数控机床的发展历程和趋势

数控机床的发展历程和趋势Contents数控机床的发展历程1数控机床的发展趋势2我国数控机床的发展现状3结束语4一、数控机床的发展历程

数控机床(NumericalControlMachineTools)是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。

1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。

1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心(MCMachiningCenter)，使数控装置进入了第二代。

一、数控机床的发展历程

1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。

60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。

1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。

20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。

20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现智能化，网络化制造。

一、数控机床的发展历程19591965数控机床1952电子管晶体管小型集成电路1970小型计算机1974微型计算机1990PC+CNC一、数控机床的发展历程更高水平发展（2000年开始）产业化成熟阶段（1990-1999年）发展应用阶段（1980-1989年）起动阶段（1952-1979年）智能化、网络化、敏捷制造、虚拟制造柔性单元、柔性系统、自动化工厂开始应用数控系统微处理器运算速度快速提高，功能不断完善、可靠性进一步提高，监控、检测、换刀、外围设备得到了应用先后经历电子管、晶体管、小集成电路、大规模集成电路、小型计算机，微处理器等1234二、数控机床的发展趋势系统软件化体系开放化控制智能化信息网络化功能复合化高精度高速加工6125437多轴加工8绿色化发展趋势2.1体系开放化（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；

（2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；

（3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。2.2控制软件化

现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。

传统数控系统，如FANUC0系统、MITSUBISHIM50系统、SINUMERIK810M/T/G系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。

“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统，如FANUC18i、16i系统、SINUMERIK840D系统、Num1060系统、AB9/360等数控系统。这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。

2.2控制软件化

“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成。这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。

