數控機床關（guān）鍵技（jì）術與發展趨勢（shì）-數（shù）控機床市場網

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數控機床關鍵技術與發展趨勢

2018-5-30 來源：鄭州外國語中（zhōng）學作者：韓昊錚

摘要：數控機床在現代工業中發揮著不可替（tì）代的角色。為（wéi）了（le）深入了解（jiě）國家裝備工業的發展，學習和研究數控機床在工業發展中的重要地位，本文基於對數控機床關（guān）鍵技術的簡要（yào）介紹，分析了數控機床未來的發展趨勢，指出了數控機床未來高（gāo）速、高精度、網絡化和（hé）智（zhì）能化發展（zhǎn）的趨勢。

關（guān）鍵詞：數控（kòng）機床；關鍵技術；發展趨勢

一、前言

重工業尤其是（shì）其中的裝備工業的發展水（shuǐ）平（píng）決定（dìng）著一個國家的綜合國力和國（guó）民（mín）經濟發展水平。數控技術是當今先進製（zhì）造技術和裝備的核心技術。在現代（dài）工業、製造業尤其是高精尖領域，數控技術已得到廣（guǎng）泛應用。各工業發達（dá）國家也將數控技（jì）術視為國（guó）家的戰略物資，甚至對工（gōng）業欠發達國家實（shí）施信息屏蔽和技（jì）術封鎖。我（wǒ）國經過了改革開放後幾十年的（de）奮力追趕，在數控領域已取得較（jiào）大成就，並（bìng）在開放式數控係統、嵌入式數控係統等方麵實現技術突破。但是，目前我國數控技術水平（píng）從國（guó）際上看（kàn）仍處（chù）於（yú）落後水平，與發達國家（jiā）相比（bǐ）還有較（jiào）大差距。尤（yóu）其是在高速、高精度數控機床方麵，國內大量使用進口產品，國產機床市場占有（yǒu）率不足 5%，這充分反映了我國在數控領域仍處於技術落後（hòu）狀態。本文通過五軸聯動技術、誤差補償技（jì）術和（hé）直線電（diàn）機驅動技術等（děng）數控機床關鍵技術，來探（tàn）討我國數控機床（chuáng）技術未（wèi）來發展的方向。

二、數控機床應用關鍵技術

（一）五軸聯動技術（shù）

目前，高檔數控機床多是五軸聯動的數控（kòng）機床，五軸聯動數控機（jī）床已成為航空航天、船舶製造等重工業以及精密儀器加工等精密工業最重（chóng）要的加工工具。同時，它也是技術難度最大，應用範（fàn）圍最廣的數控機床技術。五軸聯動數控機床一（yī）般采用“3+2”的（de）結構，不僅（jǐn）可以實現X/Y/Z 三個軸（zhóu）的運動，還可以實現另外兩個軸的（de）回轉。五軸聯動（dòng）數（shù）控機床主要可分為立式加工中心（xīn）、臥式加工（gōng）中心（xīn）、搖籃式加（jiā）工中心等。以立式分為加工（gōng）中心為例，立式五軸加工中心的回轉軸可以下（xià）兩（liǎng）種實現方式：一是（shì）工作台回轉軸;二是依靠主軸頭的回轉;除（chú）此以外，臥式加工中（zhōng）心還有通（tōng）過工作台旋轉和主軸頭擺動結合的五軸聯動結構。

國外五軸聯動數（shù）控機床以歐美、日本（běn）為代表，這些（xiē）國家或（huò）地區的五軸聯（lián）動數控機床（chuáng）代表了目前（qián）數控領域此（cǐ）項技術的最高水平。而（ér）國內由（yóu）於工業基礎（chǔ）薄弱的內部因素和（hé）國外技術封鎖的外部因（yīn）素，目前的整體水平還很（hěn）低，雖然，經過了科研機構、高（gāo）校、企業的不斷努力，但以五軸聯動數控機床為代表的高檔數控機床的穩定性和加工精度方（fāng）麵還遠遠無法（fǎ）與國外相比。但近幾年，我國五軸聯動數控機床發展很快，技術上已有一些突破，並（bìng）形成了一些成熟的產品。

