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數控（kòng）機床關（guān）鍵技術（shù）與發展趨勢

2018-5-30 來源：鄭州外國語中學作者：韓昊錚（zhēng）

摘要：數控（kòng）機床在現代工業中發揮著不可（kě）替代的角（jiǎo）色。為（wéi）了（le）深入了解（jiě）國家裝備工業的發展，學（xué）習和研（yán）究數控機床在工業發展中的（de）重要地位，本（běn）文基於對數控機床關鍵技術的簡要介紹，分析了數（shù）控機床未來的發展（zhǎn）趨勢，指出了數控機床（chuáng）未來高速、高精度、網絡化和智能化發展的趨勢（shì）。

關鍵詞：數控機床（chuáng）；關鍵技術（shù）；發展趨勢

一、前言

重工業尤其是其中的裝備工業（yè）的發展水平決定著一個（gè）國家的綜（zōng）合國力和國民經濟（jì）發展水平。數（shù）控技術是當今先進製造技術和裝備的核心技術。在現代工業、製造業尤其是高精尖領域，數控技術已得到廣泛應用。各工業（yè）發達國家也將數控技術視為國家的戰略物資，甚至對工業欠發（fā）達國家實施信息屏蔽和技術封（fēng）鎖。我國經過（guò）了改革開放後（hòu）幾十年的奮力追趕，在數控領域已取得（dé）較（jiào）大成就，並在開放式數（shù）控係統、嵌入式數控係統（tǒng）等方麵實現技術（shù）突破。但是，目前（qián）我國數控技術水平從國際上看仍處於落後水平，與發達國家（jiā）相比還有較大差距。尤其是在高（gāo）速、高精度（dù）數控機床方麵，國內大量（liàng）使用（yòng）進口產品，國產機床市場占有（yǒu）率不足 5%，這充分反（fǎn）映（yìng）了我國在數控領域仍處（chù）於技術落後（hòu）狀態。本文（wén）通過五軸聯動技術、誤差補（bǔ）償技術和直線（xiàn）電機（jī）驅動技（jì）術等數控機床關鍵技術，來探討我國數控機床技術（shù）未來發展的方向（xiàng）。

二、數控機床應用（yòng）關鍵技術

（一）五軸聯動技術

目前，高（gāo）檔（dàng）數控機床多是五軸聯動的數控機床，五軸聯動數控機床已成為航空航天、船（chuán）舶製造等重工業以及精密（mì）儀器（qì）加工等精密（mì）工（gōng）業最重要的加工工（gōng）具。同時，它也是技術難度最大，應用範圍最廣的數控機床技術。五軸聯動數控機床一般采用“3+2”的結構，不僅可以實現X/Y/Z 三個軸的運動，還可以實現另外兩（liǎng）個軸的回轉。五軸聯（lián）動數（shù）控機床主要可分為立式加工中（zhōng）心、臥式加工中（zhōng）心、搖籃式加工中心等。以（yǐ）立式分為加工中心為例（lì），立式五軸加工（gōng）中（zhōng）心的回轉軸可以（yǐ）下兩種實現方式：一是工作台（tái）回轉軸（zhóu）;二是依靠主軸頭的回轉;除此以外，臥式（shì）加工中心還有通過工作台（tái）旋轉（zhuǎn）和主軸頭擺動結合的（de）五軸（zhóu）聯動結構。

國外五軸聯動數控機床以歐美、日（rì）本為代表，這些國家或地區的五軸聯動數控機床代表了目前數控領域此項技術的最高水平。而國內由於工業基礎薄弱的內（nèi）部因（yīn）素和國外技術封鎖（suǒ）的外部因素，目（mù）前的整體水平還很低，雖然，經過了科研機構、高校、企業的（de）不斷努（nǔ）力（lì），但以五軸（zhóu）聯動數控機床為代表的高檔數控機床（chuáng）的穩定性和加工精度方麵還遠（yuǎn）遠無法與國外相比（bǐ）。但近幾年，我國五軸聯動數控機（jī）床發展很快，技術上已有一些突（tū）破，並形成了一些成熟的產品。