SOFT型开放式数控系统

这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在WINDOWSNT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。2.3高可可靠靠度度随着着数数控控机机床床网网络络化化应应用用的的日日趋趋广广泛泛，，数数控控系系统统的的高高可可靠靠性性已已经经成成为为数数控控系系统统制制造造商商追追求求的的目目标标。。对对于于每每天天工工作作两两班班的的无无人人工工厂厂而而言言，，如如果果要要求求在在16小时时内内连连续续正正常常工工作作，，无无故故障障率率在在P(t)＝99%以上上，，则则数数控控机机床床的的平平均均无无故故障障运运行行时时间间MTBF就必必须须大大于于3000小时时。。我我们们只只对对某某一一台台数数控控机机床床而而言言，，如如主主机机与与数数控控系系统统的的失失效效率率之之比比为为10:1(数控控的的可可靠靠比比主主机机高高一一个个数数量量级级)。此此时时数数控控系系统统的的MTBF就要要大大于于33333.3小时时，，而而其其中中的的数数控控装装置置、、主主轴轴及及驱驱动动等等的的MTBF就必必须须大大于于10万小小时时。。如如果果对对整整条条生生产产线线而而言言，，可可靠靠性性要要求求还还要要更更高高。。当当前前国国外外数数控控装装置置的的MTBF值已已达达6000小时时以以上上，，驱驱动动装装置置达达30000小时时以以上上，，但但是是，，可可以以看看到到距距理理想想的的目目标标还还有有差差距距。。2.3高可可靠靠度度数控控机机床床与与传传统统机机床床相相比比，，增增加加了了数数控控系系统统和和相相应应的的监监控控装装置置等等，，应应用用了了大大量量的的电电气气、、液液压压和和机机电电装装置置，，易易于于导导致致出出现现失失效效的的概概率率增增大大；；工工业业电电网网电电压压的的波波动动和和干干扰扰对对数数控控机机床床的的可可靠靠性性极极为为不不利利，，而而数数控控机机床床加加工工的的零零件件型型面面较较为为复复杂杂，，加加工工周周期期长长，，要要求求平平均均无无故故障障时时间间在在2万小时以上。。为了保证数控控机床有高的的可靠性，就就要精心设计计系统、严格格制造和明确确可靠性目标标以及通过维维修分析故障障模式并找出出薄弱环节。。国外数控系系统平均无故故障时间在7～10万小时以上，，国产数控系系统平均无故故障时间仅为为10000小时左右，国国外整机平均均无故障工作作时间达800小时以上，而而国内最高只只有300小时。2.4高速化随着汽车、国国防、航空、、航天等工业业的高速发展展以及铝合金金等新材料的的应用，对数数控机床加工工的高速化要要求越来越高高。（1）主轴转速：：机床采用电电主轴（内装装式主轴电机机），主轴最最高转速达200000r/min；（2）进给率：在在分辨率为0.01μm时，最大进给给率达到240m/min且可获得复杂杂型面的精确确加工；（3）运算速度：：微处理器的的迅速发展为为数控系统向向高速、高精精度方向发展展提供了保障障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统统，频率提高高到几百兆赫赫、上千兆赫赫。由于运算算速度的极大大提高，使得得当分辨率为为0.1μm、0.01μm时仍能获得高高达24～240m/min的进给速度；；（4）换刀速度：：目前国外先先进加工中心心的刀具交换换时间普遍已已在1s左右，高的已已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设设计成篮子样样式，以主轴轴为轴心，刀刀具在圆周布布置，其刀到到刀的换刀时时间仅0.9s。2.4高速化德马吉（DMG)最新推出的HSClinear系列机床代表表着高速切削削技术的全新新时代。据介介绍，这个全全新的系列产产品满足了全全方位要求，，超坚固结构构设计构成超超高速运动的的基础，高频频高转速HSK主轴为标准配配置，全部直直线轴和旋转转轴全部采用用直接驱动技技术以确保更更高动态性能能和更高精度度，还配备具具有易用3D功能的高性能能CNC数控系统。HSC55linear采用龙门结构构具有超高刚刚性，热对称称平衡结构，，标配28000r/min高速主轴，所所有轴全部采采用直接驱动动技术，加速速度达2g(g=9.8m/s2)。加工区的合合理安排和主主轴的高转速速使HSC55linear加工中心不仅仅能高速加工工高硬钢材还还能高速加工工石墨材料。。相相比市场场上的其它高高速切削机床床，选择28000rpm主轴作为标配配，德马吉这这个新主轴的的刚性更高。。它不仅能降降低加工中的的振动，提高高表面质量，，延长刀具使使用寿命。据据介绍，该机机床也可以配配18000rpm电主轴，还可可用相同的价价格选配42000rpm甚至60000rpm两种转速的主主轴。HSC55linear加工中心2.4高速化日本森精机NH系列DZ15WMagnum双主轴高效立立式加工中心心2.4高速化瑞士GF阿奇夏米尔HSM500高速铣削中心心它采用混凝土土聚合物（人人造大理石））制成的龙门门框架式的床床身结构，可可以有效地吸吸收高加速度度时产生的冲冲击力，以确确保高的加工工精度。专门门量身定制的的高刚性工作作台在有限的的空间内实现现尽可能大的的装夹面积。。可配置30000转/分、42000转/分甚至54000转/分的高速速电主轴轴，从而而可实现现高性能能的高速速铣削工工艺。2.5高精度化化数控机床床精度的的要求现现在已经经不局限限于静态态的几何何精度，，机床的的运动精精度、热热变形以以及对振振动的监监测和补补偿越来来越获得得重视。。