數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)已有半個(gè)多世紀(jì)，歷經(jīng)了從數(shù)字控制（Numerical Control-NC）、直接數(shù)字控制（Direct Numerical Control-DNC）到今天制造業(yè)普遍應(yīng)用的計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control-CNC）。展望未來(lái)，其發(fā)展趨勢(shì)究竟如何，是大家普遍關(guān)心的問(wèn)題。

數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)是加工設(shè)備的可編程自動(dòng)化，機(jī)床可以按照設(shè)定的程序自動(dòng)運(yùn)行，使操作者與加工設(shè)備在時(shí)間和空間上得以分離，賦予機(jī)床和加工系統(tǒng)一定的智能和自主性，它的基本軌跡是信息的交互、處理和集成。

可以預(yù)測(cè)，在未來(lái)的3~5年，各國(guó)機(jī)床制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)將在下列領(lǐng)域爭(zhēng)奪制高點(diǎn)：

1. 虛擬機(jī)床（NC Verification）。
通過(guò)研發(fā)機(jī)電一體化的、硬件和軟件集成的仿真技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的設(shè)計(jì)水平和使用績(jī)效的提高。

2. 綠色機(jī)床（Green Machining）。
強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排，力求便生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷達(dá)到最小化。

3. 聰明機(jī)床（Smart Machining）。
提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性、加工精度和綜合性能。

4. e-機(jī)床（Autonomous Machine）。
提高生產(chǎn)系統(tǒng)的獨(dú)立自主性以及與使用者和管理者的交互能力，使機(jī)床不僅是一臺(tái)加工設(shè)備，而是成為企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

綠色機(jī)床將成為研究熱點(diǎn)

機(jī)床是將毛坯轉(zhuǎn)化為零件的工作母機(jī)，在使用過(guò)程中不僅消耗能源，還會(huì)產(chǎn)生固體、液體和氣體廢棄物，對(duì)工作環(huán)境和自然環(huán)境造成直接或間接的污染。從整個(gè)機(jī)床生命周期內(nèi)審視，盡量減少對(duì)環(huán)境帶來(lái)不利沖擊的綠色機(jī)床就成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

什么是綠色機(jī)床？它應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

1 機(jī)床主要零部件由再生材料制造。
2 機(jī)床的重量和體積減少50%以上。
3 通過(guò)減輕移動(dòng)質(zhì)量、降低空運(yùn)轉(zhuǎn)功率等措施使功率消耗減少30～40%。
4 使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種廢棄物減少50~60%，保證基本沒(méi)有污染的工作環(huán)境。
5 報(bào)廢后機(jī)床的材料100%可回收。
 
1. 減重節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)床使用過(guò)程中用于切除金屬的功率只占到25%左右，各種損耗和輔助功能占去大部分。

機(jī)床綠色化的第一個(gè)措施是通過(guò)大幅度降低機(jī)床重量和減少所需的驅(qū)動(dòng)功率來(lái)構(gòu)建具有生態(tài)效益的機(jī)床（Eco-efficient Machine tool）。綠色機(jī)床提出一種全新的概念：大幅減少機(jī)床重量，節(jié)省材料；同時(shí)降低機(jī)床使用時(shí)的能源消耗。

傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計(jì)理念是“只有足夠的剛度才能保證加工精度，提高剛度就必須增加機(jī)床重量”。因此，現(xiàn)有機(jī)床重量的80%用于“保證”機(jī)床的剛度，而只有20%用于滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)的需要。
綠色機(jī)床就是在保證機(jī)床剛度的前提下大幅減少機(jī)床移動(dòng)部件的重量，達(dá)到省材、節(jié)能的目的。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的途徑有兩個(gè)：通過(guò)采用新結(jié)構(gòu)或新的復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。

一臺(tái)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化并采用了新材料的龍門銑床案例如圖3所示。

2. MQL減排

機(jī)床使用過(guò)程中的潤(rùn)滑冷卻液是有害排放物，特別是磨削時(shí)采用的乳化液對(duì)環(huán)境和工人健康都非常有害。因此，大幅度減少冷卻液的使用和排放是綠色機(jī)床的基本特徵。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的途徑有以下兩方面：

1）干切削，不使用冷卻液。這需要機(jī)床具有足夠的剛性和鋒利的刀具，僅適用于某些加工形狀比較簡(jiǎn)單的銑削和車削工序。

2）微量潤(rùn)滑（Minimized Quantity Lubrication, MQL）。MQL適用范圍較廣，可用于各種加工方法，但需要專門的裝置提供氣霧或低溫空氣（冷風(fēng)），并使用專門的潤(rùn)滑劑。

