數控機床發展趨勢及發展策略分析

李文化 牛石從 李樹鵬 陳帥 王明智

摘要：數控機床的精密程度和操作效率對整個制造業具有深遠的影響，并且數控技術的自動化和智能化也是制造業未來發展的新風向。數控加工技術提高了我國制造業的發展，但是相比于西方先進國家的數控機床技術，我國數控機床在設計和制造方面還存在著一定的差距，本文對數控機床的發展現狀和存在的問題進行詳細的分析，并就數控機床技術未來的發展趨勢以及發展策略進行了全面的闡述，以期為我國數控機床的發展提供參考。

Abstract： The precision and operation efficiency of CNC machine tools have a far-reaching impact on the whole manufacturing industry， and the automation and intelligence of CNC technology is also the new trend of the future development of manufacturing industry. CNC machining technology has improved the development of China's manufacturing industry， but compared with the CNC machine tool technology of western advanced countries， there is still a certain gap in the design and manufacturing of China's CNC machine tools. In this paper， the development status and existing problems of CNC machine tools are analyzed in detail， and the future development trend and development strategy of CNC machine tools are comprehensively elaborated In order to provide reference for the development of CNC machine tools in China.

關鍵詞：數控機床;發展趨勢;發展策略

Key words： CNC machine tools;development trend;development strategy

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0071-03

0? 引言

通過數控機床不斷完善和發展，在工業和農業等多個領域均有廣泛的應用，并且極大的推進了人們信息化和自動化的進程。在1952年，美國相關科研人員將計算機技術成功的應用在機床制造方面，研發出第一臺數控機床。該機床具有數字化控制系統，能夠對于傳統循環往復的重復工作進行自動控制，從此，傳統機床產生了質的變化。隨后經過不斷的完善和產品更迭，數控系統能夠完成越來越復雜精密的任務，并且數控系統更像自動化和智能化方向發展。目前，數控系統經過六代的發展變得更加高效和智能。

1? 數控機床工作原理及組成

實現數控機床的運轉工作需要以下幾個步驟，首先應了解數控機床加工零件最終的相關尺寸和對應標準，將實現的目標和相關的變量進行系統的控制，因此通過計算機信息系統進行加工零件工序的編程，形成具有較好邏輯的加工程序。通過這一程序，相當于對數控機床提供了加工指引，然后對機床的加工狀況和控制模式進行調整，檢查機床的工作環境以及具體設備運行狀況，確保冷卻系統潤滑系統、夾具系統、運動系統等多個系統能夠正常工作。最后通過不同部件的協調配合，實現相應加工順序和軌跡的移動，從而得到圖紙中設計的零件。想要實現上述多個系統的聯動，應該對數控機床的組成進行具體探究。

2? 數控機床發展歷程

由于國外對于數控機床的發展時間較長，并且對于機床的設計結構以及應用的領域均進行不斷的改造和探究，主要研發數控機床的廠家大多位于發達水平較高的德國、美國等國家。在研發的道路上，數控機床的劃分可以分為三個階段，首先對于輕型的十字架型機床進行研究，在成熟商用的基礎上又研制出門型機床。隨后，工業化進程的不斷加快，對于大型產品的加工有更高的要求，國外研發出龍門行大型數控機床從而能夠實現大體積器件的加工，有效的提高了工作效率。在上述三個階段中，根據不同國家的標準對應多種機床型號，從而在社會發展中對應的各行各業均有較強的應用。目前，德國的一系列廠商對于數控銑床工藝研發水平較高，比如在龍門行機床中專門安置機械手臂切割裝置，配合五軸控制系統，能夠實現機械手臂靈活工作，伴隨著精密度的升高，能夠生產出更加復雜的零件。與此同時，在機床運轉過程中，還伴隨有感應器和跟蹤探頭，能夠對運行的軌跡進行模擬分析做出及時地調整，從而使數控機床更加智能化。

由于數控機床對于國家的發展至關重要，我國也出臺了較多的相應政策來支撐該技術的發展，并且在企業的不斷創新引領下，中國數控機床也得到快速的壯大和發展，使得制造業在國際上有更多的話語權。數控機床規模從2015年得到快速的攀升，截至2018年，數控機床市場規模已經突破3000億元，年增幅高達10%。我國進口的數控機床多以立式加工為主，隨著我國數控機床技術的不斷成熟，我國也出口較多類型的機床，比如彎曲折疊矯正等功能的機床。這些機床在2018年出口量達27.4萬臺，因此這也說明了我國對數控機床相關技術較為重視，并且在數控領域得到較好的發展，將機電一體化技術已經完全的應用到車床、磨床、銑床等各種類型加工機械。

