数控机床发展趋势及现代化机械制造技术201208

数控机床发展趋势及现代化机械制造技术孙序泉

内容提要:一、数控机床的发展趋势二、我国数控机床与国外先进水平的差距三、现代化机械制造技术四、了解科技发展的最新动态，跟踪前沿技术五、站在企业角度,对工科院校人才培养的建议一、数控机床的发展趋势数控机床，它具有精度高、效率高、柔性好等特点，它的使用越来越普遍，与普通机床相比，具有无可比拟的优势,自动化程度大大提高，操作人员的劳动强度大大减轻。随着信息化带动工业化进程的加快，工业产品科技含量的不断提高，数控机床的应用面越来越广。国际上数控机床正向着高速度、高精度、高柔性、复合化、智能化和绿色环保方向发展。1.1高速度：1.1.1主轴转速高。数控车床主轴转速8000～10000r/min（盘类），最高可达20000r/min（棒料类）；加工中心主轴转速20000～30000r/min；目前世界最高转速可达100000r/min(瑞士MIKRON)有了高主轴转速，就可以实现高速切削。现在，刀具发展很快，可以实现高速切削。相比之下，机床的发展速度跟不上高速刀具的发展速度。要实现机床主轴的高转速，主轴的结构也要采取相应措施，通常采用内藏电机式主轴（电主轴），主轴轴承采用小直径陶瓷球轴承，用油雾或气雾润滑，更先进的采用磁悬浮轴承。

相应主轴组的动平衡等级也要提高，要达到G0.4或G0.1，主轴组动平衡的剩余不平衡量越小越好。高速主轴在设计时要考虑主轴组的冷却和主轴箱的对称散热，将高速回转时产生的热量迅速带走，使主轴组的温升小，保持热平衡。对高速切削刀具也提出了相应的要求，一是刀具材料要能适应相应的切削速度，二是回转刀具自身要达到高平衡等级的要求。1.1.2.工作台（拖板）的快速移动速度高数控车床拖板快速移动速度30～40m/min；加工中心拖板快速移动速度40～60m/min；如果采用直线电机驱动，可达100m/min。有了高的工作台（拖板）移动速度，可节省辅助时间，提高加工效率。1.1.3.换刀速度快。高速加工中心刀库的换刀速度(T-T)一般2～3Sec,(C-C)一般3～

5Sec，高速钻削中心T-T可达0.5Sec。换刀速度快,同样节省辅助时间,提高加工效率。1.2高精度---机床的加工精度高

反映数控机床精度的有三大指标:几何精度、位置精度和工作精度。所谓高精度，首先要保证机床的几何精度和位置精度高,然后才能保证加工精度高。以车代磨、以铣代磨的工艺在数控机床已很容易实现。以车削为例，IT6精度（如果直径为Ø100mm，公差带为0.022mm）的零件以前必须要磨削，现在可以以车代磨；在高精度的数控车床上，加工精度可以达到IT5（Ø100mm，公差带为0.015mm），甚至淬硬的零件（HRC60以上）也可以实现以车代磨。在加工中心上以铣代磨也很普遍，特别是机床导轨面的加工，普遍采用以铣代磨的工艺，精度完全可以保证，加工面的表面粗糙度可以达到Ra0.8,导轨的直线度0.005mm/m。

由于有高精度的数控机床，传统的加工工艺发生了变化，生产相同数量的零件，机床的配置减少，原来需要配车床和磨床的工艺方案，现在只要数控车床就能满足；原来需要配铣床和磨床，现在只要配数控铣床即可，等等。虽然刚开始设备投入成本增加，但生产运行成本大大降低。纳米(nm)技术发展很快,纳米级超精密加工机床在世界上已经问世。该机床的出现,使加工精度至少提高两个数量级(从μm级提高到0.01μm-0.001μm级)。2007年3月在台北的机床工具展览会上，已见到纳米级加工机床的实物。2011年11月在上海新展馆举办的中国国际工业博览会上，上海机床厂展出了一台纳米级精度微型数控磨床，重复定位精度可以达到50nm。要实现高精度，在机床设计时必须要采取相应的措施，如提高整机的动态性能、提高机床的热稳定性并有热变形的补偿、采用闭环控制、刀具磨损的自动测量和补偿等。对纳米级加工机床，要引入全新的设计理念，从机床结构、数控和伺服系统、测量及反馈技术到使用环境都要有新的要求。1.3高柔性与刚性生产线相比，数控机床的柔性大大提高。变换品种时，只要相应改变夹具、刀具和加工程序即可，非常方便，可节省很多专用工装和调试的辅助时间。若干台数控机床还可组成柔性生产线（FML）、柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS），自动化程度更高。1.4复合化

