新一代数控机床及其展望

数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上代表了这个国家的制造业水平和竞争力。

我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距。到目前为止，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前利益，满足于产品有销路，不深入研究国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在投资高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力，有可能在家门口就被人家打得一败涂地。

我们正在迈向制造大国，但我们面临一个严峻的挑战：谁来装备中国的制造业？长期依赖国外技术，我们只能是跨国公司的生产车间，而永远不能成为一个制造强国。

中国机床工业的使命

机床是工作母机，制造机器的机器。机床工业是装备工业的核心，产业虽小，关系国家经济命脉和安全。我国在从制造大国迈向强国的征途中，依靠谁来装备中国？没有自己的强大的装备工业，特别是先进的机床工业，怎能够奢谈制造强国。中国机床工业的使命是擎起装备中国的“半边天”。我们的愿景是掌握核心技术，赶上世界发展潮流，开创世界装备中国、中国装备世界的新局面。

汽车及零部件产业是机床工业的最大用户，数量占总用户的 40% 以上。机床工业随汽车工业兴旺而发展、萧条而下降，目前发动机和关键零部件生产设备基本依赖进口。航空航天需要各种高速、精密、大型 5 轴数控机床，精加工大多采用进口机床，国产机床仅用于粗加工。船舶制造和电站装备制造所需要的 5 轴数控机床进口量也相当大。信息、电子产业需要模具和中小零件制造用的高速加工中心、电加工机床和特种加工数控机床。

切勿妄自菲薄，自主才能成大器。“一五”期间中国机床工业从无到有，满足当时国内机床需求的 80% 。 50 年来积累了许多好经验，我们完全有可能在今后 10 ～ 15 年赶上发达国家。摒弃急功近利，坚持居安思危。机床是反映新材料、新工艺和高新技术的机电一体化产品，没有长远的战略规划和研发投入是无法占领和保持市场占有率的。体制、观念和人才对机床行业的发展都非常重要，小巨人、北京阿奇、浙江日发的成功，从不同角度说明体制、观念和人才的重要。

在国际竞争中成长。 2003-2004 年德国 DMG 、日本丰田工机和牧野铣床、韩国大宇等著名机床公司都在我国开办独资企业。秦川发展收购美国 UAI 公司 60% 的股权，大连集团收购 Ingersoll 属下的两个分公司，上海明精收购德国 Wohlemberg 公司 53% 股权等收购事件不断出现。北一大隈机床公司的投产可能掀起新一轮合资潮，外资和合资企业已占我国 2238 家机床企业的 14% 。 2003 年中国出口机床 600 万台，平均单价 60 美元，进口机床平均单价 33000 美元，相差 550 倍。

数控机床发展趋势

第一是高速化，主轴转速 40000r/min ，最大进给速度 120m/min ，最大加速度 3m/s2 ；第二是高精度，定位精度正在向亚微米进军，纳米级五轴联动加工中心已经商品化；第三是工序集约化，车铣复合、完整加工，一台机床能够加工完毕一个复杂零件；第四是机床的智能化，机床配置各种微型传感器，具有监控和误差自动补偿功能；第五是自主管理和通信，如加工程序仿真、作业排序、数据采集、刀具寿命管理和网络通信等。

加工中心发展趋势

1. 高性能加工中心、高速加工机床

随着汽车、航空航天等工业轻合金和复合材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。高速加工不仅是设备，而是机床、刀具、夹具和数控系统以及编程技术的集成。

2. 超精密加工机床、多轴联动数控

多轴联动数控加工是在笛卡尔坐标 X 、 Y 、 Z 直线移动的基础上，增加 2 ～ 3 个回转控制轴。有三种基本结构：摆动回转工作台、悬臂回转工作台和万能铣头。

3. 一次做成，复合加工

70 年代的加工中心开多工序集成之先河，现已发展成为“复合完整加工”，在一台机床上完成全部工序。复合完整加工通过工艺过程集成，一次装卡就把一个复杂零件加工完成，提高了加工精度，易于保证过程的高可靠性和实现零缺陷生产， Done in One 。复合完整加工缩短了加工过程链和辅助时间，减少了机床台数，简化了物料流，生产总占地面积小，投资更加有效，一台机床就是一个小工厂。

新型功能部件

数控机床的心脏是电主轴，直线电动机带来了机床产业上的一场革命。蒸气机把直线运动转换为回转运动，驱动各种轮系，引发了工业革命。电动机能直接提供回转动力，促进了生产机械化和自动化的发展。直线电动机也是一场革命，它借助电能直接提供直线驱动力，省去不同运动形式之间的转换，大大简化了机械传动结构。直线电动机伺服驱动的优点还在于高速度和高加速度，动态性能好。其缺点是价格较高。

滚珠丝杆是使机床移动部件在床身、立柱上实现直线位移的主要部件。传统的结构是：伺服电动机通过连轴节与滚珠丝杆连接，降低了传动精度，特别是在高速运转时发热量较大，产生热变形。电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，提高了传动精度和明显减少热变形，保证机床部件的高速移动性能。

