数控机床产业的创新与发展

[摘要]随着科学技术和社会经济的发展，数控机床正朝着生态化、智能化和客户化方向发展。本文详细介绍了数控机床在控制系统、驱动系统和结构设计等方面的创新与突破。

[关键词]态化、智能化、客户化。

中图分类号：F426.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0230-02

The Development And Innovation Of CNC Machine Tools Industry

SUN Ying

（Sichuan Vocational and Technical College of Communications ，Chengdu 611130， China.）

[Abstract]With the development of science and technology and the social economy， CNC machine tools is developing toward ecologization intellectualization and customization.This paper introduces innovation and new thought of CNC machine tools in the control system， driving system and structural design.

[Key words] ecologization intellectualization and customization.

在科学技术发展，用户需求多样化，环境保护意识强化的压力下，未来数控机床将体现三个特征：①生态化。机床作为制造业的能耗产品，必须体现节能减排和生态设计。②智能化。未来智能化的机床具备思考、自适应和最优加工的高智商。③客户化。采用模块化、可重构和柔性化的解决方案，使机床可满足千变万化用户需求。目前，数控机床的创新和新技术的应用主要体现在机床结构配置、驱动技术、数控系统，以及能源和生态设计等多方面，涉及的技术领域越来越广。

1 机床结构的优化配置

1.1 机床设计的新方法

传统的机床设计是机电分离设计。由于数控机床高速运动的机电一体化设备，其动态性能很大部分取决于机电耦合共同效应，因此，现代机床设计的新思路是在机床结构设计阶段就应用多体机电耦合仿真技术和有限元分析进行优化设计。

德国斯图加特大学机床控制研究所提出了机床硬件在环（Hardware in the Loop）和多刚体耦合的机电一体化仿真技术，实现数控系统和机床数学模型的集成仿真。仿真时，机床的运动及其特性通过三维动画和曲线显示，得到机床的动态特性，并进行数控系统与机床的匹配验证及控制参数的优化。还可将机床切削加工的物理过程融入仿真验证中，并预测工件的表面质量和加工过程的稳定性。机电一体化集成设计有效解决了机床与系统的匹配问题，提高了设计的准确度，大大缩短了设计周期。

1.2 机床结构配置的创新

机床结构配置主要取决于机床的运动组合，对应于一种运动组合可能有多种结构配置方案。机床结构设计关系到机床整体性能的提升。机床结构配置的发展趋势主要体现在运动件的轻量化、功能的复合度高、整体结构的模块化等。下面例举两个结构配置创新的案例。

（1）虚拟轴配置

德国Alfing公司的AS600机床采用模块化结构配置和零机械传动方案。机床由底座和立柱、回转工件台、托盘交换装置、刀具交换装置4大模块组成。机床的X轴为虚拟轴，X轴的移动由Y轴移动和X轴旋转两个运动合成。如图1所示，在封闭框架的立柱中配置上下移动的滑座，实现Y轴运动，滑座下方的主轴滑枕可伸缩，实现Z轴运动。而X轴的移动则是由Y轴和主轴滑枕绕滑座中心的转角相互配合实现，即 ，其最大行程达650mm，这种虚拟轴的配置简化了机床结构。

（2）复合配置

MAG自动化集团Hessapp 公司的DVT系列立式车床采用倒置与正置复合的结构配置。如图2所示，倒置结构是工件装夹在主轴上，从上面移向刀具并完成两个方面的进给，配置固定不移动的转塔刀架。倒置加工时产生的切屑和冷液能及时坠落到废料箱，可提高加工精度和降低热量。同时，倒置的主轴兼作装卸机械手，可将工件由机械夹爪放置在传送带上。可见，倒置式立车是缩短辅助时间、提高生产速度的新型结构配置。

2 驱动系统及技术热点

2.1 主轴单元

随着高速加工的普及，电主轴和主轴单元的智能化成为发展创新的目标。

（1）电主轴及关键问题的解决

电主轴将主轴单元的机电两部件的结构和功能集成为一体，是高端数控机床实现高速和高效加工的重要结构。

不过，电主轴在带给机床高速性能的同时，自身也存在诸多需解决的问题，最突出的是热量。电主轴的转速大多在10 000 r/min以上，其中，轴承和电机绕组是主要的高温热源。减少热量的主要解决方案是：轴承采用油―气系统，从外环油孔以脉冲油的方式向滚珠喷射微量油―气混合物，以、清洁和冷却轴承。电机绕组则采用强制气冷或水冷系统减小热量的产生，其中，以水冷的效果较好。