单一功能的数控机床逐步向复合数控机床发展。如车铣复合加工机床，有卧式车铣复合，也有立式车铣复合，既能完成车削功能，又能完成铣削功能；车磨复合机床，车削工序完成后，安装在机床上的磨头对需要磨削的部分进行磨削，还可以在机床上进行局部淬火，然后再磨削；铣磨复合加工机床，先完成铣削，再进行磨削，等等。工件一次装夹，可以完成全部或大部分工序，实现全工序加工（completemachining）。

这些机床对特定零件的加工非常合适，一台机床代替多台机床，提高生产效率，降低运行成本，减少设备的占地面积，节约能源。在国外的机床展览会上，有些机床你很难说它是一台车床还是铣床，只能说以车为主，或以铣为主，还有其它加工功能，针对性较强，用户一看就知道这种机床适合他们哪种零件的加工，有很高的性价比。1.5智能化数控机床本身就有智能化的含义。随着科学技术的不断发展，智能化的内容也不断扩充，如伺服参数的自动优化、自适应控制切削技术、自学习功能、自动编程技术、零件图像自动识别技术、自动上下料技术、柔顺性装配技术、故障自诊断技术等。数控系统运用人工智能技术和先进的自适应调节技术，能感知影响其加工精度和效率的系统内部和外部的诸因素，并能找出解决问题的各种办法，而且快速做出实现最佳的智能决策，使机床的加工过程始终处于最佳状态，保证产品最佳状态下的最高生产率。

此外，现场工业总线技术和网络技术的不断发展和完善，使得数控机床与数控系统、数控机床与外部网络（包括物联网）的接口大大简化，以适应网络协同设计、制造、动态联盟、远程调试和故障诊断的需要。

1.6绿色化干切削和微量润滑切削方法以及油气液净化技术逐步得到推广应用，实现绿色制造。为防止或避免冷却液、润滑液对周围环境造成危害，冷却液雾中油的浓度要求低于5-0.5mg/m3，达到环保、节能、降耗的目标。

为实现绿色化制造，要求发展各种节能、省地、环保型机床。为满足干切削和准干切削等要求，刀具相应要跟着发展。润滑也一样，对润滑油的品种、润滑方式、润滑油量的大小、润滑油的回收及油水分离等都要进行深入研究。以上是国际上数控机床的发展趋势。有了先进的、高技术的工作母机，装备制造业的水平就可以提高和发展，进而推动整体工业水平的提高。二.我国数控机床与国外先进水平的差距我国的第一台数控机床诞生于1958年，是清华大学与北京第一机床厂联合制造的数控铣床（数控系统是晶体管分立元件组成）。从那时到现在已经54年了。54年来，尤其是改革开放以来，我国的数控机床发展很快，品种比较齐全，数控机床总产量已居世界第一位（包括经济型数控机床和电加工机床在内）。2.1中国的数控机床水平提高很快

2012年4月16日至20日，在南京国际展览中心举办了第七届中国数控机床展览会，800多家企业展出了数控机床主机、数控系统、工量具、机床功能部件和配套件。除少量国（境）外产品外，绝大部分都是国内企业的产品，充分显示了中国机床工业的实力和水平。总结起来，有如下几点：这次展品中，数控机床主机720多台，其中大型机床主机200多台，重型、超重型主机70多台。在金属切削机床类产品中，大型机床尤为突出，与几年前相比，大型机床发展迅速。大型龙门加工中心、数控落地镗铣加工中心、数控重型立车、大型滚齿机和铣齿机等，纷纷亮相。在龙门加工中心产品中，有工作台移动式，也有龙门移动式；有定梁式，也有动梁式；有带A/C摆头的五轴联动型，也有A轴摆动+B轴或C轴（回转工作台）回转型，最大龙门宽度超过5m。2.1.1数控机床水平提高很快● 大型机床发展迅速