3. 刀具增效

機(jī)床的生產(chǎn)效率出至刀尖上。采用先進(jìn)的刀具，選擇合理的刀具幾何角度和切削參數(shù)，可以有效提升切削加工的效率，降低切削過(guò)程所需的功率，延長(zhǎng)刀具的壽命，從而達(dá)到以較少的資源消耗獲得較大產(chǎn)出的目的。

4. 變廢為寶增值再用

金屬切削加工切屑是機(jī)床使用過(guò)程中主要的固體廢棄物。傳統(tǒng)的方法是將它作為廢品出售給廢品回收單位，進(jìn)入社會(huì)廢品循環(huán)。

江蘇省揚(yáng)力集團(tuán)在該企業(yè)內(nèi)部將每年數(shù)千噸的鐵屑和鋼屑經(jīng)過(guò)分揀、壓塊、配料、熔化澆鑄出高質(zhì)量的球墨鑄鐵件，變廢為寶，制成諸如壓力機(jī)曲軸等關(guān)鍵零件。

智能機(jī)床致力于“用戶友好”

如果說(shuō)綠色機(jī)床的愿景是環(huán)境友好，那么智能機(jī)床的目標(biāo)就是用戶友好�！坝脩粲押谩钡暮�義在于大幅提升工作效率和確保工作更加舒適且安全。這就要求機(jī)床能夠自主管理自己，自動(dòng)識(shí)別加工任務(wù)和加工狀態(tài)，無(wú)需或很少需要人工干預(yù)，同時(shí)還能夠及時(shí)與操作者溝通，變得“聰明”起來(lái)，開(kāi)拓?cái)?shù)控機(jī)床的新紀(jì)元。
 
機(jī)床在加工過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種誤差，需要采用現(xiàn)代監(jiān)控和補(bǔ)償技術(shù)，從而進(jìn)一步提高機(jī)床的性能和通信能力。2005年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（www.nist.gov）提出“聰明加工系統(tǒng)”(Smart Machining System ) 的研究計(jì)劃。聰明加工系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是制造系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

聰明加工系統(tǒng)的四大目標(biāo)是：

1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。將相關(guān)工藝過(guò)程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。

2 設(shè)備自適應(yīng)化。開(kāi)發(fā)新的測(cè)量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控，借助在線測(cè)量、傳感和實(shí)時(shí)分析進(jìn)行自我診斷和誤差補(bǔ)償，提高機(jī)床的工作性能。

3 采用新一代數(shù)控系統(tǒng)。與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于CAD模型的機(jī)器控制能夠無(wú)縫運(yùn)行。

4 在加工過(guò)程中直接測(cè)量刀具磨損和工件精度的方法。

1. 智能主軸

主軸是機(jī)床的心臟，它的狀態(tài)直接關(guān)系到加工精度和加工效率。德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)與西班牙技術(shù)中心合作對(duì)主動(dòng)磁浮軸承的主軸進(jìn)行研究，借助磁浮軸承中的力、電流和位置傳感器，來(lái)測(cè)量切削力、以及刀尖點(diǎn)的位置、速度、加速度的變化，并基于此開(kāi)發(fā)出高速、高精度的主軸。
 
瑞士GF阿奇夏米爾集團(tuán)生產(chǎn)的MIKRON HSM系列高速銑削加工中心可配置聰明加工系統(tǒng)，其功能之一就是加工過(guò)程監(jiān)控，以便用戶觀察銑削過(guò)程是否正常。其原理是在電主軸殼體中前端軸承附近安裝了加速度傳感器，使銑削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能夠以加速度 “g載荷”值的形式顯示。

振動(dòng)大小在0~10g范圍內(nèi)分為10級(jí)。其中，0~3g表示加工過(guò)程、刀具和刀夾都處于良好狀態(tài)；3~7g表示加工過(guò)程需要調(diào)整，否則將導(dǎo)致主軸和刀具壽命的降低； 7~10g表示危險(xiǎn)狀態(tài)，如果繼續(xù)工作，將造成主軸、機(jī)床、刀具和工件的損壞。而且，控制系統(tǒng)還可預(yù)測(cè)在該振動(dòng)級(jí)主軸部件可以工作多長(zhǎng)時(shí)間，即主軸壽命還有多長(zhǎng)。

