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數（shù）控機床關鍵技術與發展趨勢

2018-5-30 來源：鄭（zhèng）州外國語中（zhōng）學作（zuò）者：韓昊錚

摘要：數控機（jī）床在現代工業中發揮著不可替代的角色。為了深入了解（jiě）國家裝備工業的（de）發展，學習和研究數控機床在工業發展中的重（chóng）要地位，本文基（jī）於（yú）對數控機床關鍵技術的簡要（yào）介紹，分析了數控機床未來的發展趨勢，指出了數控機床（chuáng）未來高速、高精度、網絡化（huà）和智能化發展的趨勢。

關鍵詞：數控機床；關鍵技術；發展趨勢

一、前言

重工業尤其是其中的裝備工業的（de）發展（zhǎn）水平決定（dìng）著（zhe）一個（gè）國家的綜合國力和（hé）國民經濟發展水平。數控技術是當今先進製造技術和裝備的（de）核心技術。在現代（dài）工業、製造業尤（yóu）其是高（gāo）精尖（jiān）領域，數控（kòng）技術（shù）已得（dé）到廣泛（fàn）應用。各工業發達國家也將數控技術視為國家的（de）戰略物資，甚（shèn）至對工業欠發達（dá）國家實施信（xìn）息屏蔽和技術封鎖。我國經過（guò）了改革開（kāi）放後幾十年的奮力追趕，在數控領域已取得較大成就，並在開放式數控（kòng）係統、嵌（qiàn）入式數控係統等方麵（miàn）實現技術突（tū）破。但是，目前我國（guó）數控技術水平從國際上（shàng）看（kàn）仍（réng）處於落後水平，與發達國家相比還有較（jiào）大差距。尤其是在高速、高精度數（shù）控機床方麵，國內大量使用進口（kǒu）產品（pǐn），國產機床市場占有率不足 5%，這充分反映了我國在數控領域仍處於技（jì）術落後狀態。本文通（tōng）過五軸聯動技術、誤差補償技術和直線電機驅動技術等（děng）數控機床（chuáng）關（guān）鍵技術，來探討我國數控機床技（jì）術（shù）未來發展的（de）方向。

二、數控機床（chuáng）應用關鍵技術

（一）五軸聯動技術（shù）

目（mù）前，高檔數控機床多是（shì）五軸（zhóu）聯動（dòng）的數控機床，五軸聯動數控機床已（yǐ）成為航空航天、船舶製造（zào）等重工業以及精密（mì）儀器（qì）加工（gōng）等精（jīng）密工（gōng）業最重要的加工工具。同時（shí），它也是技術難度最大，應用範圍（wéi）最廣的數控（kòng）機床技術。五軸聯動數控機床一般采用“3+2”的結構，不僅可（kě）以（yǐ）實現X/Y/Z 三個（gè）軸的運動，還可以實現另（lìng）外兩（liǎng）個軸的回轉。五軸聯動（dòng）數控機床主要可分為立式加工中心、臥式加工中心、搖（yáo）籃式加工中心等。以立式分為加工中心為例，立式五軸加工中心的回轉軸可以下兩種實現方式：一是工作台回轉軸;二是依靠主軸頭的回轉;除此以外，臥式加工中心還有（yǒu）通過工作台旋轉和（hé）主軸頭擺動結（jié）合的五軸（zhóu）聯動（dòng）結構。

國外五（wǔ）軸聯動數控機床以歐美、日本為代表，這（zhè）些國家或地區的五軸（zhóu）聯（lián）動數控機床代表了目前（qián）數控領域此項（xiàng）技術的最高水平。而國內由於工業基礎薄弱的內部因素和國外技術封鎖的外部因（yīn）素，目前的整體水平還很低，雖然，經過了科研機構、高校（xiào）、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（dìng）性和加工精度方麵（miàn）還遠遠無法與國外相比。但近幾年，我國五軸聯動（dòng）數控機床發（fā）展很快，技術上已有一些突破，並形成（chéng）了一些成熟（shú）的產品。

