数控机床关键技术与发展趋势
2018-5-30 来源：郑州外国语中学 作者：韩昊铮
摘要：数控机床在现代工业中发挥着不可替代的角色。为了深入了解国家装备工业的发展，学习和研究数控机床在工业发展中的重要地位，本文基于对数控机床关键技术的简要介绍，分析了数控机床未来的发展趋势，指出了数控机床未来高速、高精度、网络化和智能化发展的趋势。
关键词：数控机床；关键技术；发展趋势
一、前言
重工业尤其是其中的装备工业的发展水平决定着一个国家的综合国力和国民经济发展水平。数控技术是当今先进制造技术和装备的核心技术。在现代工业、制造业尤其是高精尖领域，数控技术已得到广泛应用。各工业发达国家也将数控技术视为国家的战略物资，甚至对工业欠发达国家实施信息屏蔽和技术封锁。我国经过了改革开放后几十年的奋力追赶，在数控领域已取得较大成就，并在开放式数控系统、嵌入式数控系统等方面实现技术突破。但是，目前我国数控技术水平从国际上看仍处于落后水平，与发达国家相比还有较大差距。尤其是在高速、高精度数控机床方面，国内大量使用进口产品，国产机床市场占有率不足 5%，这充分反映了我国在数控领域仍处于技术落后状态。本文通过五轴联动技术、误差补偿技术和直线电机驱动技术等数控机床关键技术，来探讨我国数控机床技术未来发展的方向。
二、数控机床应用关键技术
（一）五轴联动技术
目前，高档数控机床多是五轴联动的数控机床，五轴联动数控机床已成为航空航天、船舶制造等重工业以及精密仪器加工等精密工业最重要的加工工具。同时，它也是技术难度最大，应用范围最广的数控机床技术。五轴联动数控机床一般采用“3+2”的结构，不仅可以实现X/Y/Z 三个轴的运动，还可以实现另外两个轴的回转。五轴联动数控机床主要可分为立式加工中心、卧式加工中心、摇篮式加工中心等。以立式分为加工中心为例，立式五轴加工中心的回转轴可以下两种实现方式：一是工作台回转轴;二是依靠主轴头的回转;除此以外，卧式加工中心还有通过工作台旋转和主轴头摆动结合的五轴联动结构。
国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表，这些国家或地区的五轴联动数控机床代表了目前数控领域此项技术的最高水平。而国内由于工业基础薄弱的内部因素和国外技术封锁的外部因素，目前的整体水平还很低，虽然，经过了科研机构、高校、企业的不断努力，但以五轴联动数控机床为代表的高档数控机床的稳定性和加工精度方面还远远无法与国外相比。但近几年，我国五轴联动数控机床发展很快，技术上已有一些突破，并形成了一些成熟的产品。
（二）误差补偿技术
现代工业对于加工产品的品质要求越来越高，而加工过程中的误差正是影响产品质量的重要因素。为了消除误差带来的不良影响，尽可能地提高加工产品的质量，在数控机床加工方面采取误差补偿技术，来补偿固有误差，实现高精加工。对数控机床误差进行误差补偿，首先要从误差来源处着手。由于数控机床一般主要由床身、立柱、主轴和各种直线导轨或转轴等几部分组成，以上每一部分在安装和工作中都会造成误差的产生。
谈到误差补偿技术，主要有以下几个方面：误差建模技术、误差测量技术及补偿实施技术。误差建模误差补偿前提，其主要可以分为误差综合建模和误差元素建模；误差测量方法可以分为直接误差测量和间接误差辨识。以上工作的最终目的是为了对误差进行合理补偿，误差补偿在时间尺度上可以分为离线和实时补偿。所谓离线补偿，就是根据测量得到的误差在后期对机床进行误差补偿，但离线补偿时只能针对机床稳定的误差。对于有生产环节重点所产生的误差，因其和所处温度场紧密相关，因此，需要使用实时补偿方法。误差补偿实施技术研究的关键在于提高补偿的实时性、准确性、有效性和简便性。
（三）直线电机进给驱动技术
直线电机是一种能将电能直接转化为直线运动机械能，而无任何中间转换装置的新型电机。它具有结构简单、效率高、噪音小、磨损少、组合性强等优点。在高精度的数控机床上一般应用交流直线电机。交流直线电机按照其工作原理又分为直线感应电机和永磁直线同步电机。直线感应电机结构通常有平面型和圆筒型。对于小直线行程场合，多数使用圆筒型。对于长行程场合则一般采用平面型结构。直线感应电机具有成本低、环境因素影响小、抗电磁干扰等优点。
