圍（wéi）繞質量、效率和工藝變革的要求，我（wǒ）國機械製造工藝裝備——主要是數控設備在技術層麵發生了深刻的變化。數控（kòng）機床功能不斷豐（fēng）富，采用（yòng）了工序、工藝集中化和複合（hé）化技術；機床在結構布局和（hé）新材料應用方麵都有了新（xīn）發展（zhǎn）；數控技術在開放化、智能（néng）化、網（wǎng）絡化、高（gāo）速高精化方麵取得了新發展。其目（mù）的都是為了提高生產效（xiào）率，提高精度（dù），保（bǎo）證質量和實現效益大化。 

    不斷追求高質量和高效率是機械製造業研究的永恒主題和目標，是促進其工藝裝備發展的源動力。工藝（yì）要求和變革（gé）是機械製造（zào）工藝裝備（bèi）技術（shù）發展創新和變革的（de）根據和基礎。 

　　國產數控（kòng）機床走過了50年發展的漫長曆程，在近10年來得到了較快發展，特別是得到了政府的重視，設（shè）立了重大技術攻關專項，有效地促進了數控機床的發展。 

　　目前，國產數控機床可供品種達1500多（duō）種，覆蓋了（le）數控金屬切削機床、數（shù）控板材加工機床（數控衝壓機床、數控激光加工機床、火焰切割機床等）、數（shù）控電加工機床、工業機器人、三（sān）坐標測（cè）量機等，種類基本齊全。2010年數控金屬切削機床保有量約為150萬台（其中進口超（chāo）過40萬台），僅金屬切削機床（chuáng）的（de）年產量（liàng）就超過了16萬台、2011年1~10月（yuè）份累計達到21.8萬台、全年可達到（dào）25萬（wàn）台左右。國產品牌數控機床的（de）數量和價值占國（guó）內市場50%以上。在代表先進技術水平的五軸聯動和複合加（jiā）工中心（xīn）、數控係統和其他配套技術（shù）產品方麵也（yě）都取得了新進展。本文主要圍繞數控技術發展與差距展開討論。 

　　追（zhuī）求高生產率 

　　為了追求機（jī）械製造的高生（shēng）產率，促進數控設備向加工複合化（huà）（工序複合和工藝複合）、高速化、智能化、網絡化、工藝參數優化（huà）方向發展。 

　　1複合化

　　數控機床複合加工（gōng），主要指工序集中化、複合化和工（gōng）藝複合化。 

　　1.1工序集（jí）中化、複合化（huà） 

　　自從20世紀70年代末，隨著三聯動加工中心（xīn）開始用（yòng）於機械製造，開始進（jìn）入機械（xiè）加工工序集中化時代。20世紀80年代（dài），我國自製的三聯（lián）動加工中（zhōng）心也開始在（zài）機（jī）械製造中得到應用，主要是用於箱體件（jiàn）和模具加工（gōng）。在一次裝卡（kǎ）中就可以實現鏜、銑、鑽、攻絲等多道工序，提高了加工效率和（hé）精度。 

　　2000~2011年是我國（guó）數控機床發展快的時期。在此期間，自（zì）主開發了五軸聯動加工中心、車銑複合加工（gōng）中心、車（chē）銑磨複合加工中心（xīn）和磨削複（fù）合（hé）加工中心等。有的國內製造（zào）廠商已經能夠提供五軸聯動和多軸聯動複合加工中（zhōng）心等，但有一些是屬於重大專項攻關產品，有待進一步商品化和產業化。 

　　.1.1五軸聯動加工中心 

　　國內生產五軸聯動加工中心的廠（chǎng）家正在不斷增加。如沈陽機（jī）床廠生產的GMC2590μ橋式五軸聯動加工（gōng）中心（xīn）、VM22120μ立（lì）式五軸（zhóu）加工中心、VMC05656e門式五軸加工中心、HS664RT五軸高速加工中心；大連機床產生的VDM500五軸立式加工中心；北京機電院生（shēng）產的XKR32G五軸聯動加工中心和XKH800五軸聯動葉片加工中心；濟南二機（jī）床生產的XV2525×60高架式五軸聯動加工中心等都能實（shí）現一次安裝完成（chéng）零件的銑、鏜、鑽、鉸、攻絲等多道工序。 

