數控機床發展現狀和創新理念

韓文淵 上海第三機床廠 (200032)

韓文淵（1959年~） 男，大專。長期從事機械機床的設計與制造工作，先后擔任木工機械、雕刻機械、數控銑床、加工中心的設計，現在上海第三機床廠從事產品開發與設計等工作。

0 引 言

我國戰略性新興產業的崛起，使機床業與10年前相比又到了一個發展的新節點。中國機床業做精做強、不斷創新是我們走向世界的必須，因此機床行業正在以新的面貌、新的理念得到新的發展。

1 國內外數控機床的發展現狀

機床發展正加速體現制造業的三大技術特征：復合化、自動化、智能化。其具體表現是：

(1)減少工序的更換，提高效率；

(2)加強工序集約，提高精度；

(3)采用高速、高精度運動，提高切削效率、零件表面質量，減少后續工序；

(4)工作臺自動交換，縮短輔助時間；

(5)五軸、復合加工，使得復雜零件加工變得容易，能夠促進零件結構改進；

(6)利用多任務的復合機床和智能化機器人等柔性系統，實現多種類型工件的連續自動加工。

圖1所示為奧地利林茨機床廠的WFL系列重載車銑加工中心，是業內具有震撼力的大型重載復合機床，可以認為是較具代表性，以車床為基礎設計的復合機床。

圖1 林茨機床廠的WFL系列重載車銑加工中心

該系列重載車銑加工中心，是復合加工技術的完美表現。針對大型復雜的回轉類零件，通過一次裝卡，允許裝卡長達6.5m的復雜工件，能夠在任意角度完成車、銑、鏜、滾齒、插齒、深孔鉆、內腔加工乃至磨削加工等，機床的5軸聯動功能可以加工任意幾何型面。復合加工思想得到極大體現，工序集約程度空前強大，柔性加工能力更高，從圖2可見此理念。

圖2 機床的各類加工模式

為實現上述工序集約能力，WFL機床集合眾多創新技術思想，以完善的技術手段，整機的巧妙布局完美地達到這些復合加工理念。

圖3所示是沈陽機床廠生產的汽車輪轂加工單元，為高效智能的柔性單元，能進行多種工件（尺寸、形狀、加工工藝）的混流生產。它主要由VTC6664vwh雙托盤雙刀架立式車削中心，VMC0745d立式加工中心和機器人自動搬運系統組成。

圖3 汽車輪轂加工單元

該柔性單元整合多項技術，從其控制操作顯示面板可以看到該柔性單元由輪轂型號自動識別系統、尺寸自動測量系統、氣門孔加工前視覺識別系統、加工程序自動生成系統、廢品自動剔除系統等裝置組成，由此實現輪轂全過程的自動化、智能無人化加工，見圖4。

圖4 控制操作顯示面板

一般認為復合機床和柔性制造系統最能反映機床制造技術的綜合實力與創新能力，反映制造業的需求和特征，它們往往整合了各項新技術、新工藝，并對數控機床的發展，有著很強的引領和啟發作用，一定意義上代表了新時代數控機床深入發展的趨勢，表現了數控機床發展的技術特征。

2 國內數控機床特色產品

2.1 多條柔性生產線齊亮相

大連機床、沈陽機床、北京一機床，江蘇新瑞等廠商研制的產品，均有各自特點。特別是國內廠商在汽車生產線領域實現零的突破，凸顯我國機床制造業在集成技術上已得到大幅提升。其中大連機床的兩條生產線：DKX057發動機缸體柔性生產線，見圖5，DXGT-0001發動機缸套柔性生產線，見圖6，顯示了大連機床的綜合實力和競爭力。DKX057線的加工材料為特種合金鑄鐵（HT250），生產節拍≤3.56min；DXGT-0001線的加工材料為硼合金鑄鐵，生產節拍≤80s；這兩條生產線的零件傳輸，均采用滾道和桁架機械手并用方式，實現高柔性化、高自動化，工序能力指數Cpk值≤1.33。