产品各具特色，都是围绕用户需求而开发的。就规格品种而言，与发达国家的产品已没有太大差距。现在国内已能生产镗杆直径Φ320mm的数控落地镗铣床和回转直径Φ22m的数控重型立车，可部分满足特大型零件的加工要求。除大型机床外，其余参展产品规格、品种较齐全。各种金属切削机床，冲、剪、折弯、激光切割等板材加工设备，电火花加工机床，超高压水切割机床，工业机器人，高中低档数控系统和伺服系统，机床电器，各种量仪量具和工具，功能部件及配套件等，都有先进的产品展出，为用户的选择提供了较大的空间。值得一提的是，在机床防护罩的制造方面，已有专业厂提供全方位的配套服务，按用户要求从外形设计、钣金件制造到油漆全部做好，拿到主机厂装上即可。这也是机床外观质量能得到较大提高的措施之一。● 参展产品规格多，品种较齐全参展产品中，复合机床品种很多，有车铣复合、铣车复合、车磨复合加工机床等，工件一次装夹，可完成全部或大部分工序，减少零件装夹次数，提高加工精度和加工效率；机床速度有较大提高，主轴转速6000r/min的加工中心已很普遍，国家数控机床重大专项的加工中心主轴转速已达20000r/min，工作台快速移动速度达到60m/min。●机床性能有很大提高

机床精度也有较大提高，以数控车床和加工中心为例，主轴径向跳动<0.003mm，中等规格的数控车床和加工中心定位精度可达到0.005mmm，重复定位精度可达到0.003mm，可以保证机床有较高的加工精度；在机床的总体布局和结构设计方面，也有较大创新，模块化设计、采用隔振减振技术、隔热和热平衡技术、误差的测量和补偿技术等，在部分机床上已得到应用，实现了机床从类比设计向科学设计和现代化设计的跨越。国产机床性能的提高在一定程度上缩短了与国际先进水平的差距。从机床造型设计、钣金件制造到机床色彩搭配和油漆质量，各企业都朝着机床是“艺术品”方向努力，塑造宜人感，一改过去呆板的造型设计、粗造的钣金质量和单调的油漆颜色。以前在国外的国际机床展览会上，不要走近，老远就能看出是中国的机床，在外观质量方面与国际先进水平差距很大。今天，再拿中国机床与国外机床相比，在外观质量方面已看不出有多大差别，有的机床造型甚至比国外机床还好。● 机床外观质量有显著改善“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，2009年、2010年、2011年和2012年国家共安排了300多项课题，涉及数控机床主机产品、数控系统、功能部件及关键部件、共性基础技术、应用示范工程建设和创新平台六个方面。2013年立项的课题也于今年6月初通过了评审。国家重大专项实施三年多来，部分课题已经完成，并有成果产品参展。2.1.2 国家高档数控机床重大专项的实施已初显成果具有代表性的加工中心和数控车床中，宁江机床厂的THMS6350高速精密卧式加工中心，工作台尺寸500x500mm,主轴最高转速20000r/min,工作台快速60m/min，定位精度0.004mm，重复定位精度0.002mmm；THM63100卧式精密加工中心，工作台尺寸1000x1000mm,定位精度0.005mm,重复定位精度0.003mm，已实现了课题合同的技术指标。青海第一机床厂的HMC100S高速卧式加工中心、沈阳机床集团的高速龙门五轴加工中心、北京一机床的精密加工中心、北京机电院高技术股份有限公司的高速立式加工中心和大连机床集团的CHD25A（Φ650x1000/1500）卧式车铣复合加工中心，九轴五联动。这些都是数控机床重大专项课题的产品，课题的完成对提升我国高档数控机床的水平起到了积极的推动作用。在功能部件方面，南京工艺装备制造有限公司的JF16020TR-11-T5/10975X10000（长度为10m）大型超长重载滚珠丝杠副，是为长行程重型机床配套的滚珠丝杠。此外，在专项成果的基础上，该公司又开发了内冷空心滚珠丝杠和螺母旋转型滚珠丝杠副等新产品。

数控系统是数控机床的核心控制部分，长期以来，中、高档数控机床的数控和伺服系统一直依赖进口。华中数控股份有限公司通过专项计划的实施，提升了产品的档次和可靠性，高、中档数控系统在中国市场的销售已占一定份额；广州数控设备有限公司承担了两项专项课题：“全数字高档数控装置”和“全数字驱动装置及交流伺服电机、主轴电机”，已完成了从经济型向中高档数控系统的转化。相信在不久的将来，国产数控系统将在国内数控机床的配套中唱主角。围绕航空航天、船舶、汽车和发电设备等国家重点项目的用户需求，国内主机厂和用户紧密结合，开发了一批数控机床新品参加了本次展览会。风电行业对大型齿轮（内、外齿圆柱齿轮）的加工提出了高效的要求，国内主机厂先后开发了大型高效数控成形铣齿机。南京工大数控科技有限公司展出的SKXC-4000/35型数控高效成形铣齿机，最大加工齿轮直径Φ4000mm，铣齿效率是滚齿的3倍，是插齿的6倍。2.1.3围绕国家重点项目，开发适销对路产品

