數控機床關鍵技術與發展趨勢
2018-5-30 來源：鄭州外國語中學 作者：韓昊錚
摘要：數控機床在現代工業中發揮著不可替代的角色。為了深入了解國家裝備工業的發展，學習和研究數控機床在工業發展中的重要地位，本文基于對數控機床關鍵技術的簡要介紹，分析了數控機床未來的發展趨勢，指出了數控機床未來高速、高精度、網絡化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發展水平決定著一個國家的綜合國力和國民經濟發展水平。數控技術是當今先進制造技術和裝備的核心技術。在現代工業、制造業尤其是高精尖領域，數控技術已得到廣泛應用。各工業發達國家也將數控技術視為國家的戰略物資，甚至對工業欠發達國家實施信息屏蔽和技術封鎖。我國經過了改革開放后幾十年的奮力追趕，在數控領域已取得較大成就，并在開放式數控系統、嵌入式數控系統等方面實現技術突破。但是，目前我國數控技術水平從國際上看仍處于落后水平，與發達國家相比還有較大差距。尤其是在高速、高精度數控機床方面，國內大量使用進口產品，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于技術落后狀態。本文通過五軸聯動技術、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、數控機床應用關鍵技術
（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、船舶制造等重工業以及精密儀器加工等精密工業最重要的加工工具。同時，它也是技術難度最大，應用范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，還可以實現另外兩個軸的回轉。五軸聯動數控機床主要可分為立式加工中心、臥式加工中心、搖籃式加工中心等。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：一是工作臺回轉軸;二是依靠主軸頭的回轉;除此以外，臥式加工中心還有通過工作臺旋轉和主軸頭擺動結合的五軸聯動結構。
國外五軸聯動數控機床以歐美、日本為代表，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。而國內由于工業基礎薄弱的內部因素和國外技術封鎖的外部因素，目前的整體水平還很低，雖然，經過了科研機構、高校、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性和加工精度方面還遠遠無法與國外相比。但近幾年，我國五軸聯動數控機床發展很快，技術上已有一些突破，并形成了一些成熟的產品。
（二）誤差補償技術
現代工業對于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量，在數控機床加工方面采取誤差補償技術，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。由于數控機床一般主要由床身、立柱、主軸和各種直線導軌或轉軸等幾部分組成，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，主要有以下幾個方面：誤差建模技術、誤差測量技術及補償實施技術。誤差建模誤差補償前提，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，就是根據測量得到的誤差在后期對機床進行誤差補償，但離線補償時只能針對機床穩定的誤差。對于有生產環節重點所產生的誤差，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于提高補償的實時性、準確性、有效性和簡便性。
（三）直線電機進給驅動技術
直線電機是一種能將電能直接轉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、磨損少、組合性強等優點。在高精度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原理又分為直線感應電機和永磁直線同步電機。直線感應電機結構通常有平面型和圓筒型。對于小直線行程場合，多數使用圓筒型。對于長行程場合則一般采用平面型結構。直線感應電機具有成本低、環境因素影響小、抗電磁干擾等優點。
永磁直線同步電機在應用時兼有直線電機和永磁電機的優點，一般由逆變器供電，通過PWM 調制，采用 PID 調節控制及 DSP 等控制方式。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系統的首選電機類型。
目前，歐美、日本等工業大國已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加工精度。而國內由于開始研究直線電機進給驅動技術時間較晚，尚未能實現能應用到高速機床上的大推力、長行程進給。
三、數控機床技術發展趨勢
（一）數控機床的高速、高精、高效化
效率是工業生產的關鍵，質量是工業生產的根本。只有能夠高速、高效、高精度完成加工的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、多 CPU 控制系統以及交流數字伺服系統，利用五軸聯動技術和直線點進給驅動技術，數控機床的高速、高精、高效化水平已大大提高，可以滿足大部分群體的加工需要。但在航空航天、精密儀器制造等領域目前的加工精度還不能很好地完成一些復雜、精密零件的加工。高精度產品還有利于減小測量誤差、減少機械磨損、延長使用壽命等。比如人們在實際操作中發現：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”后，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，刀具切削壽命提高 70%。因此，高速、高精、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帶來了新的發展點，現代工業加工大多通過計算機控制，這就給數控機床的網絡化創造了條件。網絡化的優點主要體現在故障診斷和遠程監控。例如，當機床發生故障時，生產廠家可以通過網絡監控進行故障原因診斷以便故障的排除，該方式不僅節省了人力資本，還促進了生產效率的提高。此外，網絡化還有利于實現“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第一手資料，并通過遠程操作控制更高效靈活的調整生產方向和生產內容。數控機床的網絡化可以使人徹底擺脫手工輸入程序和單機輸入程序的局面，實現長距離自動程序傳輸和遠程控制。通過并行傳輸程序，可以同時控制多臺機床進行同種加工，提高加工效率。網絡化還可以利用數控 APP 簡化操作的流程，縮短培訓和操作時間，并使工作人員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、操作信息實時記錄等功能更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。在數控系統中，人們致力于將數控系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制震動、防止干涉、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展方向。
在智能數控機床領域，智能實時控制主要有以下幾個發展方向：自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前反饋控制等。在實際應用中，將數控系統中加裝編程系統、故障診斷系統、參數設定系統和刀具管理系統以及補償調節系統，在數控機床高速運行中引入狀態預測功能、反饋功能，對壓力、溫度、位置、速度等重要參數進行實時的反饋控制，這樣將使數控系統的控制性能進一步提高。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于數控機床的及時維護，用來最大限度的保護生產過程。未來智能機器人還將在機床的維護維修、故障排查、自診斷和振動、磨損檢測等方面做出貢獻。
四、總結
數控機床作為現代工業的基石，發展前景廣闊，發展動力充足。目前，通過現代的先進技術數控機床的加工效率和加工質量已大大提高，自動化發展成果豐碩，并且數控機床已具備一定的智能，未來還將沿著高速、高精、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，是一個國家發展機械工業和精密工業的關鍵。數控機床作為現代工業最基本技術的重要性和我國在數控領域落后的現狀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進口，精密工件的加工依賴國外的被動局面。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制造業的全面提高。
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