　　開發五軸聯動加（jiā）工中心有2個關（guān）鍵核心部件技術難度較大，一個是雙擺角（jiǎo）萬能加工頭；一個是（shì）雙軸回轉台（見圖2）。這2種（zhǒng）部件（jiàn）國內廠商也已開發出來，但有待進一步的完善和商品（pǐn）化。雙擺角萬能加工頭（tóu）用於大型機床，雙擺軸回轉台用於（yú）小型機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機，並裝有編碼器，以（yǐ）提高動態性能和精度。 

　　雙擺角萬能加工頭（tóu）技（jì）術難度更大一些。國內某廠商開發的（de）一種直驅雙擺角萬能頭的主（zhǔ）要參數如下： 

　　額（é）度扭矩：A軸500~1000Nm（可（kě）選）、C軸660~2000Nm（可選）； 

　　定位精度：±2“、±2.5”、±3“、±5”（可選）； 

　　絕（jué）對編碼器分辨率（lǜ）：26位、29位（可選）； 

　　擺角（jiǎo）範圍：A軸±110°、C軸±360°。 

　　我（wǒ）國還沒有形成雙擺角萬能頭係列化商品，而國際（jì）上（shàng）像德國（guó）CYTEC公司（sī）可以供應係列化商品。 

　　1.1.2車銑複合加工中心 

　　車銑複合加工中心（xīn）既有在數控車床基礎上開發出來的，也有在立式加工中心基礎上開發出來的。如（rú）南京數控機床有限公司生（shēng）產的CK1840S型車銑複合加工中心是（shì）在數控車床基礎上開發出來的。該機床具（jù）有雙主軸、雙刀架、雙C軸和W軸，共7軸，分為二組三聯動全閉（bì）環控製。其中C軸分辨率達到0.001°。該機（jī）床對回轉體（tǐ）零件一次裝卡可完成車削、分度偏心鑽削（xuē）、定（dìng）位銑削等多道工序，即1台車銑複合加（jiā）工中心能完成2台（tái）數控車床的加工（gōng）工序（xù），提高效率1倍，且因能減少二次安裝（zhuāng）誤差而提高了精（jīng）度。安陽鑫盛機床股份有限公司生產的CX110立式車銑複合加工中心，是在立式加（jiā）工中心基礎上增加車削裝置開（kāi）發出來的。該機（jī）床具有車、鏜、銑、鑽、鉸、攻絲等功能（néng），可實現五軸聯動的五麵加工。此外大連機床開發的VHT800五軸聯動車（chē）銑複合（hé）加工中心、CHD25五軸聯（lián）動車銑複合加工中心；武漢重型機床集團公司開發（fā）的WHGS7000車銑複（fù）合加工中心等，也（yě）都能（néng）實現（xiàn）零件（jiàn）一次裝卡，完成複雜結構和複雜（zá）型麵零件（jiàn）的多道工序加工。 

    據有關資料顯示，1台（tái）五軸聯動（dòng）加工中心或多工（gōng）序複合加工（gōng）中心比三聯動（dòng）加工中心能提高生產效率1倍以上。多軸聯動（dòng）和複（fù）合加工不但能提高生產效率，而且減少了（le）二（èr）次安裝誤差，提高了精度和質量（liàng）。國內已（yǐ）經可以生產五軸（zhóu）聯動加工中心和多軸聯動複合加工中心，但有些屬重大攻關產品還有待進一步商品化和產業化。 

