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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（guó）語中學作者：韓昊錚

摘要：數控機（jī）床在現代工業中發揮著（zhe）不可替代的角色。為了深入了解國家裝備工業的發展，學習和研究數控（kòng）機床在工業發展中的重（chóng）要地位，本文（wén）基於對數控機床關鍵技術的簡要介紹，分析了數控機（jī）床未來的發展趨（qū）勢，指出了數控機床未來高速、高精度、網絡化和智（zhì）能化發展的趨勢（shì）。

關鍵詞：數控機（jī）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）發展水（shuǐ）平決定著一個國家的綜合國力和國民經濟發展水平。數控技術是當（dāng）今先進製造技術和裝（zhuāng）備的核心技術。在現代工業、製造業尤其是高精尖領域，數控（kòng）技術已得到廣泛應用。各（gè）工業發達國家也將數控技（jì）術視（shì）為國家的戰略物資，甚至（zhì）對工業（yè）欠發達國（guó）家實施信息屏蔽和技術封鎖。我國經過了改革開放後幾十年的奮力追趕，在數控領（lǐng）域已取得較大成就，並（bìng）在（zài）開放式數控係統、嵌入式數控係統等方麵實現技術（shù）突破。但是，目前我國數控技（jì）術水平（píng）從（cóng）國際上（shàng）看仍處於落後水平，與發達國家相比還有較大差距（jù）。尤其是在高速、高精度數控機床方麵，國內大（dà）量使（shǐ）用（yòng）進口產品，國產機床市場占有率不足（zú） 5%，這充分反映了我國在（zài）數控領域仍處於技術落後（hòu）狀態。本文通過五（wǔ）軸聯動技術、誤差補償技術和直線電機驅動技術等數控機床關鍵技術，來探討我國數控機床技術未來發展的方向。

二、數控機床應（yīng）用（yòng）關鍵技術

（一）五軸聯動技術

目前，高檔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、船舶製（zhì）造等重工業以（yǐ）及精（jīng）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，應用範圍最廣（guǎng）的數（shù）控機床技術。五軸聯動數控機床一般（bān）采用“3+2”的結構，不僅可以實現X/Y/Z 三個軸的運動，還可以實現另外兩個軸的回轉。五軸聯動數控機床主要可分為立式加工中心（xīn）、臥式加工中心、搖籃式加工中心等（děng）。以立式分為（wéi）加工（gōng）中心為例，立式（shì）五（wǔ）軸加工中心的（de）回轉（zhuǎn）軸可以下兩種實現方式：一是工作台（tái）回轉軸;二是依靠（kào）主軸頭的回轉;除此以外（wài），臥式加工中心還有（yǒu）通過工作（zuò）台旋轉和主軸頭擺動結（jié）合的五軸聯動（dòng）結構。

國外五軸聯動數控（kòng）機（jī）床以歐美、日本（běn）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（cǐ）項技（jì）術的最（zuì）高水平。而國內由（yóu）於工業基礎薄弱的內部因素和國外技術封鎖的外部因素，目前的（de）整體水平還很低，雖然，經過了科（kē）研（yán）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（biǎo）的高檔（dàng）數控機床的穩定（dìng）性和加工精度方麵還遠遠無法與國外（wài）相比。但近幾年，我（wǒ）國五軸聯動數控機床發展很快，技術上已有一些突破，並形成了一些成熟（shú）的產品。

（二）誤（wù）差補償技術

現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（lái）的不良影響，盡可能地提高加工產品的（de）質量，在數控機床加（jiā）工方麵采取誤差補償技術，來補償固有誤差，實現高精加工。對數控機床誤差進行誤差補償，首先要從誤差來源處著手。由於（yú）數控（kòng）機床一（yī）般主要由床身、立柱、主軸和各（gè）種直（zhí）線導軌或轉軸等幾部分組成，以上每一部分在安裝和工作（zuò）中都會造成誤（wù）差的產生。

談到（dào）誤差補償技術，主要有以（yǐ）下幾個方麵：誤差建模技術、誤差測量技（jì）術及補償實施技術。誤差建模誤差補償（cháng）前提，其主要（yào）可（kě）以分為誤差綜合建（jiàn）模和誤差元（yuán）素建模；誤差測量方法可以（yǐ）分為直接誤（wù）差測量和間接誤差辨識。以上工作（zuò）的最（zuì）終目的是為了對誤差（chà）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（shí）補償。所謂（wèi）離線補償，就是根（gēn）據測量得到的誤（wù）差（chà）在後（hòu）期（qī）對機床進行（háng）誤差補償（cháng），但離線補償（cháng）時隻能（néng）針對機床穩定（dìng）的誤差。對於有生產（chǎn）環節重點所產（chǎn）生的誤差，因其和所處溫度場緊密相關，因此，需要使用實時補償方法。誤差補償實施技術研究的關鍵在於提高補償的實時性、準確性、有效性和簡便性。

（三）直線電機進給驅動（dòng）技（jì）術

直線電機（jī）是一種能（néng）將電能直接轉化為直線運動機械能，而（ér）無任何中間轉換裝（zhuāng）置（zhì）的新型電（diàn）機。它具有結（jié）構簡單、效率高、噪音小、磨損少、組合性（xìng）強等優點。在高精度（dù）的數控機床上一般應用交流直線電機。交流直線電機按照其工作（zuò）原理又分（fèn）為直（zhí）線感應（yīng）電機和永磁直線同步電機。直線感應電機結構通常有平麵型和圓（yuán）筒型（xíng）。對於小（xiǎo）直線行程場合，多數使用圓（yuán）筒型。對於長行程場合則一般采用平麵型結構（gòu）。直線感應電機（jī）具有成本低、環境因素影響小（xiǎo）、抗電磁幹擾等（děng）優點。