除南京工大数控外，南京二机床、重庆机床厂、长机科技等也都展出了数控成形铣齿机。五面体龙门加工中心和数控落地镗铣加工中心是风电壳体加工的关键设备，多家企业展出的加工中心就是以风电壳体为加工对象。汽车发动机的缸体、缸盖是发动机的关键零件，提高加工精度和自动化程度一直是发动机行业追求的目标，大连机床集团展出了D01X自动生产线，由两台加工中心和两个桁架机械手组成，体现了智能化、柔性化和模块化。

北京机电院高技术股份有限公司的MK8232数控曲轴磨床是专用于加工汽车发动机曲轴，具有精度高、柔性好的特点。沈阳机床集团展出的GMC4080wmh（工作台尺寸4000x8000mm）动梁龙门移动式加工中心也是针对大型零件的加工而开发的。南京数控机床有限公司的CKW1480型数控车床，双主轴、双刀架，工件先夹持在第一主轴上，完成一端的加工后，由第二主轴自动将工件接过去并夹紧，完成另一端的加工，一台机床实现两台机床的功能，这也是应重点用户的要求而开发的。

南京大地水刀股份有限公司展出的超高压水切割机在金属、非金属难切割材料的加工方面显示出其独特的优势，利用高压水的能量进行切割，切割过程中产生的热量被高压水迅速带走，工件不产生热变形，产品已在高速列车零件的加工等方面得到广泛应用。威海华东数控股份有限公司的GT2000数控螺旋锥齿轮铣齿机，最大加工直径Φ2000mm,最大模数30mm，六轴五联动，是目前国内最大规格的螺旋锥齿轮铣齿机，为重型机械设备中锥齿轮的加工创造了条件。正因为有机床主机厂和用户的通力合作，使国家重点项目所需的关键设备国内能得到部分解决，打破了完全依赖国外的局面。2011年4月11日至16日，在北京中国国际展览中心（新馆）举办了第十二届中国国际机床展览会。有28个国家和地区的约1400多家企业参展，其中境外企业650家。展品汇集了世界先进技术的最新成果，代表了当代世界机床工具技术的发展方向。2.2世界先进国家数控机床的水平也在不断提高国内机床参展厂家的参展规模也很大，参展的机床品种较多，其中围绕国家高档数控机床重大专项的实施，项目承担单位都展出了自己科技攻关的最新成果，产品包括数控机床主机、数控和伺服系统、液压夹紧卡盘和油缸、数控回转工作台、数控转塔刀架、刀库、滚珠丝杠、滚动导轨、各种刀具等，这些都代表了我国数控机床、数控系统和功能部件的最高水平。2.2.1从国外参展的机床产品看，有如下特点：

机床功能复合化德国DMG公司展出的CTXbeta1250TC4A车铣复合加工中心，双主轴、双刀架。上刀架为摆动式车/铣动力刀架，摆动角度为±120º，配有刀具库和换刀机械手，可以实现车削和铣削功能，铣削刀具最高转速12000r/min；下刀架为12工位转塔车/铣动力刀架，动力刀具最高转速10000r/min,刀架带Y轴，Y轴垂直行程±40mm，同样可以实现车削和铣削功能。工件在主轴和副主轴上进行同步加工，完成全部或大部分工序，生产效率大大提高。2.2.2世界先进国家数控机床的水平也在不断提高

除DMG公司外，德国的INDEX公司、美国的HAAS公司、奥地利的WFL公司和emco公司都展出了双主轴、双刀架或多刀架的车铣复合加工机床。与单一车削功能的数控车床相比，功能扩展很多，单机的自动化程度也大大提高。带A/C轴摆角铣头的五轴龙门加工中心展出较多

带A/C轴摆角铣头的五轴龙门加工中心可实现五轴联动，这类机床以前对中国是禁止进口。随着中国机床的不断发展，五轴联动的龙门加工中心我们自己也能生产了，为了抢占中国这个大市场，有些国家不得不放宽对中国进口的限制。这次西班牙、意大利和日本的部分生产商都展出了带A/C轴摆角铣头的五轴龙门加工中心。除展出主机外，意大利的生产商还单独展出A/C轴摆角铣头，这也是中国生产龙门加工中心厂家进口较多的独立部件。精密机床各具特色