（1）提高CNC系统控制制精度：：采用高高速插补补技术，，以微小小程序段段实现连连续进给给，使CNC控制单位位精细化化，并采采用高分分辨率位位置检测测装置，，提高位位置检测测精度（（日本已已开发装装有106脉冲/转的内藏藏位置检检测器的的交流伺伺服电机机，其位位置检测测精度可可达到0.01μm/脉冲），，位置伺伺服系统统采用前前馈控制制与非线线性控制制等方法法；（2）采用误误差补偿偿技术：：采用反反向间隙隙补偿、、丝杆螺螺距误差差补偿和和刀具误误差补偿偿等技术术，对设设备的热热变形误误差和空空间误差差进行综综合补偿偿。研究究结果表表明，综综合误差差补偿技技术的应应用可将将加工误误差减少少60%～80%；（3）采用网网格解码码器检查查和提高高加工中中心的运运动轨迹迹精度，，并通过过仿真预预测机床床的加工工精度，，以保证证机床的的定位精精度和重重复定位位精度，，使其性性能长期期稳定，，能够在在不同运运行条件件下完成成多种加加工任务务，并保保证零件件的加工工质量。。2.6功能复合合化复合机床床的含义义是指在在一台机机床上实实现或尽尽可能完完成从毛毛坯至成成品的多多种要素素加工。。根据其其结构特特点可分分为工艺艺复合型型和工序序复合型型两类。。工艺复合合型机床床如镗铣铣钻复合合——加工中心心、车铣铣复合——车削中心心、铣镗镗钻车复复合——复合加工工中心等等；工序复合合型机床床如多面面多轴联联动加工工的复合合机床和和双主轴轴车削中中心等。。采用复复合机床床进行加加工，减减少了工工件装卸卸、更换换和调整整刀具的的辅助时时间以及及中间过过程中产产生的误误差，提提高了零零件加工工精度，，缩短了了产品制制造周期期，提高高了生产产效率和和制造商商的市场场反应能能力，相相对于传传统的工工序分散散的生产产方法具具有明显显的优势势。加工过程程的复合合化也导导致了机机床向模模块化、、多轴化化发展。。德国Index公司最新新推出的的车削加加工中心心是模块块化结构构，该加加工中心心能够完完成车削削、铣削削、钻削削、滚齿齿、磨削削、激光光热处理理等多种种工序，，可完成成复杂零零件的全全部加工工。随着着现代机机械加工工要求的的不断提提高，大大量的多多轴联动动数控机机床越来来越受到到各大企企业的欢欢迎。2.6功能复合合化在零件加加工过程程中有大大量的无无用时间间消耗在在工件搬搬运、上上下料、、安装调调整、换换刀和主主轴的升升、降速速上，为为了尽可可能降低低这些无无用时间间，人们们希望将将不同的的加工功功能整合合在同一一台机床床上，因因此，复复合功能能的机床床成为近近年来发发展很快快的机种种。柔柔性制造造范畴的的机床复复合加工工概念是是指将工工件一次次装夹后后，机床床便能按按照数控控加工程程序，自自动进行行同一类类工艺方方法或不不同类工工艺方法法的多工工序加工工，以完完成一个个复杂形形状零件件的主要要乃至全全部车、、铣、钻钻、镗、、磨、攻攻丝、铰铰孔和扩扩孔等多多种加工工工序。。普普通的的数控系系统软件件针对不不同类型型的机床床使用不不同的软软件版本本，比如如Siemens的810M系统和802D系统就有有车床版版本和铣铣床版本本之分。。复合化化的要求求促使数数控系统统功能的的整合。。目前，，主流的的数控系系统开发发商都能能提供高高性能的的复合机机床数控控系统。。2.6功能复合合化单一机床床和复合合机床对对比2.6功能复合合化世界上首首次为复复合加工工机而开开发的CNC装置MAZATROLFUSION640Pro与生产信信息管理理塔的e-Tower作为标准准装备配配置在INTEGREXe-1850V里，它已已经超越越了机床床的概念念简直可可以称之之为小型型工厂（（智能化化生产模模块），，满载了了许许多多多的新新功能。。通通过卡盘盘一次装装卡就可可以全工工程加工工车削削、铣加加工、淬淬火、研研磨。。2.6功能复合合化INTEGREXe-1850Ve-500HIIe-800VII2.6功能复合合化图4复合加工工可成功功完成最最复杂、、高精度度零件的的加工。。对于加加工类似似镍铬铁铁耐热耐耐蚀合金金这样超超硬材质质，WFL公司将提提供350bar喷气断屑屑系统图5可加工出出的各种种齿轮形形状图6在涡轮轴轴上进行行滚齿加加工2.7驱动并联联化并联机床床（ParallelMachineTool），也叫叫并联运运动学机机床（ParallelKinematicMachine），因没没有实体体坐标轴轴，故又又被称为为虚拟轴轴机床（（VirtualAxisMachineTool）。并联联机床是是用并联联机构作作为进给给传动机机构的数数字控制制机床。。与传统统机床相相比并联联机床具具有刚度度重量比比大、响响应速度度快、对对环境适适应性高高、技术术附加值值高等优优点。并联运动动机床克克服了传传统机床床串联机机构移动动部件质质量大、、系统刚刚度低、、刀具只只能沿固固定导轨轨进给、、作业自自由度偏偏低、设设备加工工灵活性性和机动动性不够够等固有有缺陷，，在机床床主轴（（一般为为动平台台）与机机座（一一般为静静平台））之间采采用多杆杆并联联联接机构构驱动，，通过控控制杆系系中杆的的长度使使杆系支支撑的平平台获得得相应自自由度的的运动，，可实现现多坐标标联动数数控加工工、装配配和测量量多种功功能，更更能满足足复杂特特种零件件的加工工，具有有现代机机器人的的模块化化程度高高、重量量轻和速速度快等等优点。。2.7驱动并联联化并联机床床作为一一种新型型的加工工设备，，已成为为当前机机床技术术的一个个重要研研究方向向，受到到了国际际机床行行业的高高度重视视，被认认为是““自发明明数控技技术以来来在机床床行业中中最有意意义的进进步”和和“21世纪新一一代数控控加工设设备”。。并联运动动机床与与传统机机床的比比较2.7驱动并联联化6杆并联机机床2.8多轴加工工化多轴加工工准确地地说应该该是多坐坐标联动动加工。。当前大大多数控控加工设设备最多多可以实实现五坐坐标联动动，这类类设备的的种类很很多，结结构类类型和控控制系统统都各不不相同。。