数控机床技术发展浅析

机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。在20世纪后期形成的以数控技术为中心的柔性制造技术，预期在未来仍将延续进展并成为加工技术发展的主流。它的特征可以归结为3F，3I和3S，即： 

3F表示柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)和新颖化(Fashion)；

3I表示集成化(Integration)、信息化(Information)和智能化(Intelligence)；

3S表示系统化(System)软件化(Softwar)和个性化(Speciality)。

这些特征表明了将进一步深化发展适应多品种变批量生产的柔性自动化技术；基于先进工艺和结构原理发展新颖装备来优化制造过程；推进机床创新设计，经济地满足用户对产品个性化的加工要求；构建灵捷的制造系统，快速响应市场需求，以高质量产品迅速地批量上市；有效地发挥信息技术和软件技术在制造过程中提高技术水平和管理水平的作用；探求在网络化分布制造的协作联盟环境下的数控技术等。为实现这些技术目标，当前数控机床正沿着以下几方面发展： 

以发展高速切削为先导，并重视对空运行过程的提速，力求使高速化做到全面缩短切削工时和辅助工时；

在注重提高机床的材料切除率的同时，高效加工将大力推进以缩短加工过程链为目标的复合加工技术；

机床及其制造系统的柔性化将在可重组制造(Reconfigurable Manufacturing)技术的支持下，通过对制造系统的快速重组实现更敏捷和经济地适应不确定市场对产品多变的要求；

数控车、铣、磨等机床的工作精度正以平均每年提升8%-10%的幅度向纳米级高精度迈进，并不断地拓展新颖的精密加工方法；

机床的绿色设计与制造以重视环保的洁净生产为重点，干切削或微量(≤100ml/h)切削液的高效加工技术日趋成熟。

本文仅就数控机床高速化及高效柔性化的现况进行分析并探讨其发展趋势。

1 由高速切削推进至全面高速化

数控机床的主轴转速和功率的大幅度提高为高速切削的应用提供了良好的条件。高速切削的界限，在不同的年代，随着切削方法和被加工材料的不同，其数值也不尽相同，通常认为的高速切削是指比传统的切削速度和进给速度高出5～8倍。图1示出铣削不同金属材料时的高速切削范围。而高的进给速度在切削钢和铸铁时可达20～50m/min，相当每个刀齿的进给量为1.0-1.5mm。

图1 铣削不同材料时高速切削的速度区  

图2在相同切除率Q的条件下，

用不同切削速度和进给量组合时的切削力变化

(铝合金 Q一335 cm³/min) 

显然应用高速加工能增大单位时间材料被切除的体积(材料切除率Q)，但按目前机床的情况来看，要充分发挥先进刀具的高速加工能力，还必须开发有更高驱动功率和结构刚度的机床，因此当前航空、汽车和模具等制造行业普遍地采用高速加工，并不是只限于提高切削效率，还着眼于用它在以下3方面获得对加

工品质和经济效益的提升。 

减小切削力，保证薄壁零件加工的形状精度。通过提高切削速度(Vc)和降低进给量(f)，在保持相同材料切除率Q的条件下，使每个刀齿的进给量减小而使切削力降低(图2)。

提高加工表面质量。在保持相同的切削效率(即相同Q值)下，提高切削速度可改善切屑形成过程和增加切削阻尼有利于抑制颤振，而相应地减少每个刀齿的进给量能降低切削表面轨迹形成的残留高度，改善表面粗糙度，从而有利于精密零件和模具的加工。

减少被加工零件的温升和热变形。高的切削速度和低的进给量所形成的连续切屑流将使更多的切削热被切屑带走，减少零件和刀具的热变形，有利于保证批量生产的零件尺寸稳定性。

因此，数控机床采取提高切削速度和切削进给后，对改善加工质量、缩短切削工时等有明显的效果，但为了达到机床利用率进一步提高的目标，还需对数控机床实现全面高速化。对现有数控机床使用情况统计得出：其有效切削时间与全部工时之比(机床利用率)仅为 25%～35%，其余的75%～65%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹等辅助时间以及待工时间(由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间)与故障停机时间上。因此需通过提高各轴快移速度和加(减)速度、主轴变速的角加(减)速度、刀具(工件)自动交换速度，改善数控系统的操作方便性和监控功能以及加强信息管理才有可能全面压缩辅助时间和减少待工时间，使数控机床的利用率达到60%以上。