以车削为主的精密机床以美国的Hardinge（哈挺）公司、德国的SPINNER（斯宾纳）公司和瑞士的SCHAUBLIN（肖布林）公司的产品为代表，展出的产品虽然精度不是最高，但也代表了精密机床的先进水平，加工精度达μm级，做到以车代磨，还可以进行硬车削（车削HRC60-65的工件）。精密加工中心以瑞士MIKRON（米克朗）公司和德国的DMG公司的产品为代表，各坐标轴都采用全闭环控制，定位精度≤0.005mm，重复定位精度≤0.002mm。除精度高外，还具备5轴联动和高速切削功能。国外展出的这些机床既具有一定的通用性，又有较强的针对性，瞄准我国某些行业的加工需求，提供包括编程、夹具、刀具和检测在内的成套技术。总体看，国外先进国家的数控机床，无论在精度、性能、加工效率，还是在成套性等方面，水平都在不断提高。

中国是数控机床生产大国，但不是强国，大量生产的是中低档次，高档次机床大部分还从国（境）外进口。中国同时也是数控机床消费大国，近几年从国（境）外进口数控机床的产值一直居世界第一位。根据中国机床工具协会的统计信息，2010年我国数控机床进口94.2亿美元，同比上升60%。2011年的进口额继续上升，达到120亿美元。从国家或地区分，从德国、日本进口最多，约占60%，从瑞士、意大利、西班牙、美国、英国、法国、奥地利和东欧国家进口约占20%，其余20%从中国台湾和韩国进口。2.3我国数控机床与国际先进水平的差距

中国从国（境）外大量进口数控机床且呈逐年上升的趋势，这一严峻的事实应该引起机床行业的高度关注，如果不改变这一局面，我们将继续被动。但认真分析，我们确实还存在较大的差距，主要表现在性能、精度、精度保持性、可靠性、数控系统和关键功能部件方面。我国的数控机床总体说来功能比较单一，车就是车，铣就是铣，磨就是磨，复合加工机床品种较少。国外复合型机床品种较多，车铣（铣车）复合、车磨复合等，还有的机床集车、铣、滚齿、激光淬火、磨削于一体（针对特定零件），工件一次装夹，完成全部加工工序。复合机床一台就可以替代几台机床的功能，减少零件的装夹次数，加工精度高，效率高，减少设备占地面积，节约能源。虽然量不大，但单台机床的价值很高。2.3.1性能

每一个小行业，国外都有相应的高效、量体裁衣型机床来满足你，尤其是汽车零部件大批量生产的行业，国外基本上都采用柔性的、量体裁衣型、高效专用数控机床，变换品种也很方便，既有刚性线的效率，又有柔性线的灵活，用户非常欢迎。而我们往往是用通用型的机床去面对各个行业，效率和精度都得不到充分发挥。

我们现在的数控机床，普通精度的多，高精度的少。像主轴跳动，我们还停留在μm级，国外高精度机床主轴径向跳动0.1-0.05μm,一般的量表已无法测量；机床的定位精度≤0.003mm，重复定位精度≤0.002mm；加工精度可以达到IT4，有的加工精度更高，已经跳出公差等级的概念。我们现在一般只能达到IT6-IT5。除新机床精度高以外，精度保持性是用户最关心的问题。2.3.2 精度和精度保持性

为什么国外的机床精度保持性好，使用3-5年后精度（机床的几何精度、位置精度和工作精度）基本保持不变，而我们的机床难以达到，除制造手段之外，设计是非常重要的环节。怎样保证机床的动、静刚度，怎样保证热平衡和控制热变形，怎样采取减摩措施等，要用科学方法，靠经验设计和类比设计是不行的。我们这方面的差距还比较大。为什么高精度的机床给国外公司垄断，也是原因之一。在控制机床精度和精度保持性方面，有很多影响因素，需要一一加以分析，综合解决。

在数控机床的可靠性方面，我国的数控机床有了较大提高。以数控车床为例，整机的可靠性指标之一：平均无故障时间（MTBF）由“七五”期间（1986—1990）的200h提高到现在的900h，经过20年的努力，平均无故障时间提高了700h，这是很大的进步。但与国际先进水平相比，仍然有一定的差距。国际先进水平MTBF可以达到1200-1500h。2.3.3 可靠性