由于在加加工自由由曲面时时，3轴联动控控制的机机床无法法避免切切速接近近于零的的球头铣铣刀端部部参予切切削，进进而对工工件的加加工质量量造成破破坏性影影响，而而5轴联动控控制对球球头铣刀刀的数控控编程比比较简单单，并且且能使球球头铣刀刀在铣削削3维曲面的的过程中中始终保保持合理理的切速速，从而而显着改改善加工工表面的的粗糙度度和大幅幅度提高高加工效效率，因因此，各各大系统统开发商商不遗余余力地开开发5轴、6轴联动数数控系统统，随着着5轴联动数数控系统统和编程程软件的的成熟和和日益普普及，5轴联动控控制的加加工中心心和数控控铣床已已经成为为当前的的一个开开发热点点。最最近，国国外主要要的系统统开发商商在6轴联动控控制系统统的研究究上已经经取得和和很大进进展，在在6轴联动加加工中心心上可以以使用非非旋转刀刀具加工工任意形形状的三三维曲面面，且切切深可以以很薄，，但加工工效率太太低一时时尚难实实用化。。2.8多轴加工工化图1KE-D型多轴加加工机床床图2可在多轴轴加工机机床上加加工的零零件图3S-6系列多轴轴加工机机床可以以在一次次装夹中中完成复复杂工件件的三方方位加工工，配备备有12把水平进进给和3把垂直进进给的刀刀具2.8多轴加工工化图4TCKM系列是瑞瑞士型高高速精密密数控车车铣中心心，机床床的两个个主轴可可以同时时对不同同的零件件进行车车铣复合合加工，，具有四四轴联动动加工能能力，可可以完成成车削、、铣削、、钻削甚甚至磨削削复合加加工。适适合完成成精度较较高、形形状复杂杂的零件件的车铣铣复合加加工任务务,例如多头头蜗杆的的车、铣铣、钻等等工序的的一次性性复合加加工图5多轴MultiAlpha自动车床床，5个独立刀刀具的背背主轴，，可实现现需掉头头的复杂杂零件的的加工，，是复杂杂零件的的最佳加加工解决决方案，，能保证证24h不停生产产高质量量的产品品2.8多轴加工工化MAG公司的U5-1500DR双主轴机机床EMAG公司的BA321型卧式4轴加工中中心2.8多轴加工工化瑞士GF阿奇夏米米尔MIKRONHPM600U五轴联动动高性能能镗铣加加工中心心2.9体积极端端化主要体现现在数控控机床的的体积大大型化和和微型化化。一方面，，国防、、航空、、航天事事业的发发展和能能源等基基础产业业装备的的大型化化需要大大型且性性能良好好的数控控机床的的支撑。。另一方面面，超精精密加工工技术和和微纳米米技术是是21世纪的战战略技术术，需发发展能适适应微小小型尺寸寸和微纳纳米加工工精度的的新型制制造工艺艺和装备备，所以以微型机机床包括括微切削削加工(车、铣、、磨)机床、微微电加工工机床、、微激光光加工机机床和微微型压力力机等的的需求量量正在逐逐渐增大大。2.9体积极端端化J10001-CNC微型数控控车床主轴电机机功率：：150W电压120VDCXZ轴的最大大移动速速度：500mm/min主轴电机机转速：：0～2500r/min步进电机机最大转转速：1000r/min尺寸：600X300X250mm净重：17kgC00026微型数控控铣床定位精度度0.015mm最大钻孔孔直径25mm最大端面面铣直径径16mm最大表面面铣直径径50mm电机功率率1000W主轴转速速(无级调速速)100~1750rpm±±10%尺寸：760X700X900mm净重：200kg2.9体积极端端化HTM-50GMFX100龙门移动动式定梁梁五面镗镗铣中心心主要技术术参数主轴转速速10-2000r/min主轴功率率37/51kw主轴最大大扭矩1985/2735Nm滑枕截面面500××500mm龙门有效效宽度5100mmX/Y/Z行程10000/5200/1250mm快移速度度10m/min最大切削削速度6m/min定位精度度0.020/0.015/0.010mm重复定位位精度0.012/0.00/0.008mm工作台面面积4000×9000mm工作台最最大承重重20t刀库容量量24/40/60（选配））2.10绿色化随着日趋趋严格的的环境与与资源约约束，制制造加工工的绿色色化越来来越重要要，而中中国的资资源、环环境问题题尤为突突出。因因此，近近年来不不用或少少用冷却却液、实实现干切切削、半半干切削削节能环环保的机机床不断断出现，，并在不不断发展展当中。。在21世纪，绿绿色制造造的大趋趋势将使使各种节节能环保保机床加加速发展展，占领领更多的的世界市市场。机床是将将毛坯转转化为零零件的工工作母机机，在使使用过程程中不仅仅消耗能能源，还还会产生生固体、、液体和和气体废废弃物，，对工作作环境和和自然环环境造成成直接或或间接的的污染。。从整个个机床生生命周期期内审视视，尽量量减少对对环境带带来不利利冲击的的绿色机机床就成成为当前前研究的的热点。。2.10绿色化什么是绿绿色机床床？它应应该具有有以下特特点：1机床主要要零部件件由再生生材料制制造。2机床的重重量和体体积减少少50%以上。3通过减轻轻移动质质量、降降低空运运转功率率等措施施使功率率消耗减减少30～40%。4使用过程程中产生生的各种种废弃物物减少50~60%，保证基基本没有有污染的的工作环环境。5报废后机机床的材材料100%可回收。。2.10绿色化1.减重节能能据统计，，机床使使用过程程中用于于切除金金属的功功率只占占到25%左右，各各种损耗耗和辅助助功能占占去大部部分。典典型机床床的功率率消耗分分配如图图1所示，红红色部分分是各种种损耗和和辅助功功能。机床绿色色化的第第一个措措施是通通过大幅幅度降低低机床重重量和减减少所需需的驱动动功率来来构建具具有生态态效益的的机床（（Eco-efficientMachinetool）。绿色色机床提提出一种种全新的的概念：：大幅减减少机床床重量，，节省材材料；同同时降低低机床使使用时的的能源消消耗。图1.典型数控控机床功功率分配配图2.10绿色化传统的机机床设计计理念是是“只有有足够的的刚度才才能保证证加工精精度，提提高刚度度就必须须增加机机床重量量”。因因此，现现有机床床重量的的80%用于“保保证”机机床的刚刚度，而而只有20%用于满足足机床运运动学的的需要。。绿色机床床就是在在保证机机床刚度度的前提提下大幅幅减少机机床移动动部件的的重量，，达到省省材、节节能的目目的。