永磁直线同步电机在应用时兼有直线电机和永磁电机的优点，一般由逆变器供电，通过PWM 调制，采用 PID 调节控制及 DSP 等控制方式。它推力能量更大、响应速度更快、体积同时较小，是目前高精度直线进给系统的首选电机类型。
目前，欧美、日本等工业大国已普遍在数控机床上应用直线电机进给驱动技术，以提高其加工效率和加工精度。而国内由于开始研究直线电机进给驱动技术时间较晚，尚未能实现能应用到高速机床上的大推力、长行程进给。
三、数控机床技术发展趋势
（一）数控机床的高速、高精、高效化
效率是工业生产的关键，质量是工业生产的根本。只有能够高速、高效、高精度完成加工的数控机床才能符合人们越来越苛刻的要求。通过高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及交流数字伺服系统，利用五轴联动技术和直线点进给驱动技术，数控机床的高速、高精、高效化水平已大大提高，可以满足大部分群体的加工需要。但在航空航天、精密仪器制造等领域目前的加工精度还不能很好地完成一些复杂、精密零件的加工。高精度产品还有利于减小测量误差、减少机械磨损、延长使用寿命等。比如人们在实际操作中发现：当切削速度提高 10 倍，进给速度提高 20 倍，远远超过传统切削“禁区”后，将导致单位功率的金属切除率提高30%-40%，切削力下降30%，切削振动几乎消失，刀具切削寿命提高 70%。因此，高速、高精、高效化依然是数控机床发展的主要趋势。
（二）数控机床的网络化
互联网技术的发展给传统工业带来了新的发展点，现代工业加工大多通过计算机控制，这就给数控机床的网络化创造了条件。网络化的优点主要体现在故障诊断和远程监控。例如，当机床发生故障时，生产厂家可以通过网络监控进行故障原因诊断以便故障的排除，该方式不仅节省了人力资本，还促进了生产效率的提高。此外，网络化还有利于实现“互联网+数控机床”，企业可以通过网络的大数据分析掌握市场的第一手资料，并通过远程操作控制更高效灵活的调整生产方向和生产内容。数控机床的网络化可以使人彻底摆脱手工输入程序和单机输入程序的局面，实现长距离自动程序传输和远程控制。通过并行传输程序，可以同时控制多台机床进行同种加工，提高加工效率。网络化还可以利用数控 APP 简化操作的流程，缩短培训和操作时间，并使工作人员能够随时对网络上的数控机床实施管理及数据通讯。传输可靠性高、自我纠错、操作信息实时记录等功能更使网络化的速度越来越快。
（三）数控机床的智能化
机器化是人类发展的永恒主题，机器是人类智慧的延伸。在数控系统中，人们致力于将数控系统功能代替人类设计师和操作者。智能化使机床能够完成自动调节抑制震动、防止干涉、减少热形变等功能，提高生产效率和加工精度。数控机床目要求具有热补偿、振动监测、磨损监测、状态监测与故障判断等智能功能，数控机场的实时智能化正是由此而产生的技术和发展方向。
在智能数控机床领域，智能实时控制主要有以下几个发展方向：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前反馈控制等。在实际应用中，将数控系统中加装编程系统、故障诊断系统、参数设定系统和刀具管理系统以及补偿调节系统，在数控机床高速运行中引入状态预测功能、反馈功能，对压力、温度、位置、速度等重要参数进行实时的反馈控制，这样将使数控系统的控制性能进一步提高。伴随着人工智能和智能机器人的发展，目前已有一些高端的智能机器人开始用于数控机床的及时维护，用来最大限度的保护生产过程。未来智能机器人还将在机床的维护维修、故障排查、自诊断和振动、磨损检测等方面做出贡献。
四、总结
数控机床作为现代工业的基石，发展前景广阔，发展动力充足。目前，通过现代的先进技术数控机床的加工效率和加工质量已大大提高，自动化发展成果丰硕，并且数控机床已具备一定的智能，未来还将沿着高速、高精、高效化、网络化、智能化的方向继续发展。数控机床作为现代先进工业发展的基础，是一个国家发展机械工业和精密工业的关键。数控机床作为现代工业最基本技术的重要性和我国在数控领域落后的现状都要求我们要大力发展数控技术，以改变高档数控机床依赖进口，精密工件的加工依赖国外的被动局面。同时，随着数控机床在机械工业中的广泛应用，它的发展还将带动我国制造业的全面提高。
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