在過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)中也可由用戶設(shè)定一個(gè)g極限值，當(dāng)振動(dòng)超過(guò)此值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。系統(tǒng)也可以將某一時(shí)段的振動(dòng)記錄下來(lái)以便進(jìn)一步分析，記錄的數(shù)據(jù)包括：日期、時(shí)間、g值、g極限、主軸轉(zhuǎn)速、刀具號(hào)、進(jìn)給率、數(shù)控程序塊號(hào)和程序名�？捎涗洺绦驂K的容量達(dá)18,000個(gè)，如果取時(shí)間間隔為2.5秒，可記錄過(guò)程狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)12.5小時(shí)之久。

2. 熱變形補(bǔ)償

機(jī)床熱變形是影響加工精度的主要因素之一。產(chǎn)生熱變形的因素很多，主要是來(lái)自機(jī)床的工作環(huán)境和機(jī)床內(nèi)部的熱影響：

1） 環(huán)境影響。例如，車間的溫度分布和溫度變化以及空氣對(duì)流；日光、暖氣和鄰近機(jī)床等熱源的影響；以及來(lái)自機(jī)床基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)。

2）機(jī)床內(nèi)部的影響。例如，機(jī)床零部件的發(fā)熱（軸承、絲桿、導(dǎo)軌、電動(dòng)機(jī)、齒輪、液壓系統(tǒng)等），切削過(guò)程產(chǎn)生的熱量以及冷卻系統(tǒng)的發(fā)熱。
 
上述熱影響對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一種復(fù)雜的熱輸入，它隨時(shí)間和機(jī)床工作狀態(tài)而變化，是不可預(yù)測(cè)的，而最終造成機(jī)床熱變形的大小和部位還取決于機(jī)床結(jié)構(gòu)材料的熱性能，即材料的熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和熱容量以及機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即部件形狀、質(zhì)量和熱源的分布。

因此，機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱場(chǎng)分布是不均勻且不穩(wěn)定的，呈現(xiàn)為一種動(dòng)態(tài)的三維梯度的熱場(chǎng)。為了對(duì)機(jī)床在工作狀態(tài)下的熱變形進(jìn)行補(bǔ)償，還需要考慮切削和運(yùn)動(dòng)載荷所造成的變形。這就需要在機(jī)床的關(guān)鍵部位安放溫度和位置傳感器，測(cè)出主軸、3個(gè)坐標(biāo)軸和環(huán)境溫度分別造成的誤差，最后匯總為δx、δy、δz，輸入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。

e-機(jī)床

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日漸普及，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化和信息化已成為必然趨勢(shì)，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入車間只是時(shí)間問(wèn)題。從另一角度來(lái)看，企業(yè)資源計(jì)劃如果僅僅局限于業(yè)務(wù)管理部門（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等企業(yè)上層的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，車間最底層的加工設(shè)備—數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化，就必然成為制約制造業(yè)信息化的瓶頸，無(wú)法真正解決工廠的最關(guān)鍵問(wèn)題。

所以，對(duì)于面臨日益嚴(yán)峻的全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來(lái)說(shuō)，不僅要提高機(jī)床的數(shù)控化率，更要使所擁有的數(shù)控機(jī)床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間的底層之間以及底層與上層之間的通信暢通無(wú)阻。

例如，日本Mazak公司推出的新一代加工中心不僅實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程和刀具交換的自動(dòng)化，還配備一個(gè)稱為信息塔（e-Tower）的外部設(shè)備，包括了計(jì)算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音、圖形、視像和文本的通信功能。該機(jī)床與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)反映機(jī)床工作狀態(tài)和加工進(jìn)度。

操作者需指紋確認(rèn)權(quán)限，在屏幕上觀察加工過(guò)程。擁有故障報(bào)警顯示功能、并能在線幫助排除問(wèn)題。它是獨(dú)立的、自主管理的制造單元。

利用企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)，可安排一周的加工任務(wù)，將其發(fā)送到信息塔。信息塔向操作者發(fā)出指令，并在屏幕上顯示機(jī)床的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。操作者則可按照屏幕指示進(jìn)行操作，遇到問(wèn)題時(shí)也能隨時(shí)查閱計(jì)算機(jī)中的操作手冊(cè)。

正常情況下，機(jī)床自動(dòng)工作，操作者與機(jī)床在時(shí)間和空間上都是分離的。管理者和操作者皆配備有手機(jī)，通過(guò)手機(jī)查詢生產(chǎn)工況、預(yù)計(jì)加工完成時(shí)間以及獲取報(bào)告和故障報(bào)警。

機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，屏幕會(huì)顯示排除故障的方法，Mazak公司的維修中心能夠同時(shí)看到問(wèn)題所在，遠(yuǎn)距離地及時(shí)提供幫助，盡可能減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間。