圖5 DKX057發動機缸體柔性生產線

圖6 DXGT-0001發動機缸套柔性生產線

2.2 高精、高能、高速成為機床發展趨勢

精密、高性能作為機床的本質要求，始終是機床發展過程中予以探索與追求的目標。北京機床研究所的NANO-TM500超精密納米級精度車銑復合機床，就賦予我們新的設計思路，見圖7。

NANO-TM500機床溜板采用直線電機對稱雙驅動結構，納米級分辨率，X、Z軸最小移動控制量為1nm，實現納米插補； B軸轉臺采用氣靜壓軸承，高分辨率直驅結構，最小角度控制量為0.000 01°；主軸采用高精度氣靜壓軸承、整體電主軸結構，并具有Cs軸功能，整機控制聯動軸數為4軸。機床高精度加工效果：工件表面粗糙度≤5nm，可應用于光學平面、球面及非球面零件的超精密加工。

圖7 NANO-TM500機床

直線電機、直接驅動、雙驅動技術、在線自動測量等技術的廣泛應用，給高速、高精度機床設計制造，不斷注入活力，許多廠商的機床均體現了這一點。南通科技的MCH63精密臥式加工中心，大連機床的VDBS65高速精密立式加工中心，是其中具有代表性的機床。圖8是南通科技的兩款機床：MCH63精密臥式加工中心和VH1100高速立式加工中心，從圖8中機床布局、結構上，可看出這些技術的應用。

圖8 MCH63精密臥式加工中心（左）VH1100高速立式加工中心（右）

2.3 復合機床涌現量大

常見復合機床主要是以車銑（銑車）為復合加工形式，并通過五軸功能，進行復雜曲面加工。高比率復合機床的涌現，表明機床業內對車削中心和加工中心，這兩者技術集成能力提高。技術創新應用，使復合機床的種類和功能不斷擴大，工序集約能力不斷提高。

以數控銑床、加工中心類機床為基礎，來看復合機床，較典型的有大連機床的VHT800五軸聯動立式車銑復合加工中心，安陽鑫盛機床CX110100立式車銑復合加工中心，見圖9。這兩款作為數控機床科技重大專項成果，體現了機床高速、高精、五軸、復合的技術特性。它們的回轉工作臺（臺面直徑VHT800為?800mm；CX110100為?1 100mm），均采用力矩電機直接驅動，應用車削模式時，其最高轉速前者為600 r/min，轉臺由煙臺環球制造；后者為500r/min，采用德國技術定制。

圖9 CX110100立式車銑復合加工中心

圖9 是CX110100立式車銑復合加工中心的三維造型，顯然這是以五軸立臥式加工中心為基礎，增加了車削裝置而構成。銑削主軸成45°角擺動（B軸），內置電主軸，油霧潤滑，HSK-A100刀柄，14 000r/min轉速。為提高B軸擺動軸剛度，采用兩端支承，前端組合軸承，后端增加徑向支承軸承，與其他相類似的擺動軸比較，這是一個特點。機床線性絲杠軸，采用雙絲杠驅動技術，并應用絲杠中心循環冷卻，三向快移速度60m/min。轉臺（C軸）力矩電機的輸出扭矩（連續/30min）為5 400/6 200Nm；定位加工時，轉臺采用軸向液壓制動；轉臺支承軸承脂潤滑、空氣密封技術；力矩電機采用油循環冷卻。

大型復合機床方面，沈陽機床的VT350140lg立式車銑磨及淬火復合加工中心很有亮點，機床總體采用移動雙立柱，橫梁升降式結構，回轉工作臺靜壓軸承支承，見圖10。對一個大型的回轉支承類零件加工，通常需4～5道工序和機床，VT350140lg通過強大的全自動交換功能，采用多種附件頭配置，見圖11，實現一臺機床就能完成全部加工，充分顯示其復合機床的工序集約能力，及其高精度、高效率加工。