（2）主轴单元的智能化

主轴在高速加工时，由于温度变化和惯性力的影响都会产生微小的Z轴位移。对亚微米级或纳米级的精密加工而言，这种位移是不容忽视的，必须加以补偿。目前，主轴单元的智能化创新体现在主轴单元采用各种传感器，开发对工况进行时实监控、预警、可视化同，以及精准的补偿的功能。

瑞士GFAC集团Step-Tec公司开发了具有高智能化的电主轴intelliSTEP 智能系统。智能系统由三维振动测量V3D传感器、RFID工况记录、优化模块SMD20和工况分析软件SDS组成，可以控制和优化电主轴的工况，如主轴端轴向位移、温度、振动、刀具拉杆位置等。

其中，振动控制Vibroset 3D技术是在电主轴的前轴承附近安装了基于MEMS技术的加速度传感器，作为机床主轴的“黑匣子”。三维的加速度计实时记录3个轴（X，Y，Z）的加速度值，最高可达±50 mm/s2。在故障发生时，能再现主轴的工况，并通过数据接口传至数控系统，借助SDS分析软件找出故障的原因，有助于主轴单元有针对性的改进与优化。

2.2 进给系统

未来数控机床的进给系统创新体现在降低能源消耗，发展模拟仿真软件工具，提高机床的可重构性等方面。

（1）直线电机

直线电机将进给系统的机电两部件的结构和功能集成为一体。由于直线电机的一阶固有频率仅取决于电机的电气特性，以目前技术水平推算，其一阶固有频率约为165 Hz，远高于滚珠丝杠驱动。同时，直线电机驱动实现了“零”机械传动，因此，直线电机实现了加速快、速度高、定位准、伺服带宽大和可靠性等优点，成为高端数控机床进给系统的发展趋势。

不过，值得注意的是直线电机的加速性只有在承载量较小时优于滚珠丝杠驱动。同时，直线电机的价格大约是伺服电机的3倍，因此，滚珠丝杠驱动方案的成本仅为直线电动机驱动的75%。

（2）进给传动系统的创新技术

目前，针对进给传动系统的机械传动机构的易磨损、振动、寿命低、速度低等现状，有以下几个创新技术应用。

① 低预紧力螺母结构

滚珠丝杠螺母采用预紧来消除间隙，但降低了滚珠丝杠精度、最大荷载和寿命。解决这一矛盾的结构创新，是在一对滚珠螺母和中间垫片之间，加入两个弹性垫圈。测试显示，此技术使3 kN预紧力可与无此技术的5.5 kN预紧力等效，滚珠丝杠的寿命可由0.4×109转提升至1.8×109转。

② 导轨阻尼装置

滚珠丝杠螺母的一阶固有频率限制了进给装置的最高速度。解决此问题的结构创新，是在工作台上增加类似线性导轨滑块的制动装置（即主动阻尼装置），如图3所示 。通过控制系统产生指令，利用压电陶瓷压向导轨以增加摩擦，从而改变阻尼性，使系统在一阶固有频率处的振幅大幅降低。研究表明，此技术使进给系统的最高变向频率由8 Hz提升至16 Hz。

③ 柔性滚珠丝杠轴承

提高滚珠丝杠系统变向频率的另一创新，是通过改良丝杠轴承来改善滚珠丝杠系统的动力特性。解决方案有被动和主动模式两种。被动模式是将固定轴承改为柔性材料制造，此材料只有丝杠刚性1%，使丝杠可轴向伸缩，以改变进给系统的阻尼性。主动模式是在丝杠轴承壳内安装压电陶瓷，由控制系统产生指令，使压电陶瓷向支承丝杠的滚珠轴承外圈施加轴向压力，以改变进给系统的阻尼性。

3 数控系统的发展新趋势

航空航天、精密模具、微电子产品等行业的飞速发展，对机械加工的轨迹精度和表面质量提出了很高要求。为适应行业需求，数控系统的创新点体现在运动控制策略、运算精度及运算速度等方面的重大突破。

1.高精度插补及运动控制技术

目前，中高端数控系统已广泛采用纳米插补及运动控制，甚至精密到了皮米。纳米插补运动控制要求插补运算周期至少应控制在100μs级，编码器的分辨率达到每转百万线以上。高精密插补运算不仅解决了轨迹计算精度的问题，还涉及到前瞻平滑处理、减小运算周期、提升伺服动态响应及精度，以及提高编码器分辨率等先进技术。如FANUC 30i和三菱M700系统实现了纳米插补运算，安德龙的Antronic 3060实现了皮米插补运算，西门子828D采用了80位浮点计算精度进行插补运算。先进的数控系统已采用NURBS样条插补来实现高效曲面加工。样条插补通过连续的运动控制，不频繁改变运动方向，有效避免了不必要加速和制动，效能节约可达60%。如西门子的“精优曲面”技术，FANUC的纳米平滑技术，以及海德汉通过定义加工时间、精度和粗糙度的不同优先策略来实现高效的曲面加工。