表1列出中型立、卧式
加工中心的主要工作参数的发展进程，显示了数控机床向高速化发展的趋势。

 表1 中型加工中心的高速化发展过程及预测 

 高速化指标  20世纪  21世纪

 

80年代  90年代前期  90年代后期  21世纪初  2010年(预测) 

 

主传动  最高转速(r/min)  4,000～6,000  8,000～12,000  12,000～18,000  18,000～24,000  30,000～42,000

 

静止至最高转速的启动时间(s)  3  2  1.5  1.0～1.2  ≤1 

 

控制轴驱动  最高进给速度(mm/min)  5,000～10,000  10,000～20,000  20,000～30,000  30,000～50,000  40,000～60,000

 

快移速度(m/min)  12～24  20～32  40～80  60～120  80～160 

 

加(减)速度(g)  0.3  0.5  1.0～1.2  1.5～2.0  ≥3

 

刀具交换  直接换刀时间(刀-刀)(s)  6～8  4.6～6.0  4～5  3～4  2～3

 

机械手换刀时间(刀-刀)(s)  3.5～5.0  2～3  1.5～2.0  0.8～1.2  0.6～1.0

 

托盘自动交换时间(s)  12～16  10～12  8～10  6～8  4～6

 

注：中型加工中心规格为：工作台宽度400～630mm，主轴锥孔ISO40或HSK63，材料切除率≥200 cm³/min(45钢)，刀具最大重量≤10kg。

2 推进高速化发展的两大关键技术

 表2 直线电机与滚珠丝杠副驱动性能对比 

 项目  直线电机  滚珠丝杠

 

运动速度  其极限速度受测量系统响应的限制，≤120 m/mi  其极限速度一般为60m/min，采用精密滚珠丝杠副可达80m/min 

 

加(减)速度  20 m/s²  采用精密滚珠丝杠副可达15m/s² 

 

驱动力  采用多台直线电机并联驱动可提高驱动力，但受机床安装驱动的结构申间限制  通过对传动件的配置可得到高的驱动力

 

驱动冷却  必须具备  仅在高的快移速度时需要 

 

磨损  驱动过程不会引起磨损  有较大的磨损 

 

驱动件数量  无机械传动链，驱动件少  驱动件多

 

迟滞性  无迟滞，速度增益≥750/S，动态性能好  有一定的迟滞，速度增益一般≤100/s

 

维护性  日常维护工作量小  有一定的维护工作量

 

适用性  适用范围广  不易满足有高动态性能要求的机床 

 

碰撞保护  需要设置电气和机械等多重保护  可用机械防撞 

 

位置控制  需配置光栅等测量系统进行闭环控制  丝杠副本身可作为测量系统，可进行半闭环控制，用于一般精度的数控机床，有利于降低成本

 

数控机床高速化进入工业应用的关键因素除了刀具性能的提升之外，有赖于内装式电机主轴单元(简称电主轴)和直线电机驱动技术的发展。

应用于车、铣加工的高速强力电主轴在20世纪80年代已开始在
数控车床和加工中心上应用，为推进高速切削起到了重要作用。

直线电机驱动技术的研发开辟了控制轴运动高速化的新领域，它与伺服旋转电机－滚珠丝杠副(简称滚珠丝杠)驱动的性能对比如表2所示。

直线电机用于数控机床控制轴的驱动上成为数控机床向高速化、精密化发展的一项重要技术支持，也引起了机床研究人员和机床制造厂对其应用技术的关注，并已在一些高速数控机床产品上应用。

直线电机在机床上的应用普及面不如电主轴，主要有下列一些问题需进一步研究解决。 

研发快速制动系统，防止由越程碰撞引起的过载损坏。

直接驱动的直线电机对过载的敏感性以及对过载保护装置的设置要求均高于应用旋转电机－滚珠丝杠副驱动，故要发展制动时间≤10ms的动作灵敏的逆变反接制动和机械制动方法。

采用周密的有效防护措施。

为了防止铁磁性切屑细末和脏物等积聚于直线电机的永磁体上，通常要采用高密封性的防护罩，并通入正压外喷气流，但橡胶密封件在运动换向时的摩擦力变化会影响轮廓加工的运动轨迹精度。