圖10 VT350140lg立式車銑磨及淬火復合加工中心

圖11 VT350140lg機床附件頭配置

VT350140lg還應用了多項先進技術：

(1)回轉工作臺（C軸）采用伺服雙電機功能：當車削為主運動時，雙電機起增力作用；當C軸參與五軸加工時，雙電機雙驅技術來實現齒傳動消隙功能；

(2)橫梁升降W軸，采用雙絲杠各帶減速器雙驅動技術，雙光柵尺反饋；

(3)經過受力分析精密計算，確定變形位置和量，橫梁采用仿形加工技術；

(4)多工位刀夾、萬能磨頭、激光淬火頭，這些新技術應用，增加刀庫刀具數量，提高了工藝能力。

2.4 智能化技術被普遍應用

北京一機床的BHBM200數控落地銑鏜床，是一款高精度機床，見圖12，機床的滑枕和鏜桿懸伸運動，其懸伸撓度具有自動偏差補償功能。比如沈陽機床的HMT40100h復合車銑中心，其主軸軸向溫升帶來的尺寸變化，具有自動補償功能，該機還具有主軸三維防碰撞技術，在零件周圍設置臨界區，主軸發現危險后自動實現碰撞規避。又如前述的汽車輪轂加工單元，更具備多項智能化技術，比如具有輪轂型號自動識別系統、廢品自動剔除系統等智能化技術。

圖12 BHBM200數控落地銑鏜床

2.5 技術創新應用，帶來思維的革命性變化

沈陽機床的VMC850u超聲波立式加工中心，見圖13，采用超聲波旋轉主軸技術，可以對一些難加工的材料進行加工，比如針對硬碎材料如玻璃、陶瓷石英等，軟質材料如碳纖維板、石墨、純銅等。 其構成：超聲波發生器—主軸—超聲波旋轉刀把—產生有利于加工件波譜的頻率（20kHz～30kHz，頻率可調）。其特點：

(1)采用超聲波旋轉刀把，使用一般傳統加工用的刀刃，即可對上述材料進行加工；

(2)無須特制即可配合刀庫自動換刀；

(3)使用普通刀具轉速，即可達到30萬r/min高速主軸所產生的效果；

(4)輸出能量可作調整，可以通過刀庫自動換刀實現。

從該機床技術構成要素來分析，可以看到它體現了集成創新的思想。該機集成了超聲波技術，臺灣旭泰的主軸，核心是超聲波旋轉刀把技術；以及結合該廠的立式加工中心機床，從而開發具有新技術特色，功能新穎的創新產品。

圖13 VMC850u超聲波立式加工中心

3 機床的創新開發設計思想

在新時代新形勢下，面對機遇和挑戰，要想有所作為，求得行業間較高的競爭力，求得機床發展的更廣闊空間，那么創新思維是立足之本。同時應通過多觀察、多思考，來預期機床發展的各種要求、特性；同時關心機床周邊技術的信息與應用，并具有整合進機床的設計能力，由此來實現可能的機床開發設計，這是機床創新開發設計的基礎。

而說起創新，我們往往是口號說得多，真正正視它在產品開發設計中的體現，研究如何實踐創新比較少。放眼世界，在各項工作中，要有所突破進步，創新意識的樹立是基本條件，在機床產品設計開發中尤其如此。從上海第三機床廠的設計經驗來看，筆者認為創新的基本方法主要還是體現在消化吸收創新和集成創新這兩種形式。

3.1 消化吸收創新是企業產品設計極其重要的方法

對踏入或涉及新機床類型的設計者來講，要想入門且有所建樹，首要方法總是消化吸收創新。它有三個特點：

(1)提升知識，形成自身技術；

(2)成為企業共有資源，要求看得見摸得著，實現企業技術的可持續發展；

(3)具備了量的積累，開拓創新有基礎。具體表現為：

一讀—產品圖樣理解掌握；

二問—多角度、多方向請教技術細節，能夠去偽存真；

三看—觀察車間現場裝配的機床、展會等渠道的同行產品；

四琢磨—通過探討把“讀問看”與理論知識相聯系，融會貫通上升為自身技術；

五創新—增長見識，豐富和閱歷，設計講原理，創新靠思想。

“讀、問、看、琢磨、創新”5字訣的意義很重要。一個有所作為的設計人員，必然通過5字訣的方法，把一些機床典型核心結構轉變為自身技術，對這些典型核心結構不是簡單直接的抄襲、放大或縮小，而是能夠做出原理分析而真正應用，為創新設計數控機床打下基礎。值得一提的是，在這一過程中，要注意集體智慧的汲取，比如從裝配、檢驗、工藝等師傅口中，可以直觀地了解掌握不少技術原理、細節、信息；同樣還可以通過社會化的交流，比如展會、講座等渠道，來積極獲得信息與技術。