按现在对机床可靠性的理解，除减少故障产生的内涵外，还应有提高机床精度保持的内涵，即机床的精度保持性。影响机床可靠性的因素主要有三方面：机床的可靠性设计水平、制造质量和关键功能部件的质量。在机床设计时要对影响机床可靠性的因素进行分析，并采取相应措施加以解决；制造工艺要满足设计的要求，采用全生命周期管理技术对产品从制造过程、交用户使用、用户信息反馈到产品的可靠性增长设计进行全过程控制；关键功能部件的选用要能满足整机技术指标的要求，随着世界经济一体化进程的加快，配套件实现国际化采购，这个差距可以逐步缩小。

数控系统和关键功能部件的差距也很大。从总的发展趋势看，国产数控系统发展很快，特别是中低档次的数控机床，国产数控系统占绝对优势，价格便宜，维修方便。但中档次以上的数控机床国外系统仍然唱主角，主要是日本的FANUC和德国的SIEMENS公司，在功能、成套和可靠性方面，有明显的优势，这也是我们必须认真对待的主要问题。国家把数控系统作为战略产品来对待，说明它在国民经济的地位。国家也曾连续报道国产数控机床和数控系统，象广州数控、华中数控的数控系统，水平都有较大提高，这对打破国外对我国的垄断和封锁有重要意义。目前，要在系统的可靠性和成套性方面继续努力。2.3.4 数控系统和关键功能部件

关键功能部件和配套件门类很多，包括轴承、滚珠丝杠、滚动导轨、动力卡盘、油缸、转塔刀架、刀库、液压系统、润滑系统、冷却系统、电气元件、检测元件等，国内都能生产，但质量有差距。要在现有基础上进一步提高，才能适应现代数控机床发展的要求。分析我国数控机床与国际先进水平的差距，并不是把我们说得一无是处，而是要从差距中找出措施和对策，尽快提高我国数控机床自身的水平。相反，如果一味依赖国外，我们将永远被动，永远落后。落后是要挨打的。

为了发展我国的装备制造业，逐步缩小与国际先进水平的差距，国家在中长期发展规划中，将“大型、精密、高速数控设备和数控系统及功能部件”列为16个重大技术装备关键领域之一。机械工业科技发展规划中也将“大型、精密工作母机及关键功能部件”列为重点发展目标，重点发展面向机床制造业的高精度、智能化、复合化工作母机、高性能数控系统和关键功能部件。因为国外是不可能将最先进的技术卖给我们，即使花大价钱也买不到。所以国家提出不能走引进—落后—再引进—再落后的路子，要自主创新，建立创新型国家。通过创新，发展有自主知识产权的产品，缩小与国际先进水平的差距。

“十一五”高档数控机床科技重大专项的实施，部分产品水平已经有了较大提高。“十二五”期间，国家还将继续实施“高档数控机床科技重大专项”，在已经取得阶段性成果的基础上，再上一个台阶。相信通过该专项的实施，我国数控机床的整体水平一定会有较大的提高，与国际先进水平的差距会继续缩小。三、现代化机械制造技术

现代化企业的运行要抓住三个“流”：物流、信息流和资金流，机械制造企业也同样如此。现代化机械制造技术中将物流和信息流通过数字化技术融合在一起，正朝着单机自动化、生产线柔性化和信息集成化方向发展。3.1 向自动化、柔性化和集成化方向发展

3.1.1 单机自动化

传统的机械制造，都是一人一机一把刀，已远远不能适应现代制造业发展的需求，数控机床的应用，加工效率和精度都有了很大提高，国际上数控机床的加工精度每10年提高一个数量级。在满足加工精度的前提下，为进一步提高自动化程度和效率，减少人为因素的影响，要求数控机床向单机自动化方向发展，工件一次装夹，完成全部或大部分工序，减少零件装夹和周转次数，减少机床使用台数，节省占地面积。（１）棒料类零件：数控车床+成组棒料送料装置，自动送料、自动加工、自动接料。一根棒料用完后，自动更换棒料，除刀具磨损需更换备用刀具外，可以做到24小时不停机，一人可以看管多台机床。对以棒料为加工对象的大批量生产零件，非常合适，效率和自动化程度大大提高。N–088型数控自动车床+成组棒料送料装置（２）件料类零件：ａ、 单主轴或双主轴、双刀架数控车床+自动上下料机械手，组成车削加工单元；b、单主轴或双主轴+换刀机械手和刀具库的复合刀架的车铣复合加工机床;c、多工位柔性组合机床：传统的组合机床都是刚性线，一台组合机床对应加工一种零件。现在的组合机床，在刚性线高效率的基础上，提高了柔性，一台机床可以适应成组技术中的一类零件（结构相似，工艺相近），只要相应更换夹具和刀具，调整加工程序即可。（3）五面体加工中心：对箱体、壳体、底座类零件，在五面体加工中心上一次装夹可完成除安装基面以外的其余五面的加工。五面体加工中心很多，有龙门式，也有床身式。（4）五轴联动加工中心：对具有复杂型面的零件，五轴联动加工中心可以完成加工，X、Y、Z、A（B）、C五轴联动。3.1.2生产线柔性化（FMC，FMS，FML）