（二（èr））誤差補償技術

現代工業對於加工（gōng）產品的品（pǐn）質要求越（yuè）來越高，而加工過程（chéng）中的誤差正是影響產品質量的（de）重要因素。為了消除誤差帶來的不良（liáng）影響，盡可能地提（tí）高（gāo）加工產品的質量，在數控機床加工方麵（miàn）采取誤差補（bǔ）償技術，來補償固有誤差，實現高精加工。對數控機床誤差進行誤（wù）差補償，首先要從誤差來（lái）源處著手。由於數控機床一般主要由床身、立柱、主軸和各種直線導軌或轉（zhuǎn）軸等幾（jǐ）部分組成，以上每一部分在安裝和工作中都會（huì）造成誤差的產生。

談到（dào）誤差補償技術，主要有以下幾個方麵：誤差建模技（jì）術、誤差測量技術（shù）及補償實施技術。誤差建模誤差補償前（qián）提，其主要（yào）可以分為誤差綜合建（jiàn）模和誤差（chà）元（yuán）素建模；誤差（chà）測量方法可以分為（wéi）直接誤差測量和間接誤差辨識。以上工作的最終目的是為了對誤差進（jìn）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。所謂離線補償（cháng），就是根據測量得到的誤差在後期對（duì）機（jī）床進行誤差補償，但離線補償時（shí）隻能針（zhēn）對機床穩定的誤差。對於（yú）有生（shēng）產環節重點所產生的誤差，因其和（hé）所處溫度場緊密相關，因此，需要使用實時（shí）補償方法。誤差補償實施技術研究的關鍵在（zài）於提高補償的實時性、準確性、有（yǒu）效性（xìng）和簡便性。

（三）直線電機進給驅動技（jì）術

直線電機是一（yī）種能將電能直接轉（zhuǎn）化為直線運動機械能，而無任何中間轉換裝置的新型電機。它具有結構簡單、效率高、噪音小、磨（mó）損少、組合性強（qiáng）等優（yōu）點。在高精度的數控機床上一般（bān）應用交流直線電機。交流直線電機按照其工作原理又分為直線（xiàn）感應電（diàn）機和永磁直線（xiàn）同步電機。直線感應電機結構通常有平麵型和圓筒型。對於小直線行程場合，多數使（shǐ）用（yòng）圓筒型。對於長行程場（chǎng）合（hé）則一般采用平（píng）麵型結構。直線感（gǎn）應電（diàn）機（jī）具有成本低、環境因素影響小、抗電磁幹擾等優點。

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

目前，歐美、日（rì）本等工業大國已普遍在數控機床上應用直線電（diàn）機進給驅動（dòng）技術，以提高其（qí）加工效率和加工精（jīng）度。而國內由於開始（shǐ）研究直線（xiàn）電機進給驅動技（jì）術時間較晚，尚未能實現能應用到高速機床上的大推力、長行程進給。

三（sān）、數控機床技術發展趨勢

（一）數控機床的高速、高精、高效化

效率是工（gōng）業生產的關鍵，質（zhì）量是工業生產的根本。隻有能夠高速（sù）、高效、高精（jīng）度完成加工（gōng）的（de）數控機床才能符合人們越來越苛刻的要求。通過高速 CPU 芯片、RISC 芯片（piàn）、多 CPU 控製（zhì）係統以及交流（liú）數字伺服係統，利用五（wǔ）軸聯（lián）動技術和直線點進給驅動（dòng）技術，數控機床的高速、高精、高效（xiào）化水（shuǐ）平已大大提高，可以（yǐ）滿足大部分群體的（de）加工需要。但在（zài）航空航天、精密儀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。高精度產品還有利於減小測量誤差、減少機械磨損、延（yán）長使用壽命等。比如人們在（zài）實（shí）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（qiē）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（xuē）振動幾乎消失，刀具切削壽命提高 70%。因此（cǐ），高速、高精、高效化依然是數控機床發展的主要趨勢。