（二）誤差補償技術

現（xiàn）代工業對於加工產品的品質要求越來越高，而加工過程中的誤差正是影響產品質量的重要因素。為了消除誤差帶來的不良影響，盡可能地提高加工產品的質（zhì）量，在數控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。對數控機床（chuáng）誤差進行誤差補償（cháng），首先要從誤差（chà）來源（yuán）處著手。由於數控機床一般（bān）主要（yào）由床身、立柱、主軸和各種直線導軌或轉軸等（děng）幾部分組成，以上每一部分在安裝和工作中都會造成誤差的產生。

談到誤差補償技術，主要有以下幾個方麵：誤差建模技術、誤差測量技術及補償實（shí）施技術。誤差建模誤（wù）差補償前提，其主要可以分為誤差綜合建模和誤差元素建模；誤差測量方法可以分為（wéi）直接誤（wù）差測量和間接（jiē）誤差辨識。以上工（gōng）作的最終目的是為了對誤差進行合理補償，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（gēn）據測量得（dé）到的誤差在後期對機床進行誤差補償，但離線補償時隻能針對機床穩定的誤差。對於有生產環節重點所產生的誤差，因其和所處溫度（dù）場緊密相關，因此，需要使用實時補償方法（fǎ）。誤差補償實施技術研究（jiū）的關鍵在於提高補償的實時性、準確性（xìng）、有效性和簡便性。

（三（sān））直線電機進給驅動技術

直線電機是一種能將電能直（zhí）接轉化為直線運動機械能，而無任何中（zhōng）間轉換裝置的新型電機。它具有結構簡單、效率高、噪音小、磨損少、組合性強等（děng）優點。在高精度的數控機床上一般應用交流直（zhí）線電機。交流直線電機按（àn）照其（qí）工作原理又分為直線感應電機（jī）和永磁直（zhí）線同步電機（jī）。直線感應電機結構通（tōng）常有平麵型（xíng）和圓筒型。對於小直線行程場（chǎng）合，多數使用圓筒型。對於長行程場合則一般采用平麵型結構。直線感應電機具有成本低、環境因素（sù）影響小、抗電磁（cí）幹（gàn）擾等優點。

永磁直線（xiàn）同步電機在應用（yòng）時兼有直（zhí）線電機和永磁電（diàn）機的優點，一般由逆變器供電，通過PWM 調製（zhì），采用 PID 調節（jiē）控製及 DSP 等控製方式。它推力能量更大（dà）、響應速度（dù）更快、體積同時較小，是目前高精度直線進給係統的首選電機類型（xíng）。

目前，歐（ōu）美、日本等工業大國已普（pǔ）遍在（zài）數控機床上（shàng）應用直（zhí）線電機進給驅動技術，以提高其（qí）加工效率（lǜ）和加（jiā）工精度。而國內由於開始研究直線電（diàn）機進給驅動技術時（shí）間較晚，尚未（wèi）能實現能應用到高速機床上的大推力、長行程進給。

三、數控機床技術發展趨勢

（一）數（shù）控機床的高速、高精、高效化

效率是工業生產的關鍵，質量是工（gōng）業生產的根本。隻有能夠高速、高效、高精度完成加工的數控機床才能符合人（rén）們越來越苛刻的要（yào）求。通過高速 CPU 芯（xīn）片、RISC 芯（xīn）片、多 CPU 控（kòng）製係統以（yǐ）及交流數字伺服係統，利用五軸聯動技術（shù）和直（zhí）線點進給驅（qū）動技術，數控機床的高速、高精、高效化水平已大大（dà）提（tí）高，可以滿足大部分（fèn）群體（tǐ）的加工需要。但在航空航天、精密儀器製造等領域目前的加工精度還（hái）不能很好地完成一些複（fù）雜、精（jīng）密零件的加工。高精度產品還有利於減小測量誤差、減少（shǎo）機械磨損、延長使用壽命等（děng）。比如人們（men）在實際操作中發現：當切削速度提高 10 倍，進給速度提高 20 倍，遠遠超過傳統切削“禁區”後，將導致單位功率的金屬切除率提高30%-40%，切削力下降30%，切削振動幾乎消失，刀（dāo）具切削壽命提（tí）高 70%。因此，高速、高精、高（gāo）效化依然是數控機床發展的主要趨勢。

