数控机床的发展趋势

1.1.3　数控机床的发展趋势

半个多世纪以来，数控机床在品种、数量、机床性能等方面有了很大的发展，大规模集成电路和微型计算机的发展以及完善，使数控系统的价格逐年下降，而加工精度和可靠性却大大提高。随着先进生产技术的发展，数控机床的发展进入了一个崭新的时代。数控机床正朝着高精度化、高速度化、高复合化、高智能化、开放式结构方向发展。

1.高精度化

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

数控机床的精度包括机床的几何精度、加工精度、进给分辨率、定位精度和重复定位精度、动态刚度、闭环交流数字伺服系统性能等。20世纪90年代初中期全程定位精度达到±0.002～±0.005mm的加工中心已越来越多。定位精度、机床的结构特性以及热稳定性的提高，使得数控机床的加工精度得到了大幅度的提高，纳米技术的应用，使得数控机床的精度又发生了一次革命。近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

2.高速度化

高速度指数控机床的高速切削和高速插补进给。在保证精度的前提下，提高加工速度，节省加工时间，除了对数控系统的处理速度提出了更高的要求外，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的动态刚度。

提高生产效率是机床技术发展的基本目标，数控机床出现和快速发展的原因之一就是其生产效率比一般普通机床高。近20年来，数控机床的生产效率又有了很大提高，主要方法是减少切削时间和非切削时间。减少切削时间是通过提高切削速度及提高主轴转速来实现的。高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国cincinnati公司的hypermach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h。

3.高复合化

高复合化加工指一台机床上集中了多台机床的功能，工件一次装夹可完成多工种、多工序的加工。减少了装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，最大限度提高机床的利用率。这种机床既保证了更高的加工精度，又提高了生产效率、节省占地面积、节约投资，避免了重复建设，其典型代表就是加工中心，即带有刀库和自动换刀装置的数控铣床。在加工中心机床上，工件装夹后，机械手可自动更换刀具，连续地对工件的各加工表面进行多工序加工。目前加工中心的刀库容量可多达120把，自动换刀装置的换刀时间为1～2s。加工中心除了镗铣类加工中心和车削类车削中心外，还出现集成型车＼铣加工中心、自动更换电极的电火花加工中心，带有自动更换砂轮装置的内圆磨削加工中心等。

复合加工技术不仅是加工中心、车削中心等在同类技术领域内的复合，而且正向不同类技术领域内的复合发展。多轴联动是衡量数控系统的重要指标。高档次的数控系统，还增加自动上下料的轴控制功能，有的在PLC里增加位置控制功能，以补充轴控制数的不足，这将会进一步扩大数控机床的加工范围。

4.高智能化

随着人工智能技术的不断发展，并为适应制造业生产高度柔性化、自动化的需要，数控设备的智能化程度在不断提高。

应用自适应控制技术，数控系统能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。如通过监控切削过程中的刀具磨损、破损、切屑形态、切削力及零件的加工质量等，实现自适应调节，以提高加工精度和降低工件表面粗糙度。

引入专家系统指导加工，将切削专家的经验、切削加工的一般规律与特殊规律存入计算机中，以加工工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，提供经过优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而达到提高编辑效率和降低对操作人员技术水平的要求，大大缩短生产准备时间的目的。

故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，其为数控设备提供了一个包括二次监控，故障诊断，安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。采用智能混合技术，可在故障诊断中实现以下功能：故障分类、信号提取、故障诊断专家系统、维护管理以及多传感信号融合。

智能化交流伺服驱动装置能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能化主轴交流伺服驱动装置和智能化进给伺服驱动装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统处于最佳运行状态。模糊数学、神经网络、数据库、知识库、以范例和模型为基础的决策形成系统、专家系统、现代控制理论与应用等技术的发展及在制造业中的成功应用，为新一代数控设备智能化水平的提高建立了可靠的技术基础。智能化正成为数控设备研究与发展的方向。

5.开放式结构

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（The Next Generation Work-Station/Machine Control）、欧盟的OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems）、日本的OSEC（Open System Environment for Controller），中国的ONC（Open Numerical Control System）等。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。基于PC的开放式CNC大致可分为四类：PC连接型CNC、PC内装型CNC、CNC内装型PC和纯软件NC。

典型产品有FANUC 150/160/180/210、A2100、OA500、Advantage CNC System、华中I型等。这些系统以通用PC的体系结构为基础，构成了总线式（多总线）模块，开放型、嵌入式的体系结构，其硬软件和总线规范均是对外开放的，硬件即插即用，可向系统添加在MSDOS、Windows 3.1或Windows 95环境下使用的标准软件或用户软件，为数控设备制造厂和用户进行集成给予了有力的支持，便于主机厂进行二次开发，以发挥其技术特色。经过加固的工业级PC已在工业控制领域得到了广泛应用，并逐渐成为主流，其技术上的成熟程度使其可靠性大大超过了以往的专用CNC硬件。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

6.重视新技术标准、规范的建立

如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧盟和日本等国家和组织纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。

数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G、M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75%）、加工程序编制时间（约35%）和加工时间（约50%）。

目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划（1999.1.1～2001.12.31）。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，它已经开发了用做数控机床加工信息交换的超级模型（Super Model），其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。