（１）

FMC——一台数控机床（包括刀库）+若干个工件托盘+工件装卸站+管理计算机，就组成最基本的FMC，除上下工件外，不需要人工干预，实现混流自动加工。美国的HAAS公司生产现场大件加工基本上都是这种形式。（2）FMS（FML）——多台数控机床+中央刀具库+物料输送小车或机器人+工件缓冲站+清洗系统+机外检测系统+毛坯库+成品库+中央管理计算机，组成FMS或FML。混流加工，工件自动识别，自动装夹，自动找正工件基准，加工程序自动调用，关键尺寸机内在线自动检测和自动补偿，刀具磨损检测和破损监控等，自动化程度更高，柔性更好。日本FANUC公司的生产车间有多条FMS，整个车间只有5个管理人员，已接近无人化工厂。在装配自动线上，用机器人装配机器人，用机器人装伺服电机，装配和检测过程全部自动化。3.1.3信息集成化国外虽然不讲CIMS，但实际上就是按CIMS在运行，还融入了ERP的内容。订单+CIMS（包括FMC、FMS及相应的数据库和管理软件）+工厂管理系统，构成现代化机械制造企业的运行模式，将各种信息（销售、制造、质量、服务、管理）集成起来，既有CIMS的内容，也有ERP的内容，形成信息集成的数字化工厂。企业的管理者，无论在哪里，都可以随时掌握企业运行数据。有了信息集成化技术，机械制造业的技术和管理水平就上升到了一个新台阶。

任何信息技术的集成，一要有底层基础数据的支撑，二要针对具体的应用对象，有不同的实施方案。根据生产批量、精度和生产纲领，有相应合理的配置，是采用单机自动化，还是柔性线。在技术方案可行的前提下，还要考虑经济成本，将技术与市场、技术与经济结合起来，做到资源合理利用，信息技术共享，生产效率高，运行成本低，综合效益好。

信息技术的集成，无论是用在FMC、FMS还是CIMS，要保证单元或系统的正常运行，必须要有各种成熟的先进技术作支撑：（1）保证数控机床的整体刚性和热稳定性技术；（2）数控机床、机器人、机械手等运动精度的保持性和整机的可靠性技术；（3）由于温度影响而产生变形的测量和补偿技术；（4）刀具破损的检测技术（声发射、主轴轴承外圈贴应变片、主轴扭矩测量等）；（5）工件自动识别技术；（6）切削参数的优化和数据库建立技术；（7）自适应控制技术；（8）柔性制造系统的故障自诊断技术；（9）适应绿色制造的结构设计和润滑液、冷却液、切屑分离技术……。3.2 绿色制造技术绿色制造，又称清洁生产（CleanProduction—CP）和面向环境的制造（ManufacturingForEnvironment—MFE），是20世纪90年代国际上提出的。“国家中长期科学和技术发展纲要（2006—2020年）”在制造领域的“发展思路”第⑵条中明确提出：“积极发展绿色制造。加快相关技术在材料与产品开发设计、加工制造、销售服务及回收利用等产品全生命周期中的应用，形成高效节能、环保和可循环的新型制造工艺。制造业资源消耗、环境负荷水平进入国际先进行列。”绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代化制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装到报废整个生命周期中，对环境负面影响极小，综合效益最大，并使企业经济和社会效益协调优化。传统制造工艺绿色化主要针对传统生产制造工艺过程，研究符合清洁生产、减少排放的工艺方法、材料等绿色制造工艺技术，为传统加工过程实现清洁化、无害化提供技术支撑。包括：（1）铸造工艺及生产过程——基于干砂造型的消失模铸造工艺；采用5轴数控铣床直接切削出铸造用模型，实现无模铸型的快速制造（适用于大型铸件的单件、小批生产）；（2）锻造工艺及生产过程——采用精密锻造技术，精密冲压技术；（3）近净成型制造技术；（4）切削加工过程——干式切削技术、微量润滑切削、油雾分离技术、低温切削技术、绿色环保切削液（满足铁屑沉降的同时，不产生腐蚀，毒性小，生物降解性高）；（5）热处理工艺及生产过程——可控气氛渗碳及真空淬火技术；（6）焊接工艺及生产过程——焊接过程中气体的回收及处理技术。………3.3 再制造技术