3.2 對新穎產品的開發，主要是采用集成創新的方式

可以看到各類數控機床一些功能的設計，均采用技術集成的手段加以實現。它需要我們具備“海量”信息支撐，閱歷與技術能力的厚積底蘊，設計思維創新意識。由于功能件技術的社會化生產，專項技術的專業化技術協作制造，使得數控機床的整機功能、性能，更多地以集成創新實現，即以整合各項技術的能力，來體現集成創新的水平。

例如上海第三機床廠XH766A臥式加工中心，為滿足切削加工精度，實現主軸高轉速和大扭矩輸出，滿足動柱式機床主軸箱運動的動態性能，整機集成了主軸恒溫冷卻技術、自動切換的高性能減速器技術、3DR減壓閥重力平衡技術等。這些技術集成的創新應用，使機床整機的性能達到了新高度。因此隨著時代發展，對于新工藝、新性能、新功能而不斷提出的機床設計要求。一個成熟的技術人員，應該有能力采用集成創新的手段，設計開發新產品，使之跟上時代步伐，滿足并引導市場需求。

3.3 在集成創新過程中，技術集成的選用技巧與水平，也體現出創新能力

例如上海第三機床廠的動柱式機床，其主軸箱運動的重力平衡，從該廠技術而言，可以采用3DR減壓閥液壓平衡技術，也可以應用氣平衡技術，還可以應用錨泵平衡技術等多項選擇。又比如數控機床的閉環控制，是選用光柵尺還是磁柵尺，也有多項選擇。因為多樣化技術對機床性價比、可靠性、技術集成是否受制于人等，具有重要意義，同時也體現出技術可持續應用的手段。

由此對影響設計人員技術集成能力的因素，提出兩點看法：

(1)積極的捕捉技術信息，并能予以正確消化和掌握；

(2)持嚴謹設計態度，克服浮躁心態。對此兩點認識舉例說明：比如立式加工中心的Z軸導軌絲杠防護所采用的卷簾式拉罩有多種結構形式，而能否合理化地設計，則取決于對拉罩的見識和機床工況分析，故新選型設計的拉罩，對切屑的防護及走向，其可靠性更能滿足實際工況，見圖14。

所以說對創新設計而言：嚴謹作風很重要，浮躁作風要不得；不能等他人的設計再參考；參考借鑒要有獨立原理分析和正確應用。

圖14 立式加工中心Z軸防護罩的改進思路

3.4 具有特色的創新，形成獨立自主技術

對此認識還是要著重強調：見多識廣是基礎，技術能力是條件，還要有強烈的創新意識，三者不可缺一。自主創新對企業影響力的擴大有重大意義，我們的境界應靠向特色的創新能力，設計人員一定要有想法，要有思想。以XH766A臥式加工中心為例，在雙工作臺交換裝置開發設計中，雙擺臂軌道式交換裝置可以說獨具匠心，是個有特色的創新設計，從單臂拖動臺面，創新延伸為雙臂結構，以此縮短交換臺面的時間。同時交換裝置結合液、氣、電以及PLC控制的聯動設計，從而形成了特色的雙工作臺自動交換系統。見圖15。

圖15 雙工作臺自動交換系統

4 結 語

創新是永恒話題，特別是正處在我國經濟面臨發展轉型的關鍵時期，對機床產品設計人員而言，創新思想的培育具有特別重要的意義，創新更是時代對我們的強烈呼喚。

創新行為從別處是拿不到的，需要我們的親身實踐，它應具有深刻的內涵。創新只能是自己的行動，所在團隊的協調行動。因此在新時代，我們應該提倡有內涵的創新，不能亂創新，要符合客觀規律、經濟規律、技術規律。創新要求我們：提倡學習風氣，提高學習能力，培育創新思維方法，鼓勵任何一項技術進步。為使創新思想植入我們的靈魂，我們要以哲學思想來武裝頭腦：創新、認識、再創新、再認識，由此循環以至無窮，而機床產品的發展，應隨著創新步伐不斷跨上時代新臺階。