功能部件
為了提高數(shù)控機(jī)床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應(yīng)用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：
a. 高頻電主軸：高頻電主軸是高頻電動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各種新型數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用；
b. 直線電動(dòng)機(jī)：近年來，直線電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，雖然其價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負(fù)載變化擾動(dòng)、熱變形補(bǔ)償、隔磁和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動(dòng)機(jī)已開始廣泛應(yīng)用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機(jī)床以及動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床等；德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動(dòng)均采用兩個(gè)直線電動(dòng)機(jī)；
c. 電滾珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿的集成，可以大大簡(jiǎn)化數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。
10. 高可靠性
數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，增加了數(shù)控系統(tǒng)和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓和機(jī)電裝置，易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效的概率增大；工業(yè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和干擾對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性極為不利，而數(shù)控機(jī)床加工的零件型面較為復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，要求平均無故障時(shí)間在2萬小時(shí)以上。為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，就要精心設(shè)計(jì)系統(tǒng)、嚴(yán)格制造和明確可靠性目標(biāo)以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環(huán)節(jié)。國外數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間在7～10萬小時(shí)以上，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)平均無故障時(shí)間僅為10000小時(shí)左右，國外整機(jī)平均無故障工作時(shí)間達(dá)800小時(shí)以上，而國內(nèi)最高只有300小時(shí)。
11. 加工過程綠色化
隨著日趨嚴(yán)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、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當(dāng)中。在21世紀(jì)，綠色制造的大趨勢(shì)將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場(chǎng)。
12. 多媒體技術(shù)的應(yīng)用
多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對(duì)用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測(cè)等，因此有著重大的應(yīng)用價(jià)值。
3 我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀及思考
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為39.3%34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，但進(jìn)出口逆差嚴(yán)重，國產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占 27.7%。1999年機(jī)床進(jìn)口額為8.78億美元(7624臺(tái))，2003年達(dá)27.1億美元(23320臺(tái))，相當(dāng)于同年國內(nèi)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值的2.7 倍。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 [Page]
我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。
a. 不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床水平的關(guān)鍵
國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床缺乏核心技術(shù)，從高性能數(shù)控系統(tǒng)到關(guān)鍵功能部件基本都依賴進(jìn)口，即使近幾年有些國內(nèi)制造商艱難地創(chuàng)出了自己的品牌，但其產(chǎn)品的功能、性能的可靠性仍然與國外產(chǎn)品有一定差距。近幾年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商通過技術(shù)引進(jìn)、海內(nèi)外并購重組以及國外采購等獲得了一些先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，但缺乏對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)與精度、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性技術(shù)的研究，忽視了自主開發(fā)能力的培育，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外還有較大差距，同樣難以得到大多數(shù)用戶的認(rèn)可。
b. 制造水平與管理手段依然落后
一些國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商不夠重視整體工藝與制造水平的提高，加工手段基本以普通機(jī)床與低效刀具為主，裝配調(diào)試完全靠手工，加工質(zhì)量在生產(chǎn)進(jìn)度的緊逼下不能得到穩(wěn)定與提高。另外很多國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床制造商的生產(chǎn)管理依然沿用原始的手工臺(tái)賬管理方式，工藝水平和管理效率低下使得企業(yè)無法形成足夠生產(chǎn)規(guī)模。如國外機(jī)床制造商能做到每周裝調(diào)出產(chǎn)品，而國內(nèi)的生產(chǎn)周期過長(zhǎng)且很難控制。因此我們?cè)谝M(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)自身工藝技術(shù)改造和管理水平的提升。
c. 服務(wù)水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占有率的一個(gè)重要因素
由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，一部分企業(yè)不顧長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，對(duì)提高自身的綜合服務(wù)水平不夠重視，甚至對(duì)服務(wù)缺乏真正的理解，只注重推銷而不注重售前與售后服務(wù)。有些企業(yè)派出的人員對(duì)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床缺乏足夠了解，不會(huì)使用或使用不好數(shù)控機(jī)床，更不能指導(dǎo)用戶使用好機(jī)床；有的對(duì)先進(jìn)高效刀具缺乏基本了解，不能提供較好的工藝解決方案，用戶自然對(duì)制造商缺乏信心。制造商的服務(wù)應(yīng)從研究用戶的加工產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)類型、質(zhì)量要求入手，幫助用戶進(jìn)行設(shè)備選型，推薦先進(jìn)工藝與工輔具，配備專業(yè)的培訓(xùn)人員和良好的培訓(xùn)環(huán)境，幫助用戶發(fā)揮機(jī)床的最大效益、加工出高質(zhì)量的最終產(chǎn)品，這樣才能逐步得到用戶的認(rèn)同，提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率。
d. 加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度
從我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展形式來看需要三種層次的數(shù)控技術(shù)人才：第一種是熟悉數(shù)控機(jī)床的操作及加工工藝、懂得簡(jiǎn)單的機(jī)床維護(hù)、能夠進(jìn)行手工或自動(dòng)編程的車間技術(shù)操作人員；第二種是熟悉數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)軟硬件知識(shí)的中級(jí)人才，要掌握復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和制造知識(shí)，能夠熟練應(yīng)用UG、PRO/E等CAD/CAM軟件，同時(shí)有扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)、較高的英語水平并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；第三種是精通數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、能夠進(jìn)行數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新的數(shù)控技術(shù)高級(jí)人才。我國應(yīng)根據(jù)需要有目標(biāo)的加大人才培養(yǎng)力度，為我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)人才支撐。
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