另一种措施是改进机床的结构，使直线电机位于切屑不易达到的部位。如立式加工中心结构，它的3个运动轴的直线电机均位于切削区的上方，且运动部件的质量较轻，有良好的防护性和动态性能。

进一步完善直线电机驱动系统结构的整体性。

通过结构优化降低成本，获得适宜的经济性。

直线电机驱动装置的成本目前还远高于伺服旋转电机－滚珠丝杠副驱动的费用(约高5～10倍)。因此对直线电机需进行价值分析，扩大其性能价格比优势，并通过结构优化提高其标准化、模块化程度，增加其定制生产的规模以提高其经济性，这样将有可能使这项先进技术在加工中心等高速数控机床上得到较普遍的应用。

 表3 中型加工中心材料切除率增长情况 

 材料  20世纪80年代  20世纪90年代中期  90年代末期至21世纪初

 

切除率(cm³/min)

 

钢材  350  600  900 

 

铝合金  1200  2000  3000

 

3 高效柔性化加工是数控机床的一个重要发展方向

高效柔性化加工技术是指它能及时地适应市场多变的要求，迅速地制造出所需的产品，并在保证产品质量的前提下，以良好的经济效益实现高生产率。其解决方案主要有： 

提高机床的材料切除率以提高切削效率，并注意降低空程等辅助时间；

应用复合加工缩短过程链以提高工效；

从系统角度发展可重组制造系统、通过快速、低成本的重构，以优化的工艺流程和适配的装备达到产品迅速上市和经济性高的综合效果。

图3主轴功率与最高转速的现况及发展预测 

3.1 提高数控机床的材料切除率有赖于高速大功率电主轴单元的发展

材料切除率的提高除高速加工技术外，还与机床的静动态刚度和主传动功率及进给驱动力的增强有关。以中型加工中心为例，在20世纪80年代其主传动功率一般在5.5～10.0 kW，90年代则增至20～30kW，铣削时材料切除率的增长情况如表3所示。

从表3可以看出，当前材料切除率的增长趋势较90年代与80年代相对增长率有所减缓，究其原因有以下两个方面：

首先，大功率电机需有较大的转子直径，因此它的高速化受到转子容许的线速度限制。图3中各个方黑块标记着不同主轴单元生产厂家提供的主轴电机功率与最高转速，它们均未达到当今一些先进刀具所能实现的最佳速度范围(图中面斜线的区域。斜线边界上的数字均为刀具直径，单位mm)。预期在2010年前将会出现实现“双百”目标的电主轴，即主轴功率为100kW，主轴最高转速达100,000r/min(10,000r/min)，将能使材料切除率有大幅度的增加。2001年汉诺威EMO展示荷兰Unisign公司制造的Unipro-5型五轴立式加工中心(X行程1000 mm、Y行程800mm)，电主轴功率100kW，最高转速25,000r/min，最大扭矩90N·m，其铣削铝合金的材料切除率已达8,000～10,000cm³/min。

其次一个原因是在整个加工过程中，切削时间通常只占25%～35%，除非对某些特殊零件如模具型面加工、航天航空的构件要从整块铝坯中铣去90%材料时才会出现较高的切削工时比重。

3.2功能复合化正成为数控机床发展的热点

增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度，不仅可减少多工序加工零件的上下料时间，而且更主要地可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待的时间，尤其在未组成有效的生产线的条件下，这种工序间的等待时间将远远地超过零件在机床上的工作时间，从而延长了零件的生产周期。

复合数控机床的高效化可用数控五面加工龙门铣床(加工中心)说明，它使零件的生产周期缩短至工序分散的非数控机床的16%，同时又使加工过程中的切削时间比率由17%增至70%，大大提高了机床的利用率，同时由于减少多次安装零件引起的误差，易于保证加工精度。

由于复合数控机床具有良好的工艺适用性，避免了在制品的储存和传输等环节，有力地支持了准时制(JIT)，因此对它的研发已被给予了极大的关注。尽管就功能来讲各种复合数控机床的界限会渐现淡化，但各机床制造厂仍保留了各自的特点和侧重点，使复合数控机床呈现出多样性的创新结构。