    2高速化 

　　為實現數控加工高（gāo）速化，傳動係（xì）統采（cǎi）用（yòng）直驅技術，數控（kòng）係統采用高速運算處理技術。 

　　2.1直驅技術 

　　為了提高生（shēng）產效率，數控機（jī）床（chuáng）傳動部件逐步采用直驅技術。主軸（zhóu）采用電主軸直驅，進（jìn）給采用直線電機驅動，回轉工作（zuò）台采用力矩電機直驅，五軸聯動的擺角萬能頭采用力矩電機直（zhí）驅（qū）等。 

　　早在2000年以前，我國就開始了直驅技（jì）術的研究與（yǔ）開發。目前山東博（bó）特精工股份有限公司和洛軸（zhóu）研科技股（gǔ）份有限公司都能生產和供應電主軸係列產品，北京首科凱奇電氣（qì）技術有限公司也開發了直（zhí）線電機。用（yòng）戶對以（yǐ）上產品性能和技術指標反應良好，但與（yǔ）國外（wài）先進水（shuǐ）平相（xiàng）比還有（yǒu）差距。 

　　目前，國外先進的電（diàn）主軸單元轉速可達15000~100000r/min，一般的用到（dào）40000~50000r/min的較（jiào）多。采用直線電機直驅的進給部件既要求速度高，還要求有高的加減速功能。快速移動速度可達60~200m/min，加速度達（dá）2g~10g；工作進給可高（gāo）達60m/min以上，加速度達1g~2g。采用傳統的滾珠絲杠傳動（dòng）的（de）進給部件的進給速度（dù）為20~30m/min，加速度（dù）為0.1g~0.3g；一般情況下，進給速度為30m/min左右。直驅比（bǐ）用滾珠絲（sī）杠驅動的進給速度提（tí）高了（le）1倍以上，從而減少了輔助時間，提高了生產（chǎn）效率。直線（xiàn）電機驅動技（jì）術有著廣闊（kuò）的應用前景，但還（hái）需進一步降低成本和解決（jué）發熱問題。 

　　目前，我國一些廠（chǎng）家（jiā）開發（fā）的數控機床已采用了直驅技術。如濟南（nán）二機床開發的XHV2525×60高架式（shì）五軸（zhóu）聯動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了（le）直線電機驅動。北京機電院開發的XKR32G五軸聯動加工中（zhōng）心工作台的2個回轉軸采用力矩電機直驅，XKH800五軸聯動葉片加工中心的（de）主軸（zhóu）采用電主軸直驅等。國內數控機（jī）床采用直驅技術還處於初級階段（duàn），還不普遍，在性能方麵還存在一定差距。而德國DMG公司每年生產的數（shù）控機床中有1500多台采用了直驅技術。德國巨浪（làng）公司生產的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉速達40000r/min，換刀時間低於0.6s，進給加（jiā）速度達1g~2g，快速進給速（sù）度可達90m/min，工件交換時間為2s。 

　　2.2數控係統高速運算處理技術 

　　高速直驅進給要求數控係統運算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑（jìng）加（減（jiǎn））速優化程序段預處理能力。較先進的數控係統可預處理幾千和幾萬個程（chéng）序段。在多軸（zhóu）聯動控（kòng）製時可根據預處理緩衝區的G代碼進行加減速優化處理（lǐ）。為保證加工速（sù）度，第六（liù）代數控係（xì）統每秒可進行2000~10000次進給速度改變。 

　　3智能化（huà） 

　　為追求數控機床加工效率和加工質量，數控係統不但有自動編程、前（qián）饋控製、模糊控製（zhì）、自學習控製、工藝參數自動生成（chéng）、三維刀具補償、運動參數動態補償等智能化功能，並有故障診斷專家係統，使自診斷（duàn）和故障監控功能（néng）更趨於完善。伺服驅動係統智能化，能自動感知負載變化，自動優化調整參數。 