3? 數控機床發展趨勢

3.1 高效率、高精度

一臺數控機床可以支持多種零件的加工，加工不同的零件，只需調整相關控制程序，即可進行多模式的生產，不僅節約了生產的時間，同時能夠強化數控機床的應用范圍。由于數控機床具有更快的加工效率，并且大大簡化了加工人員的布局，不僅能為企業降低生產的效率，同時還能縮短生產的周期，能夠更適應市場的波動，做出快速的產品生產戰略布局。

國內數控機床能夠根據不同領域的需要進行針對性的升級，因此能夠對模具、制造、機械加工等多個領域均有廣泛的應用。數控機床能夠實現更高的加工精度，因此對于精度較高的相關器件均可以采用國內的數控機床進行加工，由于精度的提升，能夠使產品的質量得到有效的保障。數控機床實現多坐標協同聯動，不僅支持X軸和Y軸的變動，同時能夠配合Z軸進行3D的加工控制，因此對于復雜的零件能夠進行精密的加工。數控機床對于曲面弧面、拋物線等多種形狀尺寸均能進行精準的控制，與此同時控制模式還包含多個維度坐標軸之間的協調聯動，并且控制是通過計算機信息的處理進行實時的控制，因此對于復雜的曲線曲面能夠做到較為完美的加工。此外，機床的精準度高，因此能夠使加工過程中節約加工材料，避免加工產生的資源浪費。

3.2 制造更加自動化和智能化

數控機床能夠實現控制自動化，操控人員進行編程后，即能讓機床自動化執行加工操作，因此可以大大的降低工作強度。數控機床在現代化管理中有較好的應用，將數控機床本身的控制模式和運轉信息添加在計算機信息網絡中，能夠便于計算機輔助設計管理一體化，因此對現代化生產管理提供較好的基礎。數控機床有效的實現加工的自動化過程，并且該自動化過程并不是一成不變，而是通過相關零件的不同設置和不同型號進行動態的調整，通過計算機的記憶儲存能力，將相應程序和代碼進行自動執行，對不同產品的生產只需要對執行程序的切換即可實現快速的工作。這些自動化呈現出來的特征，我們稱為柔性自動化，基于此，數控機床的生產能力和生產產品的范圍較普通機床有質的提升。通過工序的自動判定和優化，能夠通過計算機仿真模擬等過程使材料的加工工序更加科學，從而減少了零件在機床或者車間反復的傳送搬運等復雜操作。加工過程中如果發生較大的偏差或者機械故障以及系統錯誤，能夠自動的報警，并且數控機床安裝多枚傳感器能夠進行自動監控以及固件檢測等多種功能，即使無人看管，也能穩定的運行。由于數控機床涉及多個專業領域的知識，對于操控人員的專業能力和綜合素養要求顯著提升，并且維護保養的工作難度增加，因此需要注重操控管理人員自身的能力。

4? 數控機床發展策略分析

4.1 增強數控機床的數字化能力

從宏觀角度看，國家相關的民用機械，軍用設備的制備和研發要借助數控機床進行加工，因此國家對于數控機床技術掌握的能力對國家的發展具有至關重要的意義。通過將信息技術在傳統產業中的應用，能夠使傳統的機械工業具備新型的加工能力。如果在傳統的數控機床中加入信息化控制模組，能夠實現信息的管理，那么能夠使加工更加高效，并且使加工的相關標準與世界接軌。比如運用信息技術使用CAD等計算機設計軟件，信息化行業的不斷發展，相關硬件得到快速的普及，因此在硬件之上搭建出完善的計算機輔助設計軟件成為人們在多種設計行業的剛需，因此這些軟件的誕生有效的填補市場的空白，加快了整個設計行業的生產效率和能力。由此可以看出，在傳統機床中進行信息革命升級改造能夠大幅度提高機床設備的加工能力。而我國對于信息技術相關產業發展較為滯后，在1995年數控機床占有率僅有1.9%，而同比日本在1994年數控機床的占有率已高達20%，而經過20余年的不斷創新和發展，我國在數控機床信息化智能化等領域的應用也有較大的突破，這更加對傳統機床進行改造提供了良好的條件，因此從宏觀角度上也說明，需要加快數控機床改造的步伐。

