數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)080930

鄭小年數(shù)控技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢(shì)華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程中心教授、副總工程師武漢華中數(shù)控股份有限公司副總經(jīng)理一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位二、中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀三、世界數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)提要一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位中國(guó)已成為世界第四制造大國(guó)制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱全部就業(yè)人數(shù)11.27%工業(yè)就業(yè)人數(shù)的90.74%2002年制造業(yè)提供的就業(yè)人數(shù)工業(yè)稅收78.93%總稅收的28.74%2001年全國(guó)制造業(yè)創(chuàng)造的稅收2003年全國(guó)制造業(yè)貢獻(xiàn)的GDP和出口GDP總值的29.07%出口總額的92.06%ybs:中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，2004；中國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展研究報(bào)告，國(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)發(fā)展司，2002一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位制造業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)制造裝備裝備制造業(yè)的水平，決定一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)在國(guó)際分工中的地位制造裝備的技術(shù)水平關(guān)系到制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整關(guān)系到產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)決定著我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力Ybs：機(jī)電商報(bào)，2005。2。28在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，裝備制造業(yè)在制造業(yè)中所占的比重非常高一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位世界機(jī)床產(chǎn)量的1/5用于中國(guó)市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量占有率穩(wěn)定在60％左右，但產(chǎn)值占有率逐年下滑高附加值的高檔數(shù)控機(jī)床基本依賴(lài)進(jìn)口數(shù)控機(jī)床是制造裝備的裝備

我國(guó)已成為數(shù)控機(jī)床世界第一大消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)ybs:2001-2004年世界主要機(jī)床生產(chǎn)國(guó)的產(chǎn)值、進(jìn)口、出口和消費(fèi)額[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2004.1一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位數(shù)控系統(tǒng)是裝備的“大腦”，數(shù)控化是裝備發(fā)展的主流趨勢(shì)已在軍工、船舶、汽車(chē)、電子、紡織、印染等各行各業(yè)的制造裝備中，得到了廣泛的應(yīng)用IC裝備

船舶制造裝備紡織印染裝備汽車(chē)制造裝備軍工制造裝備一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位提高制造精度；縮短制造周期；簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)；提升裝備性能；帶動(dòng)制造裝備向高速、高精、高效方向發(fā)展制造裝備正從機(jī)械化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變一、數(shù)控技術(shù)的戰(zhàn)略地位

高檔數(shù)控系統(tǒng)是西方對(duì)我國(guó)封鎖與限制的重點(diǎn)中國(guó)必須擁有自主的數(shù)控系統(tǒng)核心技術(shù)和產(chǎn)品東芝事件考克斯報(bào)告數(shù)控技術(shù)關(guān)系到我國(guó)的經(jīng)濟(jì)安全、產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)防安全華中數(shù)控與武重聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“重型七軸五聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工中心”，加工8米船用螺旋槳，打破國(guó)外封鎖，已由鎮(zhèn)江推進(jìn)器廠購(gòu)買(mǎi)。1、國(guó)家高度關(guān)注自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)

2、國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見(jiàn)

3、國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)：高檔數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)制造裝備

（高檔數(shù)控系統(tǒng)項(xiàng)目撥款超過(guò)10億元）二、中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

中國(guó)數(shù)控發(fā)展的三個(gè)階段

第一階段：封閉式發(fā)展階段第二階段：引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起產(chǎn)業(yè)體系階段第三階段：實(shí)施產(chǎn)業(yè)化工程，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段中國(guó)數(shù)控發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)數(shù)控技術(shù)發(fā)展取得了一定成績(jī)：“六五”：引進(jìn)技術(shù)“七五”：消化吸收、“三大三小”日本抑制中國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的策略：控制中國(guó)的數(shù)控技術(shù)落后十五年1、轉(zhuǎn)讓落后技術(shù)，控制核心芯片2、推出先進(jìn)技術(shù)的新產(chǎn)品，搶占市場(chǎng)3、挖走中國(guó)引進(jìn)技術(shù)培養(yǎng)的人才4、誘惑中國(guó)企業(yè)合資，導(dǎo)致中國(guó)企業(yè)破產(chǎn)九十年代中期，中國(guó)數(shù)控的狀況：三打祝家莊屢戰(zhàn)屢敗，屢敗屢戰(zhàn)數(shù)控－－》“控訴”梁會(huì)長(zhǎng)訪日的感受：前途一片渺茫沒(méi)有創(chuàng)新，就沒(méi)有出路。慘痛的歷史教訓(xùn)說(shuō)明一個(gè)硬道理：數(shù)控系統(tǒng)這樣的戰(zhàn)略高技術(shù)，靠花錢(qián)引進(jìn)根本辦不到；盲目效仿國(guó)外，也只會(huì)落后挨打，受制于人；中國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的唯一出路，就是走自主創(chuàng)新之路，用中國(guó)人自己的核心技術(shù)振興中國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)!中國(guó)數(shù)控發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)數(shù)控技術(shù)發(fā)展取得了一定成績(jī)：“八五”：自主開(kāi)發(fā)、“四個(gè)I型”中華I型、華中I型、航天I型、藍(lán)天I型“九五”、“十五”：產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，“東南西北中”開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋經(jīng)濟(jì)型：開(kāi)環(huán)控制、單片機(jī)的CNC、數(shù)碼管或單色小液晶顯示、內(nèi)存《100KB、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)2軸-2軸半、機(jī)床快速《6米/分；精度為》0.01mm，系統(tǒng)的價(jià)格便宜。典型系統(tǒng)有：大方、西門(mén)子802S等；主要適用于車(chē)床等。數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)普及型：半閉環(huán)控制、8—32位CPU的CNC、9寸單色顯示器、無(wú)圖形彩色顯示、內(nèi)存約150KB、有DNC功能、模擬式直流有刷或直流無(wú)刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)3-4軸、機(jī)床快速：6-16米/分；定位精度為0.005-0.01mm。典型系統(tǒng)有：Fanuc0、西門(mén)子810、802C系列、等、主要適用于價(jià)格較低的車(chē)、銑、加工中心。數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)高檔型：全閉環(huán)控制、32-64位CPU的CNC、彩色或TFT液晶顯示器、圖形顯示、內(nèi)存》150KB、有DNC和網(wǎng)絡(luò)功能、可擴(kuò)展數(shù)字仿形等功能；良好的用戶(hù)編程界面；數(shù)字式交流無(wú)刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)軸數(shù)4軸以上、機(jī)床快速可》16米/分；定位精度》0.005。典型系統(tǒng)有：Fanuc160i、西門(mén)子840系列、馬扎克640等、主要適用于高檔、高精度加工中心。數(shù)控系統(tǒng)的分類(lèi)總體評(píng)價(jià)：曙光初現(xiàn):73000臺(tái):37000臺(tái)2006年中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售數(shù)控系統(tǒng)約11萬(wàn)臺(tái)2006年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)：葫蘆形經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％