（二）誤差補償技術

現代工業對於加（jiā）工產品（pǐn）的品質要求越來越高，而加工（gōng）過程中的誤（wù）差正是影響產品質量的重要因素。為了消除誤差帶來（lái）的不（bú）良（liáng）影響，盡可能地提高加（jiā）工產品的質量，在數控（kòng）機床加工方麵采取誤差補償技術，來補償固有誤差，實現高精加工。對數（shù）控機床誤差進行誤差補償，首先要從誤差來源處著手。由於數控機床一（yī）般主要由床身、立柱、主（zhǔ）軸和各種直線導（dǎo）軌或轉軸等（děng）幾部分組成，以上每一部分在安裝和工作中都會造成（chéng）誤差的（de）產生。

談到（dào）誤（wù）差補償技（jì）術，主要有以下（xià）幾（jǐ）個方麵：誤差建模技術、誤差測量技術及補償實施技術。誤差建模誤差補償前提，其主要可以分為誤差綜合建模和誤差元素建（jiàn）模；誤（wù）差測量方法（fǎ）可以分為直接誤（wù）差測量和間接誤差辨（biàn）識。以上工作的最終（zhōng）目的是（shì）為了對誤差進行合理（lǐ）補償，誤差補償在時間尺度上可以分為離線和實時補償。所（suǒ）謂離線補償，就是根據測量（liàng）得到的誤差在後期對機床進行誤差補償，但離線（xiàn）補償時隻能針對機床穩定的誤差。對於有生（shēng）產環節重點所（suǒ）產生的誤差，因其和所處溫度場緊密相關，因此，需要使用（yòng）實時（shí）補償方（fāng）法。誤差補償實施技術研究的關鍵在於提高補償（cháng）的實時性、準確（què）性、有效性和（hé）簡便（biàn）性。

（三）直線（xiàn）電機進給驅動技術

直線電（diàn）機是一種能將電能直接（jiē）轉化為直（zhí）線運動機械能（néng），而無任何中間轉換（huàn）裝置的新型（xíng）電機。它具（jù）有結構簡（jiǎn）單、效（xiào）率高、噪（zào）音小、磨損少、組合性強等優點。在（zài）高精度的（de）數控機床（chuáng）上一般（bān）應用（yòng）交流直線電（diàn）機。交流直線電機按照其工作原理又分為直線感應電機和永磁直線（xiàn）同步電機。直線感應（yīng）電機結構通常有平麵型（xíng）和圓筒（tǒng）型。對於（yú）小直線行程場合，多數使用圓筒型。對（duì）於長行程場合則一般采（cǎi）用平麵型結構。直（zhí）線感應電機具有成本低、環境（jìng）因素影響小、抗電磁幹擾等優（yōu）點。

永磁直線（xiàn）同步電機在應用時（shí）兼有直線電機和永磁電機的優點，一般由逆變（biàn）器供電，通過PWM 調製，采用 PID 調節控製及 DSP 等控製方式。它推力能量更大、響應速度更快、體積同時較（jiào）小，是目前高精度直線進給係統的首選（xuǎn）電機類型。

目前，歐美、日本等工業大國已普遍在數控機床上應用直線電機進給驅（qū）動技術，以提高其加工效率和加工精度。而國內由於開（kāi）始研究直線電機進給驅動技術時間較晚，尚未能實現（xiàn）能應用到高（gāo）速機床上的大推力、長行程進給。

三、數控機床技術發（fā）展趨勢

（一）數控機床（chuáng）的高速、高（gāo）精、高效化

效（xiào）率是（shì）工業生產的關鍵，質量是工業生產（chǎn）的（de）根本。隻有能夠高（gāo）速、高效、高精度完成加工（gōng）的（de）數控機床才能符合人們越來越苛（kē）刻（kè）的要求。通過高速 CPU 芯片、RISC 芯（xīn）片、多 CPU 控製係統以及交流數字伺服係統，利用五軸聯動（dòng）技術和直線（xiàn）點進給驅動技術，數控機床的高速、高精（jīng）、高效化水平已大大提高，可以滿足（zú）大部分群體的加工需要（yào）。但在航空航天（tiān）、精（jīng）密儀（yí）器製造等領域目前的加工精度還不能很好地完成一些複雜、精密零件的加工。高精度產品還（hái）有利（lì）於減（jiǎn）小測量誤差、減少機械磨損、延長使用（yòng）壽命（mìng）等。比如人們在實（shí）際操作（zuò）中發（fā）現：當切削速度提高 10 倍，進給（gěi）速度提高 20 倍，遠遠超過傳統切削“禁區（qū）”後，將導（dǎo）致單位功（gōng）率的金屬切除率提高30%-40%，切削力下降30%，切（qiē）削（xuē）振動幾（jǐ）乎消失，刀具切削壽命提高 70%。因此，高速、高精、高效化依然是（shì）數控機床發展的主要（yào）趨勢。