　　國產（chǎn）數控係統正在努力朝智能（néng）化方向發展，引入了（le）一些智能化技術。比（bǐ）如華中的“中華8型（xíng）”和凱恩帝K1000TIV型（xíng）等，數控（kòng）係統都具有自診（zhěn）斷功能、狀態實時顯示（shì）和故（gù）障實時報警等智能化功能，並都在進一步豐富（fù）和完善（shàn）智（zhì）能化技術。 

　　國（guó）外如西門子、發那科、三菱生（shēng）產的數控係（xì）統融入的智能化技（jì）術更為豐富。國產數控係統與之相比還有不少差距（jù）。如西門子的SINUMERIK828DBASICM具有圓柱形零件加工智能（néng）坐標轉換功能（néng），具有（yǒu）SINUMERIKMDynamics工藝包，含有全（quán）部“精優曲麵（miàn）”功能，可以（yǐ）實（shí）現高效加工和獲得加工（gōng）佳表麵（miàn）質量。發那科的Oi-D和OiDMate具有有輪廓（kuò）智能控（kòng）製功能、30i/31i/32i/35i-MODELB係列數控係統是新的（de）人工智能納米級係（xì）統，能靈活地支持鏜銑加工中心（xīn）、數控車床多軸（zhóu）聯動複合加工機床等。智能化（huà）技術對於提高數控加工（gōng）機床生產效率有（yǒu）極大（dà）的貢獻率，必須（xū）重（chóng）視。 

　　4開放化和網絡化 

　　數控裝置（zhì）的開放化可以更容（róng）易地實現智能（néng）化（huà）網絡化（huà）製造，有效（xiào）地促進生產效率的提（tí）高。 

　　4.1開放化 

　　開放式數控裝置是指硬件、軟（ruǎn）件（jiàn）和總線對用戶是開放（fàng）的（de）。開放式數控裝置主（zhǔ）要的優點是具有更好的通用性、靈活性、適應性和可擴（kuò）展性，可以（yǐ）滿足用戶二次開發的要求。 

　　4.1.1NC和CNC概念及開放化 

　　目前，數控裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路（lù）組成的數控裝置被稱為NC裝（zhuāng）置；由（yóu）計算機硬件和軟件共同組成的（de）數（shù）控裝置被稱為CNC數控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎，軟件是整個CNC運行和功能實現的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。 

　　CNC數控裝置硬件除具有（yǒu）CPU、EPROM、RAM外，還（hái）有位（wèi）置控製器、手動輸入（MDA）接口、顯示（CRT）接口和PLC接口等，因此CNC數控裝置是（shì）一種專用計算機。 

　　CNC軟件分為管理軟（ruǎn）件和控製軟件2種。管（guǎn）理軟件用於管理零件程序的輸入輸（shū）出、刀（dāo）具位置係統參數（shù）、零件程序（xù）顯示、機床狀態故（gù）障診斷及報警等。控製軟件（jiàn）由譯碼、插補、運算、刀具補償、速度控製、位置控製等軟件組成。 

　　現代開放式數控裝置主要是在PC機平台（tái）上（shàng）開發的（de）CNC數控裝置。我國“華中8型（xíng）”數控（kòng）裝置采用（yòng）了基於多處（chù）理器的開放式軟硬件體係結構和自主創（chuàng）新的總線（xiàn）技術（shù）。硬件跨平台，軟（ruǎn）件可以置換，具有軟硬件（jiàn）多層次開（kāi）放功能（néng）。北京凱（kǎi）恩帝（dì）的K1000TIV數控裝置采用開放式PLC，提供調試軟件支持用戶二次開（kāi）發。廣州數控的GSK25i數控裝置也采（cǎi）用了（le）開放式PLC，支持PLC梯形圖在線編輯、診斷及信（xìn）號跟蹤功能。 

　　4.1.2標（biāo）準與規（guī）範 

　　能否實（shí）現（xiàn）數控裝置的開放化與建（jiàn）立技術標準和規範密（mì）切（qiē）相關。數控技術誕生50多年來，信息交換都是（shì）基於ISO6983標準，即采用G、M代（dài）碼描述如何加（jiā）工。顯然，該標準越來越不能滿足現代數控技術高（gāo）速發展的要求（qiú）。 