（二）數控機床的（de）網絡化

互聯網技術的發展給傳（chuán）統（tǒng）工業帶（dài）來了新的發展點，現代工業加工大（dà）多通過計算機控（kòng）製，這就給數控機床的網絡化創造了條（tiáo）件。網絡化的優點主要（yào）體現在故障（zhàng）診斷和遠程監控。例如，當機床發生故障時，生產廠家可以通過網絡監控（kòng）進行故障（zhàng）原因診斷以便故障的排除（chú），該方式（shì）不（bú）僅節省（shěng）了人力資本（běn），還促進（jìn）了生產效率的提高。此外，網絡化還有利（lì）於實現“互聯網+數控機（jī）床”，企業可以通過網絡的大數據分析掌握市場的第一手資料，並通（tōng）過遠程操（cāo）作控（kòng）製更高效靈活的調整生產方向和生產（chǎn）內容。數控（kòng）機床的網絡化可以使人徹底擺（bǎi）脫（tuō）手工輸入程序和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。通過並行傳輸（shū）程序，可以同時（shí）控製多台機床進行同種加（jiā）工，提（tí）高加工效率。網絡化（huà）還可以利用數控 APP 簡化操作的（de）流程，縮短培訓和操作時間，並使工作人員（yuán）能夠隨時對網絡上的數控機床實施管理及數據通訊。傳輸可靠性高、自我糾錯（cuò）、操作信息（xī）實時記錄等功能更（gèng）使網絡化的速度越來越快。

（三）數控機床的智能化

機器化是人類發展的永恒主題，機器是人類智慧的延伸。在數控係統中，人們（men）致力於將數控係統功能（néng）代替人類設（shè）計師和操作者。智能化使機（jī）床能夠完成自動調節抑製震動、防止幹涉、減少熱形變等功能，提高生產效率和（hé）加工精度。數控機床目要（yào）求具有熱補償、振動監測、磨損監測、狀態監測與故障判斷等智能功能，數控機場的實時智能化正是由此而產生的技術和發（fā）展方向。

在（zài）智能數控機床領域，智能實時控製主要有以下幾個發展方（fāng）向：自適應控製、模糊控製、神經網絡控製、專家控製、學習控製、前反饋控製等。在（zài）實際應用中，將數控係（xì）統中加（jiā）裝編程係統、故（gù）障診斷係統、參（cān）數設定係統和刀具管（guǎn）理係（xì）統以及補償調節係統，在數控機床高速運行中引入狀（zhuàng）態預測功能、反饋功能，對（duì）壓力（lì）、溫（wēn）度、位置、速度等重要參數進行實時的反饋控製，這樣將使（shǐ）數控係統的控（kòng）製性能（néng）進一步提高。伴隨著人工智能和智能機器人的發展，目前已有一些高端的智能機器人開始用於數控機床的及時維護，用來最大限度的保護生產過程。未來智（zhì）能機器人還將（jiāng）在機床的維護維修（xiū）、故障排查（chá）、自診（zhěn）斷和振動、磨損檢測（cè）等（děng）方麵（miàn）做出貢獻。

四、總結

數控機床作為現代工業的基石，發展前景廣闊（kuò），發（fā）展動力（lì）充足。目前，通過現（xiàn）代的先進（jìn）技術數控機床的加工效率和（hé）加工質量已大大提高，自動（dòng）化發（fā）展成果（guǒ）豐碩，並且數控機床已具備一定的智能，未來（lái）還將（jiāng）沿著高速、高精、高效化（huà）、網（wǎng）絡化、智能化的方向繼續發展。數控機（jī）床作為現代先進（jìn）工業發展的基礎，是一個國家發展機械工業和精密（mì）工業的關鍵（jiàn）。數控機床作為現代工業最基本技術的重要性和我（wǒ）國在數控領域落後的現狀（zhuàng）都要求我們要大力發展數控技術，以改變高檔數控機床依賴（lài）進（jìn）口，精密（mì）工件的加工依賴國外的被動局麵。同時，隨著數控機床在（zài）機械工業中的廣泛應用，它的發展（zhǎn）還將帶動我國製造業的全麵提高。

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