（二）數控機床的網絡化

互聯網技術的發展給傳統工業帶來了新的（de）發展（zhǎn）點（diǎn），現代工業加工大多通過計算機控製，這就給（gěi）數控（kòng）機床的網絡化創造了條件。網絡化（huà）的優點主要（yào）體現在故障診斷和遠（yuǎn）程監控。例如，當（dāng）機床發生故障時，生產廠家可以通過（guò）網（wǎng）絡監控進行故障原因診斷以便故障的排除，該方式（shì）不僅節（jiē）省了人力資本（běn），還促進了生產效率的提高。此外，網絡化還有利於實現（xiàn）“互聯網+數控機床”，企業可以通過網絡的大數據（jù）分析掌握市場的第（dì）一手資料，並通（tōng）過遠程操作（zuò）控製更高效靈活（huó）的調整（zhěng）生產（chǎn）方向和生產內容。數控機床的網絡化可以使人徹底擺脫手工輸入程序和（hé）單機輸入程序的局麵，實現長距離自動程序傳輸和遠程控製。通（tōng）過並行傳（chuán）輸程（chéng）序，可（kě）以同（tóng）時控製多台機（jī）床進行同種加（jiā）工，提（tí）高加工效率。網絡化還可以利（lì）用數控 APP 簡化操作的流程，縮短培訓和操作時（shí）間，並使工作人員能夠隨時對網絡上的數控機床實施（shī）管理及數據通訊。傳輸可靠性高、自我糾錯、操作信息實時記錄（lù）等功能更使網絡化的速度越來越快。

（三）數控機床的智能化

機（jī）器化是人類發展的（de）永恒主題（tí），機（jī）器是人類智慧的延伸。在數控係統中，人們致力於將數控係統（tǒng）功能代替人類設（shè）計師（shī）和操作（zuò）者。智能化使機床能夠完成自動調（diào）節抑製震（zhèn）動（dòng）、防（fáng）止幹涉、減（jiǎn）少熱形變等功能，提高生（shēng）產效率和加工精度。數控機床目要求具有（yǒu）熱補償、振動監測（cè）、磨損監測（cè）、狀態監測與故障判斷等智（zhì）能功能，數（shù）控機場的實時智能化正是由此而產生的技術和（hé）發（fā）展方向。

在智（zhì）能數控機床領域，智能實時控製主要有以下幾個發（fā）展方向（xiàng）：自適應控製、模糊控製、神經網絡控製、專家控製（zhì）、學（xué）習（xí）控製、前反饋控製等。在實際（jì）應用（yòng）中，將數（shù）控係統中加裝編程係統、故障診斷係統、參（cān）數設定係統和刀具管理係統以及補償調（diào）節係統，在數控機床高速運行中（zhōng）引入（rù）狀（zhuàng）態預測功（gōng）能、反饋功能，對壓力、溫度、位置、速度等重要參數進行實時的反饋控製，這樣將使數控（kòng）係統的控製性能進一（yī）步（bù）提高。伴（bàn）隨著人工智能和智能機器人的發展，目前已有一些（xiē）高端的智能機器人開始用於（yú）數控機床的及時維（wéi）護，用來最大限度的保護生產過（guò）程。未來（lái）智能機器人還將在機床的維護維修、故障排查（chá）、自診斷和振動、磨損檢測等方麵做出貢獻。

四、總結（jié）

數控機床作為現代工（gōng）業的基（jī）石，發展前（qián）景廣闊，發展動力（lì）充足。目前，通過現代的先進技術數控機床的加（jiā）工效率和加（jiā）工質量已大大提高，自動化發展成果豐碩，並且（qiě）數控機床（chuáng）已具備一定的智能，未來（lái）還（hái）將沿著高速、高精、高效化、網絡化（huà）、智能化的方向繼續發展。數控機床作為現代先進（jìn）工業發展（zhǎn）的基礎，是一個國家發展機械工業和精密工業的關鍵。數控機床作為現代工業（yè）最基本技術的重（chóng）要性和我國在（zài）數控領（lǐng）域落後的現（xiàn）狀都要求我們要大力發展數控技術，以改變高檔數控機床依（yī）賴進（jìn）口，精密工件的加工依賴國外的被動局麵。同時，隨著數控機床在機械工業（yè）中的廣泛應用，它的發展還將（jiāng）帶動我（wǒ）國製造業（yè）的全麵提高。

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