实实现这个个目标的的途径有有两个：：通过采用用新结构构或新的的复合材材料来实实现轻量量化，如图2所示。图2.借助新材材料和新新结构实实现轻量量化2.10绿色化图3采用三杆杆并联机机构的主主轴部件件1.1.1杆机构90年代中期期出现的的6杆并联运运动机床床，由于于其运动动部件质质量轻、、结构简简单等优优点，一一直受到到机床研研究者的的重视，，10多年来不不断进行行探索，，推出许许多变型型结构和和方案。。尽管加加工精度度和机床床刚度还还存在一一定问题题，但在在某些领领域已经经获得成成功应用用。例如如，DS-Technology公司生产产的加工工飞机铝铝合金构构件的Ecospeed型机床，，其主轴轴部件就就是采用用三杆并并联机构构，如图图3所示。1.1采用新结结构降低低能耗2.10绿色化1.1.2新型焊接接结构在机床设设计中采采用焊接接结构由由来已久久，主要要由钢板板切割后后焊接成成为大型型结构件件。随着着对机床床结构轻轻量化的的要求日日益迫切切，异型型钢板和和异型结结构的应应用获得得了发展展，焊接接工艺也也由电弧弧焊接扩扩展到激激光焊接接。一个个由钢管管和钢板板激光焊焊接而成成的滑座座如图4所示。图4由钢管和和钢板激激光焊接接而成的的滑座2.10绿色化1.1.3箱中箱结结构箱中箱结结构是近近年来机机床结构构配置的的重要发发展趋势势。它的的特点是是采用框框架式箱箱形结构构，将一一个移动动部件嵌嵌入另一一个部件件的框架架箱中，，达到提提高刚度度减轻重重量的目目的。森森精机一一台车铣铣复合加加工中心心的箱中中箱结构构如图5所示。采采用箱中中箱结构构获得成成功的关关键不仅仅在于基基于有限限元分析析的设计计方法，，而且还还有构件件的制造造工艺，，例如熔熔模铸造造等。图5由钢管和和钢板激激光焊接接而成的的滑座2.10绿色化图3.一台通过过结构优优化并采采用了新新材料的的龙门铣铣床案例例（通过轻轻量化降降低驱动动功率））新材料是是机床结结构轻量量化的重重要研究究领域，，包括碳碳素纤维维、陶瓷瓷和复合合材料。。目前已已经获得得实际应应用的是是树脂混混凝土（（或称矿矿物铸造造、人造造花岗石石），它它与传统统铸铁构构件相比比，具有有阻尼系系数大、、抗振性性强、热热稳定性性好等一一系列优优点。1.2采用新材材料2.10绿色化高频电主主轴：高频电主主轴是高高频电动动机与主主轴部件件的集成成，具有有体积小小、转速速高、可可无级调调速等一一系列优优点，在在各种新新型数控控机床中中已经经获得广广泛的应应用；直线电动动机：近年来，，直线电电动机的的应用日日益广泛泛，虽然然其价格格高于传传统的伺伺服系统统，但由由于负载载变化扰扰动、热热变形补补偿、隔隔磁和防防护等等关键技技术的应应用，机机械传动动结构得得到简化化，机床床的动态态性能有有了提高高。如：：西门子子公司生生产的1FN1系列三相相交流永永磁式同同步直线线电动机机已开始始广泛应应用于高高速铣床床、加工工中心、、磨床、、并联机机床以及及动态性性能和运运动精度度要求高高的机床床等；德德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工工中心三三向驱动动均采用用两个直直线电动动机；电滚珠丝丝杆：电滚珠丝丝杆是伺伺服电动动机与滚滚珠丝杆杆的集成成，可以以大大简简化数控控机床的的结构，，具有传传动环节节少、结结构紧凑凑等一系系列优点点。1.3采用新型型功能部部件2.10绿色化2.MQL减排机床使用用过程中中的润滑滑冷却液液是有害害排放物物，特别别是磨削削时采用用的乳化化液对环环境和工工人健康康都非常常有害。。因此，，大幅度度减少冷冷却液的的使用和和排放是是绿色机机床的基基本特徵徵。实现现这个目目标的途途径有以以下两方方面：1）干切削削，不使使用冷却却液。这需要机机床具有有足够的的刚性和和锋利的的刀具，，仅适用用于某些些加工形形状比较较简单的的铣削和和车削工工序。2）微量润润滑（MinimizedQuantityLubrication,MQL）。MQL适用范围围较广，，可用于于各种加加工方法法，但需需要专门门的装置置提供气气雾或低低温空气气（冷风风），并并使用专专门的润润滑剂。。2.10绿色化3.刀具增效效机床的生生产效率率出至刀刀尖上。。采用先先进的刀刀具，选选择合理理的刀具具几何角角度和切切削参数数，可以以有效提提升切削削加工的的效率，，降低切切削过程程所需的的功率，，延长刀刀具的寿寿命，从从而达到到以较少少的资源源消耗获获得较大大产出的的目的。。图4.组合刀具具的复合合加工2.10绿色化4.变废为宝宝增值再再用金属切削削加工切切屑是机机床使用用过程中中主要的的固体废废弃物。。传统的的方法是是将它作作为废品品出售给给废品回回收单位位，进入入社会废废品循环环。江江苏苏省扬力力集团在在该企业业内部将将每年数数千吨的的铁屑和和钢屑经经过分拣拣、压块块、配料料、熔化化浇铸出出高质量量的球墨墨铸铁件件，变废废为宝，，制成诸诸如压力力机曲轴轴等关键键零件，，如图5所示。图5由再生废废料制成成的压力力机曲轴轴（a.铸成的曲曲轴毛坯坯b.加工完成成的曲轴轴）2.10绿色化案例一：：森精机机NMV8000加工中心心图8NMV8000立式加工工中心NMV8000加工中心心绿色化化的主要要特征如如下：1）采用动动柱动梁梁箱中箱箱结构，，移动部部件质量量轻，减减少驱动动功率。。2)工作台采采用台中中台直接接驱动方方式，提提高了传传动效率率。3)排屑路径径通畅，，减少机机床热变变形。2.10绿色化案例二：：STUDERS242车磨复合合加工机机床图9S242车磨复合合机床为了大幅幅度提高高轴类高高精度零零件的加加工效率率，Studer公司推出出硬车削削和磨削削复合的的机床，，可配置置左右、、正斜砂砂轮架和和转塔刀刀架，三三种横向向砂轮架架和刀架架可有15种配置方方案，其其中之一一如图9所示。S242车磨复合合加工机机床绿色色化的主主要特征征如下：：1）

