數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢

數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)已有半個多世紀(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)用的計算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control-CNC）。展望未來，其發(fā)展趨勢究竟如何，是大家普遍關(guān)心的問題。

數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)是加工設(shè)備的可編程自動化，機(jī)床可以按照設(shè)定的程序自動運行，使操作者與加工設(shè)備在時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，在未來的3~5年，各國機(jī)床制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)將在下列領(lǐng)域爭奪制高點：

1. 虛擬機(jī)床（NC Verification）。
通過研發(fā)機(jī)電一體化的、硬件和軟件集成的仿真技術(shù)，來實現(xiàn)機(jī)床的設(shè)計水平和使用績效的提高。

2. 綠色機(jī)床（Green Machining）。
強調(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)床不僅是一臺加工設(shè)備，而是成為企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。

綠色機(jī)床將成為研究熱點

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

什么是綠色機(jī)床？它應(yīng)該具有以下特點：

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 通過減輕移動質(zhì)量、降低空運轉(zhuǎn)功率等措施使功率消耗減少30～40%。
4 使用過程中產(chǎn)生的各種廢棄物減少50~60%，保證基本沒有污染的工作環(huán)境。
5 報廢后機(jī)床的材料100%可回收。
 
1. 減重節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計，機(jī)床使用過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)床綠色化的第一個措施是通過大幅度降低機(jī)床重量和減少所需的驅(qū)動功率來構(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；同時降低機(jī)床使用時的能源消耗。

傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計理念是“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)床運動學(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)床移動部件的重量，達(dá)到省材、節(jié)能的目的。實現(xiàn)這個目標(biāo)的途徑有兩個：通過采用新結(jié)構(gòu)或新的復(fù)合材料來實現(xiàn)輕量化。

一臺通過結(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)床使用過程中的潤滑冷卻液是有害排放物，特別是磨削時采用的乳化液對環(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。實現(xiàn)這個目標(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單的銑削和車削工序。

2）微量潤滑（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，降低切削過程所需的功率，延長刀具的壽命，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)入社會廢品循環(huán)。

江蘇省揚力集團(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，自動識別加工任務(wù)和加工狀態(tài)，無需或很少需要人工干預(yù)，同時還能夠及時與操作者溝通，變得“聰明”起來，開拓數(shù)控機(jī)床的新紀(jì)元。
 
機(jī)床在加工過程中不可避免地會產(chǎn)生各種誤差，需要采用現(xiàn)代監(jiān)控和補償技術(shù)，從而進(jìn)一步提高機(jī)床的性能和通信能力。2005年，美國國家標(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 ) 的研究計劃。聰明加工系統(tǒng)的實質(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)動態(tài)優(yōu)化。將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化。

2 設(shè)備自適應(yīng)化。開發(fā)新的測量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，在運行狀態(tài)下對機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控，借助在線測量、傳感和實時分析進(jìn)行自我診斷和誤差補償，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)器控制能夠無縫運行。

4 在加工過程中直接測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。德國阿亨工業(yè)大學(xué)與西班牙技術(shù)中心合作對主動磁浮軸承的主軸進(jìn)行研究，借助磁浮軸承中的力、電流和位置傳感器，來測量切削力、以及刀尖點的位置、速度、加速度的變化，并基于此開發(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程監(jiān)控，以便用戶觀察銑削過程是否正常。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，使銑削過程中產(chǎn)生的振動能夠以加速度 “g載荷”值的形式顯示。

振動大小在0~10g范圍內(nèi)分為10級。其中，0~3g表示加工過程、刀具和刀夾都處于良好狀態(tài)；3~7g表示加工過程需要調(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)測在該振動級主軸部件可以工作多長時間，即主軸壽命還有多長。

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

2. 熱變形補償

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流；日光、暖氣和鄰近機(jī)床等熱源的影響；以及來自機(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、電動機(jī)、齒輪、液壓系統(tǒng)等），切削過程產(chǎn)生的熱量以及冷卻系統(tǒng)的發(fā)熱。
 
上述熱影響對機(jī)床結(jié)構(gòu)來說是一種復(fù)雜的熱輸入，它隨時間和機(jī)床工作狀態(tài)而變化，是不可預(yù)測的，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，即部件形狀、質(zhì)量和熱源的分布。

因此，機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱場分布是不均勻且不穩(wěn)定的，呈現(xiàn)為一種動態(tài)的三維梯度的熱場。為了對機(jī)床在工作狀態(tài)下的熱變形進(jìn)行補償，還需要考慮切削和運動載荷所造成的變形。這就需要在機(jī)床的關(guān)鍵部位安放溫度和位置傳感器，測出主軸、3個坐標(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，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入車間只是時間問題。從另一角度來看，企業(yè)資源計劃如果僅僅局限于業(yè)務(wù)管理部門（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計開發(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，無法真正解決工廠的最關(guān)鍵問題。

所以，對于面臨日益嚴(yán)峻的全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，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阻。

例如，日本Mazak公司推出的新一代加工中心不僅實現(xiàn)了加工過程和刀具交換的自動化，還配備一個稱為信息塔（e-Tower）的外部設(shè)備，包括了計算機(jī)、手機(jī)、機(jī)外和機(jī)內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信功能。該機(jī)床與生產(chǎn)計劃調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，可以實時反映機(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程。擁有故障報警顯示功能、并能在線幫助排除問題。它是獨立的、自主管理的制造單元。

利用企業(yè)的生產(chǎn)計劃調(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)床的實時工作狀態(tài)。操作者則可按照屏幕指示進(jìn)行操作，遇到問題時也能隨時查閱計算機(jī)中的操作手冊。

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

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