　 歐美和日本等國家在20世紀90年代（dài）就開始（shǐ）研究製（zhì）定了開放式數控裝置的體係結構規範（OMAC、OSACA、OSEC），開發了開放（fàng）式數（shù）控裝置並作為（wéi）發展戰略。我國於2000年也開始研究並製定了開放式數控裝置規範框架，但還很不（bú）完善。 

　　4.2網絡化 

　　網絡化（huà）有利於信息共享和提（tí）高生產效率。有資料介紹在多品種小批量生產中，1台數控機床用於切削的時間隻占機動時間的25%~35%，聯成網絡後，可以提（tí）高（gāo）到60%~65%。 

　　數控的網絡化技術，主要是指數（shù）控係統與外部的其他控製係統或上位機進（jìn）行網絡連接和網絡控製。數控係（xì）統首（shǒu）先（xiān）麵向企業內部局域網，然後再經因特網向企業外部傳輸。這就是所謂的（de）Internet/Intranet。網絡可使（shǐ）企業與企業（yè）之間進行跨地（dì）區協同設計、協（xié）同製造、信息共享（xiǎng）、遠程（chéng）監控、遠程診（zhěn）斷和服（fú）務等（děng）。網絡能為製造提供完整的生產數據信息，可以通過網絡將（jiāng）加工程序傳給遠方的機床進行加（jiā）工，也可遠程診斷並發出指令調整。網絡使各（gè）地分散數控機床聯係在一起，互相協調，統一優化調整，使產品（pǐn）加工不局限於一個工廠（chǎng）內而（ér）實現社會化生產（chǎn）。 

　　我國的機械製造企業信息化集成的發展也比較快，實現了車間級（jí）和（hé）企業級信（xìn）息網絡集成。數控的網絡化發（fā）展前景廣闊，但真正（zhèng）實（shí）現跨企業、跨地區的（de）信息化網路還有很長的（de）路要走。 

    5優化工藝（yì）參數提（tí）高效率 

　　數控加工采用的工藝（yì）參數是否合理，對於提高生產效率和保證（zhèng）加（jiā）工質量非常重要，必須逐步進（jìn）行優化並建立工藝數據庫。 

　　優化工藝參數有2種方法。一種是通過實際試切來選（xuǎn）擇合理的工藝參數，費時、費力、費材（cái）料（liào）；另一種方法是應用（yòng）力學動態優化（huà）仿真（zhēn）方法，比（bǐ）第一（yī）種方法省時、省力、省材料，同樣可以獲得（dé）較合理的工藝參數。在生產實踐中，還可以對這些參數進行合理的調整。 

　　航空（kōng）行業是數控機床的大用戶，對優化工（gōng）藝參數、建立工藝數據庫，並應用（yòng）到生產實踐中有急（jí）切的需（xū）求。因此，由政府支持組織北京航（háng）空航（háng）天大學和中航（háng）工業北京（jīng）航空製造工程研究所開展優化工藝參（cān）數技術攻關。以上單位開發了一（yī）整套工藝參數力學動（dòng）態優化仿真、預測和數字化軟硬（yìng）件係統，建立了優化工藝參數數據庫，形成（chéng）了優化高速切削（xuē）工藝參（cān）數手冊（cè），從根本上實現了工藝參數選（xuǎn）擇從試切到仿真的跨越，提高了加工效率和質量。這是（shì）一項意義重大而又深（shēn）遠的工作。 

　　陝西飛機製造公司在近（jìn）100項（xiàng）零（líng）件加（jiā）工上應用了優化的工藝參（cān）數，平均加工效率提（tí）高了2倍以上；望江工業有限公（gōng）司在火炮零件加工中采用優化工藝參數，效率提高了4倍以上；昌河飛（fēi）機工業（集團）公司采用優化工（gōng）藝參數加工鋁合金（jīn）零件，效率提高（gāo）了2.8倍以上。 