床身身采用GranitanS103人造花岗岗石。2）

硬车车时干切切削，不不使用冷冷却液。。3）采用斜斜床身，，排屑路路径通畅畅，切屑屑不与床床身直接接接触，，保持机机床的热热稳定性性。2.10绿色化案例三：：EMAGKoepfer300滚齿机EMAGKoepfer300卧式9轴数控滚滚齿机适适用于加加工中等等尺寸的的圆柱直直齿和斜斜齿齿轮轮，机床床的配置置和工作作区域如如图10所示。X、Y、Z轴分别为为径向、、切向和和轴向移移动，A、B、C轴分别为为滚刀头头架偏转转、滚刀刀和工件件旋转，，Q轴是辅助助工具控控制，W轴是尾架架移动，，V轴为装料料器控制制。2.10绿色化Koepfer300卧式滚齿齿机绿色色化的主主要特征征如下：：1）

床身身采用树树脂混凝凝土（人人造花岗岗石），，封闭箱箱形结构构，保证证动静态态的刚度度和热稳稳定性。。2）工件和和滚刀皆皆采用直直接驱动动，没有有机械传传动链，，提高传传动精度度和效率率。3）采用干干加工和和微量润润滑（MQL）。4）采用斜斜床身结结构。图10Koepfer300滚齿机2.11智能化如果说绿绿色机床床的愿景景是环境境友好，，那么智智能机床床的目标标就是用用户友好好。“用用户友好好”的含含义在于于大幅提提升工作作效率和和确保工工作更加加舒适且且安全。。这就要要求机床床能够自自主管理理自己，，自动识识别加工工任务和和加工状状态，无无需或很很少需要要人工干干预，同同时还能能够及时时与操作作者沟通通，变得得“聪明明”起来来，开拓拓数控机机床的新新纪元。。智能化是是21世纪制造造技术发发展的一一个大方方向。随随着人工工智能在在计算机机领域的的渗透和和发展，，为了满满足制造造业生产产柔性化化、制造造自动化化的发展展需求，，数控系系统引入入了自适适应控制制、模糊糊系统和和神经网网络的控控制机理理，不但但具有自自动编程程、前馈馈控制、、模糊控控制、学学习控制制、自适适应控制制、工艺艺参数自自动生成成、三维维刀具补补偿、运运动参数数动态补补偿等功功能，而而且人机机界面极极为友好好，并具具有故障障诊断专专家系统统使自诊诊断和故故障监控控功能更更趋完善善。伺服服系统智智能化的的主轴交交流驱动动和智能能化进给给伺服装装置，能能自动识识别负载载并自动动优化调调整参数数。世界上正正在进行行研究的的智能化化切削加加工系统统很多，，其中日日本智能能化数控控装置研研究会针针对钻削削的智能能加工方方案具有有代表性性。2.11智能化具体体现现在以下下几个方方面：（1）加工过过程自适适应控制制技术：：通过监测测加工过过程中的的切削力力、主轴轴和进给给电机的的功率、、电流、、电压等等信息，，利用传传统的或或现代的的算法进进行识别别，以辩辩识出刀刀具的受受力、磨磨损、破破损状态态及机床床加工的的稳定性性状态，，并根据据这些状状态实时时调整加加工参数数（主轴轴转速、、进给速速度）和和加工指指令，使使设备处处于最佳佳运行状状态，以以提高加加工精度度、降低低加工表表面粗糙糙度并提提高设备备运行的的安全性性；（2）加工参参数的智智能优化化与选择择：将工艺专专家或技技师的经经验、零零件加工工的一般般与特殊殊规律，，用现代代智能方方法，构构造基于于专家系系统或基基于模型型的“加加工参数数的智能能优化与与选择器器”，利利用它获获得优化化的加工工参数，，从而达达到提高高编程效效率和加加工工艺艺水平、、缩短生生产准备备时间的的目的；；（3）智能故故障自诊诊断与自自修复技技术：根据已有有的故障障信息，，应用现现代智能能方法实实现故障障的快速速准确定定位；2.11智能化（4）智能故故障回放放和故障障仿真技技术：能够完整整记录系系统的各各种信息息，对数数控机床床发生的的各种错错误和事事故进行行回放和和仿真，，用以确确定错误误引起的的原因，，找出解解决问题题的办法法，积累累生产经经验；（5）智能化化交流伺伺服驱动动装置：：能自动识识别负载载，并自自动调整整参数的的智能化化伺服系系统，包包括智能能主轴交交流驱动动装置和和智能化化进给伺伺服装置置。这种种驱动装装置能自自动识别别电机及及负载的的转动惯惯量，并并自动对对控制系系统参数数进行优优化和调调整，使使驱动系系统获得得最佳运运行；（6）智能4M数控系统统：在制造过过程中，，加工、、检测一一体化是是实现快快速制造造、快速速检测和和快速响响应的有有效途径径，将测测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操操作（Manipulator）四者（（即4M）融合在在一个系系统中，，实现信信息共享享，促进进测量、、建模、、加工、、装夹、、操作的的一体化化。2.11智能化智能化加加工系统统的四大大目标是是：1系统动态态优化。。将相关工工艺过程程和设备备知识加加以集成成后进行行建模，，进行系系统的动动态性能能优化。。2设备自适适应化。。开发新的的测量方方法、模模型和标标准，在在运行状状态下对对机床状状态监控控，借助助在线测测量、传传感和实实时分析析进行自自我诊断断和误差差补偿，，提高机机床的工工作性能能。3采用新一一代数控控系统。。与STEP-NC兼容的接接口和数数据格式式，使基基于CAD模型的机机器控制制能够无无缝运行行。