永（yǒng）磁直（zhí）線同步電機在應用時兼有直線（xiàn）電機和永磁電機的優點，一般由逆變器供電，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、體積同時較小，是目前高精度直線進給係統（tǒng）的首選電機類型。

目（mù）前，歐美、日（rì）本等工業（yè）大國已（yǐ）普遍在數控機床上應用直線電機進給驅動技術，以提高其加工效率和（hé）加工精度。而國內由於開始研究直線電機進給驅動技術時間較晚（wǎn），尚未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（jī）床技術發展趨勢（shì）

（一）數控機床的（de）高速、高精、高效化

效率是工業生產的關鍵，質量是工業生產的根（gēn）本。隻有能夠高速、高效、高精度完成加工的（de）數控機（jī）床才能符合（hé）人們越來越苛刻的要求。通過高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控製係統以及交流數字伺（sì）服係統，利用五軸聯動技術和直線點進給驅動技術（shù），數控機床的高（gāo）速、高精（jīng）、高效化水平已大（dà）大提高，可以滿足大部分群體的加工需要。但在航空航天（tiān）、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（xiē）複雜、精密零件的加工。高精（jīng）度產品還有（yǒu）利於減小測量（liàng）誤差、減少（shǎo）機械磨損、延長使用壽命等。比如人們在（zài）實際操作中發現：當切削速（sù）度提高 10 倍，進給速度提高 20 倍，遠遠超過傳（chuán）統切削“禁區”後，將（jiāng）導致（zhì）單位功率的金屬切（qiē）除率提高30%-40%，切削力下降30%，切削振動幾乎（hū）消失，刀具切削壽命提高 70%。因此，高速、高（gāo）精、高效化依然是數控機床發展的主要趨勢。

（二）數控機床的網絡化

互聯網技術的發展給傳統工業（yè）帶來了新的發展點，現代工（gōng）業加工大（dà）多（duō）通過（guò）計算機控製，這就給數控（kòng）機床的（de）網絡化創造了條件。網絡（luò）化的（de）優點主要體（tǐ）現在故障診斷和遠程（chéng）監控。例如，當機床（chuáng）發生（shēng）故障時，生產廠家可以通過（guò）網絡監控進行故障原因診斷以便故障的排除，該（gāi）方式不僅節省了人力資（zī）本，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+數控機床”，企業可以通過網絡的大數據分析掌握市場的（de）第一手資（zī）料，並通過遠程操（cāo）作控製更高（gāo）效靈（líng）活的調整（zhěng）生產方向和生產內容。數控機床的網絡化可以使（shǐ）人徹底擺脫手工輸入程序和單機輸入程序（xù）的局麵，實現長距（jù）離自動程序傳輸和遠程控（kòng）製。通過並行傳輸（shū）程序，可以同時控製多台機床進（jìn）行同種加工，提高（gāo）加工效率。網絡化還可以利用數控 APP 簡化操作的流程，縮短培訓和操作（zuò）時（shí）間，並使工作人員能夠隨時（shí）對網絡上的數控機（jī）床實施管理及數據通訊。傳輸可靠性（xìng）高、自我糾錯、操作信息實時記錄等功能更使網（wǎng）絡化的速度越來越快。

（三）數控機床的智能化

機器化是人類（lèi）發（fā）展的（de）永（yǒng）恒主題，機器是人類智慧的延伸。在（zài）數控係統中，人們致力於將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製震動、防止（zhǐ）幹涉、減少熱形變等功能，提高生產效率和加工精度。數控機床目要求具有熱補償、振動監測、磨損監測、狀態監（jiān）測與故障判斷等智能功能（néng），數控機（jī）場的實時智能化正是由（yóu）此而產（chǎn）生的技術和發展方向。

在智能（néng）數控機（jī）床領域，智能實時控製主要有以下幾個發展方向：自適應控（kòng）製、模糊控製（zhì）、神經網絡控製、專家（jiā）控製、學習控製、前反饋控製等。在實際應用中，將數控係統中加裝編程係（xì）統、故障診斷係統、參數設定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，對壓（yā）力、溫度、位置、速（sù）度等重要參數進行（háng）實時（shí）的反饋控製，這（zhè）樣將使數控係統的控製性能進一步（bù）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（hù），用來最大限度的保護生產（chǎn）過程。未來智能（néng）機器人還將在機床（chuáng）的維（wéi）護維修、故障排查、自診斷（duàn）和振動、磨損檢測等方麵做出貢獻。

四（sì）、總（zǒng）結

數控機床作為現（xiàn）代工業的基石，發（fā）展前景廣闊，發展動力充足。目（mù）前（qián），通過現（xiàn）代的先進技術數控機床的加工效率（lǜ）和加工質量已大大提高，自動化發展成果豐碩，並且數控機床已具備一定的智能，未來還將沿著高速、高精（jīng）、高效化、網絡化、智能化的方向繼續發展。數控機床作為現代先進工業發展的基礎，是一個國家（jiā）發展機械（xiè）工業和精密工業的關鍵。數控機床（chuáng）作為（wéi）現（xiàn）代工（gōng）業最基本技術的（de）重（chóng）要性和我國在數控領域落後的現狀都要求我們（men）要大力發展數控技術，以改變高檔數控機床依（yī）賴進口，精密工（gōng）件的加工依賴國外的被動局麵。同時，隨（suí）著數控機床在機（jī）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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