滚动元件将滑动摩擦转化为滚动摩擦，提高了运动机构的效率，减少了机构的磨损。滚动元件包括滚动轴承、滚珠丝杆和线性导轨三大类，是相对运动部件之间的连接环节。滚动元件直接影响到机床运动的稳定性，旋转部件的回转精度、移动部件的直线度和定位精度，以及部件的高速运转能力。

高性能数控系统

开放式控制系统和数字伺服驱动技术。传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为模拟信号，再以电压的大小控制驱动电动机的转速，是模拟量控制，而不是数字量控制。数字伺服驱动技术是借助“串联实时通信系统”接口（ Serial Real-time Communication System — SERCOS ）将数控系统与伺服控制器实现数字化连接。 SERCOS 技术可以将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一块集成电路中。 #p#分页标题#e#

数控系统从原理上来说，提供的是不连续运动的控制，通过插补技术，借助微小的直线线段去逼近一条曲线。这个线段的数值越小，插补的精度越高，加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损越小。数控系统性能的提高与插补精度是分不开的，从微米到纳米，现在进入皮米时代。

板材数控加工设备和板材激光切割。激光切割是一种高速高效和高精度加工工艺，它可以切割薄钣材，也可以切割厚钣材。将激光器安装在 5 轴联动的数控机床上，就可以在板金零件的曲面上进行切割。日本 Mazak 公司的世界技术中心的整个建筑和家具都是由钣材激光切割，折弯，卷管，然后激光焊接而成，成为“机床加工的建筑”。

板材数控加工机床

板材数控加工机床的代表是超重超大型数控机床。超重超大型机床的典型产品是中心高 2m 以上的车床、工作台 5m 以上的龙门铣床、镗杆直径 320mm 以上的镗床等。复合加工、多轴联动对超重超大型数控机床具有特别重要的意义，工序集中提高效率，节约装夹和搬运时间，都可创造可观的财富。对现有传统超重超大机床进行数控化改造具有重大的战略意义。

纳米加工中心。 5 轴纳米加工中心已经走出实验室，如德国 KERN 公司 Pyramid Nano 立式加工中心，其基础件是对称的龙门式结构，以保证机床的高刚度和热稳定性。床身和龙门架整体由 Kern Armorith 人造大理石制成，采用具有静压轴承的伺服驱动装置和静压导轨。加工中心的定位误差为± 0.4 μ m ，重复定位精度为± 0.3 μ m ，表面粗糙度 Ra<0.05 μ m 。进给率范围为 0.01 ～ 30000mm/min ，最小位移量为 0.1 μ m ，最大加速度 10m/s2 。可加工硬度 64HRC 以下的淬硬钢、石墨和陶瓷。微尺度机床（ Micro Machine Tool ）是使用刀具尺寸小于 1mm 的钻床和铣床，或加工工件直径小于 1mm 的车床，以及电加工和激光加工。微尺度切削加工需要高转速主轴、高进给速度和高进给加速度以及高速大带宽的闭环伺服系统，机床不大，技术含量很高。由不同的微尺度机床可以组成桌面型微工厂，通过显示器进行操作，制造微尺度机械产品。

并联运动机床

混联运动机床是由 2 杆或 3 杆并联机构与串联运动机构综合而成的数控机床，各取其所长，从而优化机床的性能。将 2 杆并联机构连接主轴部件，改变 2 杆的长度或支点的距离，就可使刀具中心产生 X 和 Y 方向的移动，构成混联机床。

聪明加工系统—— SMS

数控加工的基本原理是机床部件按照 50 多年前制定的 G 和 M 指令组成的程序运动。机床不知道加工什么零件，怎样加工，是瞎子走路。 聪明加工系统的实质是智能化，主要特征是：知道本系统的加工能力和状态；能够监控和自主优化加工过程；能够自行度量工作（输出）的质量；能够不断持续学习和提高自己的能力。
误差的检测和补偿。

先进过程控制系统—— APS

先进过程控制系统的任务是监控电主轴的工作状态，它在很大程度上反映了数控机床的“健康”水平。当主轴高速运转时，主轴轴承和电机的发热都会造成热变形，使主轴端产生轴向位移。当主轴转速超过 10000r/min 时，主轴轴承滚珠的离心力，使滚珠压紧外环，也使主轴端产生轴向位移。借助安放在主轴壳体中的位移传感器，测出位移量，输入误差模型，在数控系统中加以补偿。

智能温度控制—— ITC

除了主轴以外，滚珠丝杆在高速运转时产生的热量也不容忽视。采用中空的滚珠丝杆，将恒温冷却液在其中循环，可以显著减少热变形。实时测量冷却液温度，并将其输入误差模型，通过数控系统进一步补偿机床的位移误差，提高工作精度。

操作支持系统—— OSS

操作支持系统 OSS 是聪明加工系统的主要组成部分，它帮助操作者正确设定机床性能。工件的加工时间、加工精度和表面质量是优化机床性能的 3 个相互制约的因素。要求加工时间短，加工精度和表面质量就差一点，要求加工精度高，加工时间就长一点。操作者选择优化目标，系统自动优化性能参数。

远距通知系统—— RNS