4在加工过过程中直直接测量量刀具磨磨损和工工件精度度的方法法。2.11智能化1.智能主轴轴主轴是机机床的心心脏，它它的状态态直接关关系到加加工精度度和加工工效率。。德国阿阿亨工业业大学与与西班牙牙技术中中心合作作对主动动磁浮轴轴承的主主轴进行行研究，，借助磁磁浮轴承承中的力力、电流流和位置置传感器器，来测测量切削削力、以以及刀尖尖点的位位置、速速度、加加速度的的变化，，并基于于此开发发出高速速、高精精度的主主轴。瑞瑞士GF阿奇夏米米尔集团团生产的的MIKRONHSM系列高速速铣削加加工中心心可配置置智能加加工系统统，其功功能之一一就是加加工过程程监控，，以便用用户观察察铣削过过程是否否正常。。其原理理是在电电主轴壳壳体中前前端轴承承附近安安装了加加速度传传感器，，使铣削削过程中中产生的的振动能能够以加加速度““g载荷”值值的形式式显示，，如图5所示。图5具有振动动监控的的高速电电主轴2.11智能化振动大小小在0~10g范围内分分为10级。其中中，0~3g表示加工工过程、、刀具和和刀夹都都处于良良好状态态；3~7g表示加工工过程需需要调整整，否则则将导致致主轴和和刀具寿寿命的降降低；7~10g表示危险险状态，，如果继继续工作作，将造造成主轴轴、机床床、刀具具和工件件的损坏坏。而且且，控制制系统还还可预测测在该振振动级主主轴部件件可以工工作多长长时间，，即主轴轴寿命还还有多长长。在在过程程监控系系统中也也可由用用户设定定一个g极限值，，当振动动超过此此值时，，系统报报警并自自动停机机。系统统也可以以将某一一时段的的振动记记录下来来以便进进一步分分析，记记录的数数据包括括：日期期、时间间、g值、g极限、主主轴转速速、刀具具号、进进给率、、数控程程序块号号和程序序名。可可记录程程序块的的容量达达18,000个，如果果取时间间间隔为为2.5秒，可记记录过程程状态长长达12.5小时之久久。图6电主轴2.11智能化2.热变形补补偿机床热变变形是影影响加工工精度的的主要因因素之一一。产生生热变形形的因素素很多，，主要是是来自机机床的工工作环境境和机床床内部的的热影响响：1）环境境影响。。例如，，车间的的温度分分布和温温度变化化以及空空气对流流；日光光、暖气气和邻近近机床等等热源的的影响；；以及来来自机床床基础的的热传导导。2）机床内内部的影影响。例例如，机机床零部部件的发发热（轴轴承、丝丝杆、导导轨、电电动机、、齿轮、、液压系系统等）），切削削过程产产生的热热量以及及冷却系系统的发发热。上述热影影响对机机床结构构来说是是一种复复杂的热热输入，，它随时时间和机机床工作作状态而而变化，，是不可可预测的的，而最最终造成成机床热热变形的的大小和和部位还还取决于于机床结结构材料料的热性性能，即即材料的的热胀系系数、导导热率和和热容量量以及机机床的结结构设计计，即部部件形状状、质量量和热源源的分布布。2.11智能化因此，机机床结构构的热场场分布是是不均匀匀且不稳稳定的，，呈现为为一种动动态的三三维梯度度的热场场。为了了对机床床在工作作状态下下的热变变形进行行补偿，，还需要要考虑切切削和运运动载荷荷所造成成的变形形。这就就需要在在机床的的关键部部位安放放温度和和位置传传感器，，测出主主轴、3个坐标轴轴和环境境温度分分别造成成的误差差，最后后汇总为为δx、δy、δz，输入数数控系统统进行补补偿，其其原理如如图7所示。图7机床在载载荷下的的热变形形补偿原原理图2.11智能化3e-机床在高速加加工复杂杂的三维维轮廓时时，经常常遇到如如何优化化上三个个相互关关联的数数值：速速度、精精度和表表面光洁洁度。例例如，当当粗加工工模具时时，首先先应该考考虑速度度；在精精加工小小型精密密电极时时，精度度就成为为最重要要的；而而在光整整模具时时，追求求的却是是表面光光洁度。。如何在在不同情情况下，，合理配配置和优优化机床床的性能能来达到到目标，，是一个个复杂的的问题。。因为它它涉及数数百个CNC参数，，诸如如运动动控制制的算算法、、伺服服环的的增益益、前前馈、、平滑滑过滤滤器等等。Mikron机床产产品中中集成成了智智能化化的操操作者者支持持系统统（OperationSupportSystem），操操作者者通过过简单单的图图形界界面选选择速速度、、精度度和表表面光光洁度度的优优先级级，就就能够够方便便地设设定机机床性性能，，如图图9所示。。2.11智能化化从图中中可见见，操操作者者根据据精加加工和和精度度要求求的优优化目目标，，在触触摸屏屏幕上上选定定精度度和表表面质质量的的中点点（黄黄点）），然然后选选择复复杂程程度（（一般般、中中等、、复杂杂）和和工件件重量量（较较轻、、中等等、较较重）），系系统就就自动动生成成从粗粗加工工到精精加工工每一一工步步的机机床性性能和和切削削参数数。如如果选选择时时间优优先，，OSS将在角点处和和曲面处扩大大公差带。数数控系统将选选用快速方案案将工件切削削至要求的形形状，动力系系统将提供最最大加速度和和最快速度。。如果工机床床设定为精度度优先，OSS将缩小公差带带，满足高精精度要求。驱驱动系统将在在拐角点处或或曲面处降低低速度，以免免过切。