（二）數（shù）控機床的網絡（luò）化

互聯網技術（shù）的發展給傳統工業帶來了新的發展點，現代工業加工大多通過計算機控製，這就給數控機床的網絡化創造了條件。網絡化的（de）優點主要體現在故障診（zhěn）斷和遠程監控。例如，當機床發生故障時，生產廠（chǎng）家可以通過網絡監控進行故障原因診（zhěn）斷以（yǐ）便（biàn）故障的排除，該方式不僅節省了人力資（zī）本，還促進了生產效率的提（tí）高。此外，網絡化還有利於實現“互聯網+數控機床”，企業可以（yǐ）通過網（wǎng）絡的大數據分析掌握市場的第（dì）一（yī）手資料，並通過遠程（chéng）操作控製（zhì）更高效（xiào）靈活（huó）的調整（zhěng）生產方向和生產（chǎn）內容。數控機床的網絡化可以使（shǐ）人徹底擺脫手工輸（shū）入程序（xù）和單機輸入程序的局麵，實現長（zhǎng）距離自動程序傳輸和遠程控製。通過並（bìng）行傳輸程序，可以同時控製多台機床進行同種加工，提高（gāo）加工效率。網絡化還可以利用數控 APP 簡化操作的（de）流程，縮短培訓和操（cāo）作時間，並（bìng）使工作人員能夠隨時對網絡上（shàng）的數控機床實施（shī）管理及數據通訊（xùn）。傳輸可（kě）靠性高、自（zì）我糾錯（cuò）、操作（zuò）信息實時記錄等功能更使網絡化的速度越來越快。

（三）數控（kòng）機床的智能化（huà）

機器化是人類發展（zhǎn）的永恒主題，機器是人類智慧的延伸。在數控係（xì）統中，人們致力於將（jiāng）數控係統功能代替人類設計師和操作者。智能化使機床能夠完成自動調節抑（yì）製（zhì）震（zhèn）動、防止幹涉、減少熱形變等功能，提高生產效率和加工精（jīng）度。數控（kòng）機床目要求具有（yǒu）熱補償、振動監測、磨損監測、狀態監（jiān）測與故障判斷等智能功能，數控機場的實時智能（néng）化正是由此而產生（shēng）的技術和發展方向。

在智能數控機床（chuáng）領（lǐng）域，智能實時控製主要有以下幾個發展方向（xiàng）：自適應控製（zhì）、模糊（hú）控製、神經網絡控製（zhì）、專家控製、學習控製、前反饋控製等。在實際應用中，將數控係統中加裝（zhuāng）編程係（xì）統、故障診斷係統、參（cān）數設定（dìng）係統和刀具管理係統以及補償調節係統，在數控機床高速運行中引入狀態預測功（gōng）能、反饋功能（néng），對壓力、溫度（dù）、位置、速度等（děng）重要參數進行實時的反（fǎn）饋控製，這樣將使數控係統的控製性（xìng）能進一步提（tí）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（rén）開始用於數控機床的及時（shí）維護，用來最大限度（dù）的保護生產過程。未來智能機器人還將在機床的（de）維護維修、故障排（pái）查、自診（zhěn）斷和振動、磨損檢測等方麵做出貢獻。

四、總結（jié）

數（shù）控機床作為現代工業的基石，發展前景廣闊，發展（zhǎn）動力充足。目前，通（tōng）過現代的先進技術數控機床的（de）加工效（xiào）率和加工（gōng）質量已（yǐ）大大提高，自動化發展成果豐碩，並且數控機床已（yǐ）具備一（yī）定的智能，未來還將沿著高速、高精、高效化、網絡化（huà）、智能化的方向繼續發展（zhǎn）。數控機床作為現代先進（jìn）工業發（fā）展的基礎，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（xiàn）代工業最基本技術的重要性和我國（guó）在數控領（lǐng）域落後（hòu）的現狀都要求我們要大力發展數控（kòng）技術（shù），以改變高（gāo）檔數控機床依賴進（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中的廣泛應用，它的發展還將帶動我國製造業的全麵提高。

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