日本MAZAK公司的INTEGREX车铣中心是近年出现的一种新颖的复合数控机床。它拥有一套类似加工中心配置的自动换刀装置，能实现X，Y，Z轴运动，并具有B轴摆动的主轴头和C轴控制的主轴，既能作铣、钻、镗的动力头，也能作车刀夹持刀架。左右两侧分别装有主副两个车削用电主轴，可以不需对工件调头安装来完成两端的加工。因此它不仅能加工有斜面、斜孔的回转体零件，也能进行以前要用
数控铣床或加工中心完成的模具和汽缸盖等零件加工。

此外，德国EMAG公司的VSC系列立式多功能制造中心，它的主轴采用倒置式结构，应用模块化的结构设计可配置各种适用的动刀刀塔，通过改变刀具系统的组成，实现车、钻、铣、磨和滚齿等加工，完成各类盘套类零件的制造。

(c)快速重组制造系统(加工跨族零件共用可重组生产线)

图4 3类制造系统的基本框架比较 

4 可重组制造技术将成为发展低成本的高效柔性制造系统的基础

用生产线或自动线组成的制造系统，由于其工艺流程和物流路径的优化以及生产规划、技术准备、质量管理和过程调度及时，使机床的利用率远比单机或机群组合为高。随着市场竞争加剧，产品更迭频度加快，使其经济寿命期大大缩短，以专用机床和组合机床为主组成的自动线由于其调试投入期较长，当衰退期来临较早时，必然导致平均利用率降低，欧美对汽车等行业统计利用率为53%，我国约为45%～50%。

采用数控机床组成的柔性生产线FMS/FML，具有较好的柔性，可适应一定范围内的零件品种的变化，因而其机床利用率可达70%以上。但是它仍然在敏捷性和经济性方面存在着一些问题：首先，当加工零件的品种超出所设计的FMS/FML加工的零件族组时，就需对其硬软件配置作较长时间的调整，不能使新产品迅速上市；即使应用通用的数控机床组成中、大批量的生产线，也往往存在功能冗余的问题。德国H.Schulz教授统计欧、美和亚洲22个国家370家批量生产厂，得出近乎80%的加工中心只利用了机床的20% 功能。显然这种用扩大功能储备以备不时之需的做法，既是对资源的浪费，也是增大投资的不经济之举。

为此，在20世纪90年代后期发展了一种新的制造系统模式，称之为快速重组制造系统(RRMS)，也称可重组(或可重构)制造系统(RMS)。该系统配置适用功能的机床和易于调整的布局方式，具有系统随机过程优化规划、开放式控制系统、规范化接口、易重构的组态控制软件和快速提升制造质量的诊断系统等。一旦需对加工的零件品种和批量作出变化时，可以在充分利用原有资源的基础上，通过适当的调整、改变和更新机床和机床上的功能模块，很快地形成新的制造系统。它在全球化经济和不确定性市场的环境下具有明显的适应性，因此美国国家研究院(NRC)于1998年提出的《2020年制造业挑战预测》中把可重组制造系统列为2020年前制造业面临的十大关键技术之首。图4示出了RRMS与刚性制造系统和柔性制造系统基本框架的比较。RRMS的主要特性为：可重构性(Reconfigarability)、可重用性(Reusability)、可变动性(Mobility)和可缩放性(Scalability)。这4个特征可用如下12个要素来表达，每个特征分别包含3个要素，即：

可重构性为：模块化、定制化、组态化；

可重用性为：可诊断、可升级、可分解；

可变动性为：易变化、易调整、易移动；

可缩放性为：集成化、单元化、自治化。

为了使制造系统能实现上述特性，可以从系统、单元和设备等3个层次进行重构，从单元和系统的角度来讲，它的规划、布局和控制应能便于调整重组，并通过诊断技术快速提升制造能力以缩短试运行周期，并已取得初步应用成果。从设备角度来讲，应发展可重构机床(Reconfigurable Machine Tools，RMT)，要进行机床设计方法的创新，发展在用户应用环境下对其部件、元件及软件功能模块进行重组的机床结构技术，以降低机床功能变换的成本和延长机床的应用寿命。预期在最近的5～10年内，RMT技术在新一代机床开发中将会取得重要的进展。