为达达到高表面质质量，OSS将控制过渡点点，设置拐角角点和曲面处处的公差带，，机床将自动动平滑地提驱驱动力。图9操作支持系统统2.11智能化E-tower4智能化工厂将技术、营业业、生产、管管理等各部门门通过企业内内部互联网结结合起来，通通过各个部门门之间信息的的共享，以较较短的商品开开发时间和较较短的交货期期，为客户们们送上合适的的产品，而通通过缩短生产产到交货的时时间，可以大大幅度地降低低了生产成本本，这样的智智能化工厂是是我们与客户户一起推进的的目标。通通过这个系统统，加工机不不光是从相关关部门取得和和照会图面信信息、加工信信息、刀具准准备信息等，，通过加工机机发出的运行行状态、进展展状况等数据据，不但可以以实时地进行行生产管理，，还可以从远远距离进行监监控。在办公室里，，可以掌握到到关于现在机机器的运行状状况和生产指指示等所有的的信息。2.11智能化多媒体技术集集计算机、声声像和通信技技术于一体，，使计算机具具有综合处理理声音、文字字、图像和视视频信息的能能力，因此也也对用户界面面提出了图形形化的要求。。合理的人性化化的用户界面面极大地方便便了非专业用用户的使用，，人们可以通通过窗口和菜菜单进行操作作，便于蓝图图编程和快速速编程、三维维彩色立体动动态图形显示示、图形模拟拟、图形动态态跟踪和仿真真、不同方向向的视图和局局部显示比例例缩放功能的的实现。另外，在数控控技术领域应应用多媒体技技术可以做到到信息处理综综合化、智能能化，应用于于实时监控系系统和生产现现场设备的故故障诊断、生生产过程参数数监测等，因因此有着重大大的应用价值值。5利用多媒体技技术2.11智能化<IT作业指示书>通过手头的电电脑将作业清清单传送出去去，可以发出出作业指示。。<移动讯息器>即使是人在外外面，也可以以通过手机对对机器的运行行状况进行监监控。也可以以确认实机加加工时间，对对交货期进行行估算，可以以防止浪费，，进行合理生生产。在生产产现场，可以以提供操作员员所需的所有有信息。5.13信息网络化数控系统的网网络化，主要要指数控系统统与外部的其其它控制系统统或上位计算算机进行网络络连接和网络络控制。数控控系统一般首首先面向生产产现场和企业业内部的局域域网，然后再再经由因特网网通向企业外外部，这就是是所谓Internet/Intranet技术。随随着网络技技术的成熟和和发展，最近近业界又提出出了数字制造造的概念。数数字制造，又又称“e-制造”，是机机械制造企业业现代化的标标志之一，也也是国际先进进机床制造商商当今标准配配置的供货方方式。随着信信息化技术的的大量采用，，越来越多的的国内用户在在进口数控机机床时要求具具有远程通讯讯服务等功能能。5.13信息网络化数控系统的网网络化进一步步促进了柔性性自动化制造造技术的发展展，现代柔性性制造系统从从点(数控单机、加加工中心和数数控复合加工工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立立制造岛、FA)、体(CIMS）、分布式网网络集成制造造系统)的方向发展。。柔性自动化化技术以易于于联网和集成成为目标，同同时注重加强强单元技术的的开拓、完善善，数控机床床及其构成柔柔性制造系统统能方便地与与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息息集成方向发发展，网络系系统向开放、、集成和智能能化方向发展展。对于面临激烈烈竞争的企业业来说，使数数控机床具有有双向、高速速的联网通讯讯功能，以保保证信息流在在车间各个部部门间畅通无无阻是非常重重要的。既可可以实现网络络资源共享，，又能实现数数控机床的远远程监视、控控制、培训、、教学、管理理，还可实现现数控装备的的数字化服务务(数控机床故障障的远程诊断断、维护等)。5.13信息网络化数控机床的网网络拓扑结构构5.13信息网络化例如，日本Mazak公司推出新一一代的加工中中心配备了一一个称为信息息塔(e-Tower)的外部设备，，包括计算机机、手机、机机外和机内摄摄像头等，能能够实现语音音、图形、视视像和文本的的通信故障报报警显示、在在线帮助排除除故障等功能能，是独立的的、自主管理理的制造单元元。Mazak将IT与制造技术完完美结合三、我国数控控机床的发展展现状我国数控技术术的发展起步步于二十世纪纪五十年代，，通过“六五五”期间引进进数控技术，，“七五”期期间组织消化化吸收“科技技攻关”，我我国数控技术术和数控产业业取得了相当当大的成绩。。特别是最近几几年，我国数数控产业发展展迅速，1998～2004年国产数控机机床产量和消消费量的年平平均增长率分分别为39.3%34.9%。尽管如此，，进口机床的的发展势头依依然强劲，从从2002年开始，中国国连续三年成成为世界机床床消费第一大大国、机床进进口第一大国国，2004年中国机床主主机消费高达达94.6亿美元，但进进出口逆差严严重，国产机机床市场占有有率连年下降降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额额为8.78亿美元(7624台)，2003年达27.1亿美元(23320台)，相当于同年年国内数控机机床产值的2.7倍。三、我国数控控机床的发