4.2 優化數控系統

我國數控機床中的數控系統可以分為兩類，一種是直接引用國外的數控系統，比如采用日本、德國等公司的成熟數控器件，直接安裝在國產的機床架構上，從而實現國產數控機床的制備。另一種是在引用國外先進數控裝置和技術的基礎上，進行自主的研發和制備，比如國內華中數控等企業，通過不斷的吸收國外數控經驗，目前制備出的數控系統已經得到廣泛的應用。

針對這兩類數控系統而言，國外直接引進的數控系統價格較高，如果對傳統機床進行數控升級，采用國外的數控系統，雖然能夠保證性能的可靠強勁，并且該數控系統擁有較長的壽命和穩定性。國產數控系統已經經過較長時間的發展，目前雖然對于大功率伺服電機控制的能力仍有待加強，但已經能夠保障工業生產的基本需求。控制系統支持不同的驅動模式和控制單元，支持數字式交流單元以及三相異步電機的控制。并且該系統配備了7.4英寸的彩色液晶顯示系統，能夠實現人機的交互更加順暢，并且對實時加工的進展以及后續控制的模式進行調動，因此友好豐富的界面以及人性化個性化的系統特征，能夠適配多種工業生產的需要。

4.3 增強數控機床的研發創新能力

我國制造業較為發達，并且對于勞動力和相應制造業的資源價格均有得天獨厚的優勢，因此，應抓住這一優勢，快速的進行制造業的升級和改革，將制造大國這一標簽展示出澎湃的創新力。雖然有上述這些優勢，但是對于相關數控機床的自主技術和創新技術研發能力方面仍有待提升，由于發展的周期較發達國家短，并且綜合應用機電一體化能力較弱，因此需要我國對數控機床行業進一步增加重視度，加強相關科研人才的培養，對于企業運行的模式和服務的思維進行改革，從而使我國數控機床的核心科技。但在發展過程中，需要注重逐步開展穩定前行，先從中端的數控機床產品進行研發，在完全掌握該技術的基礎上進行高端數控機床的探索，從而一步步的由制造轉變成智造，從中國制造強國變成創新強國。

5? 加速數控機床的全面升級改造

對于小型軸類盤類等零件加工，在市場中多采用CA6140型車床，該車床可以控制主軸的正轉和反轉，進而實現切削速度的調整，并且該車床的刀架也可以進行橫向縱向的綜合性進給運動，從而能夠實現多個方向的加工。并且在換刀點能夠自動改變不同的刀具，使得傳統普通加工模式也較為快速。該車床中有潤滑泵和冷卻泵，能夠較好的控制加工的溫度，防止產生熱應力，同時潤滑泵能夠使車床各部件的工作更加順暢。通過控制主軸的啟停和旋轉狀況，從而能夠使刀架按照一定的速度進行移動。上述這些特征均可以作為數控系統改造的基礎，對于該車床的相關資料以及技術標準進行探究，進而制定出較為完善的改造方案。

5.1 主傳動系統改造

普通機床改造過程中，對于原有的傳動系統和變速系統可以給予保留，因為數控機床也需要這一套運動系統進行運轉。可以將該系統進行科學的結合，從而減少改造料，并且節約改造成本。除此以外，對于主傳動系統的改造應注重自動化程度的提升，能夠在機床運動過程中實現自動控制切削的速度和切削的模式。將該型號機床中的主軸電機進行替換，采用交流調速電機，從而實現無極變速功能，從而對自動化檔位的控制提供較好的基礎。

5.2 數控系統設計

數字控制系統應做到較高的信號控制時效性，并且對于數據處理的速度和相關指令的傳遞符合國家的標準。由于自行開發數控系統難度較高，需要較多的人力物力進行長期系統的研制，可以直接采用市面上較為成熟的數控系統，比如型號為NIM-9702的數控系統。

5.3 刀架的相關設計

刀架必須有良好的結構，從而能夠保障車床切削以及加工的性能，本研究中采用的刀床為臥室刀床，將刀架的方案替換成自動換刀方案，這樣能夠和自動化系統進行聯動，采用的刀架為四工位螺旋轉位刀架，因此能夠滿足車床自動化控制的需要。

6? 結束語

數控機床不僅實現高精度且高效率的工作，在當今發展過程中，對于數控機床也賦予了新的任務，目前需要數控機床更加智能化開放化，并且結合信息時代進行網絡化，從而使控制更加便捷，管理更加高效，生產過程變得更加綠色和環保，這些發展方向均為未來數控機床的發展提供了較為清晰的目標。

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