国外工业发达国家再制造产业已经形成相当大的规模，具备一定水平的再制造技术，特别是在废旧产品的再制造加工方面形成一系列的专业技术和设备，有力地推动了制造产业的发展。目前国际上在汽车、工程机械、机床等产品领域开展了再制造技术研究和应用，已取得了显著的效果。再制造的主要特征：再制造零件质量和性能达到新品质量，成本约为原新品的50%，节能60%，节材70%。通过再制造，可以对废旧物质回收利用，回收产品制造阶段中的附加值（材料、费用、技术及劳动力等），可以最大化地利用废旧机电产品资源，节约原生资源的消耗，节省能源。我国每年汽车报废量110—160万辆，电视机报废量500万台，电冰箱报废量400万台，洗衣机报废量600万台，机床报废量10—15万台。迫切需要解决废弃产品处理的资源浪费和环境污染问题，解决产品绿色回收和再制造。四、了解科技发展的最新动态，跟踪前沿技术4.1 数控机床的关键技术有哪些？如何突破并解决？4.1.1 整机的动态性能4.1.2 整机的热稳定性4.1.3 机床的三大精度（1）几何精度，（2）位置精度——直线坐标或回转坐标的定位精度、重复定位精度，（3）工作精度——加工件的尺寸精度、形状和位置偏差、表面粗糙度。4.1.4 机床的功能（1）高速主轴系统的设计，30000-60000r/min，主轴结构、传动方式、轴承、润滑、温控、动平衡。（2）运动部件快速移动速度（20m/min、40m/min、60-100m/min）的实现方案：20m/min——伺服电机+普通滚珠丝杠传动；40m/min——伺服电机+大导程滚珠丝杠传动；60-100m/min——直线电机驱动（测量装置、温度控制、振动、噪声）。（3）快速运动部件的防护装置。（4）多轴联动的实现方式：机床结构（X、Y、Z+A/C摆头，并联机床）和控制系统。

以上4.1.1-4.1.4个方面，在机床设计时就要进行动、静态分析和结构优化设计，计算包括主轴系统在内的各部分的固有频率，整机的振型，动静刚度；分析机床的热源分布和实现整机热平衡的措施；分析受力变形、热变形对加工精度的影响并从结构设计和材料选用上采取相应的措施等等。每一方面，都有许多研究课题。

4.2 金属切削加工技术的新发展4.2.1金属切削刀具随着刀具材料、精密模具、涂层技术的发展，刀具的切削速度越来越高，切削速度超过1000m/min的高速刀具已经较普遍。现在是机床的发展赶不上刀具的发展速度。以数控车床为例，Φ10mm直径的工件，要实现1000m/min的高速切削，机床主轴转速要达到31000r/min，现在的数控车床主轴转速达不到这个要求，迫使机床要以更快的速度发展。

除切削速度外，刀具的精度和耐用度也大大提高。高精度的数控机床配上精密刀具实现精密或超精密加工；刀具耐用度的提高可以降低机床的运行成本。在刀具的设计和使用方面，注意：

（1）高速回转刀具的夹持和动平衡；（2）高速刀具的切削用量与加工精度、刀具耐用度的关系，在保证加工精度和刀具耐用度的条件下，选择最佳切削参数。4.2.2金属切削工艺参数（1）不同金属材料、刀具品种、加工精度要求有相应的切削工艺参数数据库。这个数据库的建立既要有理论分析和试验的基础，也要有实际应用经验的积累，两者结合起来，切削参数数据库就能不断完善，更具科学性。（2）为适应高速切削，对数控系统也有相应要求，要有高速插补运算速度和超前程序预处理功能。4.3 测量和自动补偿技术测量技术包括对机床性能、精度的测量和加工工件精度的测量。机床的动态性能、热变形、静刚度、几何精度、位置精度和工作精度如何测量、用什么方法、什么仪器，指标如何评价等，有了测量技术的保证，才能正确评价机床的性能和各项精度。

机床性能和精度指标的保证是加工精度保证的前提。由于加工工件尺寸精度和形位公差受各种因素的影响（机床、夹具、工件材料、刀具、切削参数等），需要对加工工件的精度进行在线或离线测量，并可进行误差的自动补偿或人工补偿，这是