2.网络化全数字系统体系

为了提高系统的运算能力、控制速度、可靠性和适应性，各种实时总线技术广泛应用于控制体系中。总线技术将Soft PLC和安全协议整合在一起，简化了系统间的连接，使机床多通道多轴联动复杂控制成为可能。如西门子840D可扩展控制轴31个、10个通道以及10个工作方式组。广泛应用的专用总线有：FANUC的FSSB、西门子的Drive-CLiQ，海德汉的HSCI和意大利FIDIA的FFB；标准总线有：博世力士乐的SERCOS 和三菱的CC-LINK等。

3.基于STEP-NC的集成

基于G代码程序控制的数控系统是被动的轨迹和逻辑控制的“控制者”。目前，以零件加工特征为基础的STEP-NC技术，使数控系统成为加工任务自主规划的智者。基于STEP-NC技术的集成系统的工作流程是：首先由CAD系统生成STEP文档，通过AP203接口转化为STEP-NC后，输入到CAM系统，再借助零件加工特征及工艺模型生成STEP-NC加工程序。此后，由数控系统自主决定如何加工，并指挥机床完成相应加工。同时，机床的工况及时反馈回数控系统，系统及时调整加工参数和策略，输入至CAM系统，对STEP-NC编程产生影响。可见，基于STEP-NC技术的集成系统使数控系统实现了自主规划、实时调整的智能化全过程。

4.开放式的客户化应用系统

随着加工零件的复杂化、个性化，高端数控系统的客户化占有比例超过了75%。客户化应用要求数控系统能对机床制造商和最终用户开放。为此，开放式的客户化应用系统成为用户期望的数控系统结构，它拥有标准化的软硬件体系结构、方便扩展、网络功能和客户化应用软件等特点，以适应个性化要求，并体现出可移植性、可重组性、互操作性等特征。

4 机床的节能与生态设计

作为大能源消耗的机床要想具有可持续发展的前景，必须强调节能减排和提高能效。绿色制造、生态设计是未来数控机床发展的新方向。

机床对环境的影响主要源于耗电所产生的温室气体排放量和碳氢燃料，其中，直接用于加工的耗电量仅占总量的25%，可见，提高机床的能效具有很大潜力空间。不过，要注意的是机床的耗电不是一个稳态的过程，特别是换刀、工作台起动、制动时出现峰值。

为此，德国力士乐公司提出了机床节能的全面解决方案4EE（Four Energy Efficiency，4EE ），涉及以下4方面：①采用高能效的部件。如采用效率达95%～97%的永磁同步电机、直线电机 和力矩电机等直接驱动方式，减少机械传动，可提高效能潜力达50%。②实现能源再利用。如储存电机制动期间的过剩能量，以便在需要时提供短时间的大能量，可节能潜力达80%。③按需使用能源。如采用变频液压泵和冷却液泵，按需提供能源，可节能潜力达20%～80%。④能源系统的优化设计。通过仿真、项目规划和咨询，实现系统化的总体概况分析，以及利用智能控制器实现工艺流程的最优化。

又如德国因代克斯INDEX公司的R200车铣加工中心实施提高能效的主要措施有：①优化机床部件重量；②配置能量再生装置；③对于耗能大的能源装置设置待机模式；④采用优化匹配的材料和小摩擦系数的轴承；⑤采用智能化冷却系统。其中，智能化冷却新方法在确保机床获得正常冷却的同时，将运行中的废热进行回收，用于车间供暖或其他需要热源的生产环节。

数控装备的创新不仅是机床行业本身发展的需要，更能带动相关产业的技术革命，以及产业结构的转型升级。随着科学技术的进步，数控技术将在创新中不断发展。生态机床、聪明机床和个性化机床将引领数控装备的发展方向，成为主流产品。

参考文献

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[2] 汪艺，智能创新 产业升级[J] 2013（4） ，制造技术与机床.

[3] 李静，助推智能装备 制造产业新发展[J] 2013（4） ，制造技术与机床.

[4] 金桂云，数控技术的发展趋势[J] 2012（9） ，才智.

基金项目：四川省教育厅人文社会科学重点研究基地四川高等职业教育研究中心课题（GZY13B13）。