　　西門子828D數控係統具有動態工藝包（Dynmics），含有全新的“精優曲麵”功能（néng），可以實現高效加工並獲得佳（jiā）表麵質量。 

　　我國數控設備生產企業也應該提供（gòng）這方麵（miàn）的技術和服務。采用工藝優化參數不但（dàn）可以提高生產效率和提高加（jiā）工質量，而且對節省材料（liào）、節能減排，實現綠色製造有著重（chóng）要意（yì）義。 

　　追求高精度高質量 

　　追求數控機床加工工件的高精（jīng）度和高質（zhì）量。首先數控機床本身必須具有這樣的（de）性能。為此（cǐ），數控機床在結構和布局上，在材料選用上必須考慮到提高剛性和承載能力，以保證實現高精度（dù）；同時數控係統、伺（sì）服驅動係統、傳動係統（tǒng）和測量傳感器等也必須具有高分辨率、高（gāo）精度的性能（néng），才能滿足加工工件高精度、高（gāo）質（zhì）量的要求（qiú）。 

　　1結（jié）構布局（jú） 

　　為了實現功能和提高剛（gāng）性，數控車床、車削中心、立式加工（gōng）中（zhōng）心（xīn）、臥式加工中心、龍門加工中心、車銑（xǐ）複合加工中心等在結構布局方麵（miàn）發生了深刻變化。 

　　例如（rú），國內有些廠家生產的立式加工中心和臥式加工中心，橫向坐標（biāo）采用立（lì）柱移動，這樣減少了一層工作台（傳統結構是雙層十字工作台），提高了工作台的剛性和承載能（néng）力；龍門加工中心從工作台不動、雙立柱移動（dòng）發展成橋式結構，即工作台固定，2個立柱做成固定式牆體（tǐ），在牆體上麵裝有導軌，橫梁在導軌上做縱向運動。這種結構減少了運動部件的質量和運動慣性，有利於準定（dìng）位，減少了占地麵（miàn）積。 

　　 2采用新材料提高剛性 

　　用於數（shù）控機床的優質新（xīn）材料的（de）開發與應用，有利於提高數控機床整體剛性和精度，非常重要。 

　　此外，還有資料顯示，蜂窩狀材料、水（shuǐ）泥材料、天（tiān）然花（huā）崗岩石材等也有用於數控設備的情況（kuàng）。重視新（xīn）型材料的開發與應用，必然（rán）使機床結（jié）構設計和（hé）性能（néng）發生變革。 

　　3高精度插補數控係（xì）統 

　　高位數CPU（64位）在數控裝置上的應用，高（gāo）速納米級插補運算、高分辨率伺服等功能為提高數控（kòng）機床精度（dù）做出（chū）重要貢獻。 

　　在數控機床上應用的CPU，從20世紀80年代的（de）16位發（fā）展到現在的64位，其（qí）頻率也從原來的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發展進一步提高了運算速度和分（fèn）辨率（0.1μm、0.01μm）。國產數（shù）控係統開始采用（yòng）64位CPU，可實現（xiàn）微米級精度插補，但與（yǔ）國外先進數控係統相比還有距（jù）離。 

　　 例如，發那科30i/31i/32i/35iB係列數控係統、三菱M700V數控係統、西門子的828D數控係統為都是納米級插補或納米級運算（suàn）精度。 

　　實現納米級精度插（chā）補，伺服驅動係統控製分辨率和響應能力是非常關鍵的。為此，在驅動單元之中伺服電機軸上安（ān）裝高精度傳感器（16×106線/轉），在閉環係（xì）統中采用高分辨率（lǜ）（1μm）的光（guāng）柵尺，可使小型數控機床的運動部（bù）件定（dìng）位精度達到2~3μm。一般情況下，國產小型數控機床還達不（bú）到這樣的水平。