1、國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主導(dǎo)中國(guó)市場(chǎng)：適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)需求?？煽啃缘玫搅颂岣撸δ軐?shí)用，價(jià)格低廉，有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，得到了廣大用戶(hù)的認(rèn)同。目前約占到我國(guó)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)的60%左右。

2006年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)到6萬(wàn)多套，市場(chǎng)占有率高達(dá)95％以上。外國(guó)公司也推出了幾款低價(jià)格的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，但價(jià)格上、服務(wù)上還是沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)推廣競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)。世紀(jì)星HNC-18/19XP系列數(shù)控系統(tǒng)HNC-18iTHNC-18xpMHNC-18xpTHNC-18xp加長(zhǎng)板2006年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)：葫蘆形經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％2、國(guó)產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)、可靠性差距顯著縮小,但外國(guó)品牌依然占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前，行業(yè)主導(dǎo)企業(yè)普及型數(shù)控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在數(shù)控銑床、加工中心等中檔數(shù)控機(jī)床得到批量配套應(yīng)用，銷(xiāo)售到最終用戶(hù)后，反映良好。具備全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等配套能力。從技術(shù)水平上比較，國(guó)產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的功能、性能與國(guó)外比并不差，價(jià)格和服務(wù)方面還有較大優(yōu)勢(shì)，可靠性與國(guó)外系統(tǒng)的差距也已顯著縮小。世紀(jì)星HNC-21i/22i五代數(shù)控系統(tǒng)更新?lián)Q代型，采用新的結(jié)構(gòu)，采用CAN總線支持I/O擴(kuò)展，最多支持8軸聯(lián)動(dòng)HSV-160伺服驅(qū)動(dòng)器HSV-162雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器HSV-16的更新?lián)Q代產(chǎn)品，模具成型結(jié)構(gòu)，外觀更漂亮，控制與動(dòng)力電源一體化，使用更簡(jiǎn)便控制兩臺(tái)電機(jī)，成本低HSV－18S-100/150、200大功率進(jìn)給與主軸驅(qū)動(dòng)器(22KW)大連機(jī)床集團(tuán)配華中數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)車(chē)間吳邦國(guó)委員長(zhǎng)和溫家寶總理視察大連機(jī)床集團(tuán)時(shí)贊揚(yáng)華中科技大學(xué)成功開(kāi)發(fā)了高檔數(shù)控系統(tǒng)，并與大連機(jī)床的實(shí)施產(chǎn)學(xué)研合作。溫總理說(shuō)“你們幫助企業(yè)提高了技術(shù)，企業(yè)也幫助你們發(fā)展，我們中國(guó)要成為數(shù)控機(jī)床的大國(guó)！”湖北三環(huán)汽車(chē)方向機(jī)有限公司配華中系統(tǒng)40多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用戶(hù)說(shuō)：華中數(shù)控系統(tǒng)與西門(mén)子等系統(tǒng)不相上下。德州液壓公司批量選用配置華中數(shù)控系統(tǒng)的魯南機(jī)床江蘇超力集團(tuán)一汽發(fā)動(dòng)機(jī)廠東風(fēng)（十堰）發(fā)動(dòng)機(jī)減震器有限公司陜西軍工企業(yè)批量配置華中數(shù)控系統(tǒng)的軍品車(chē)間2、國(guó)產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)、可靠性差距顯著縮小,但外國(guó)品牌依然占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要差距：1）用戶(hù)對(duì)國(guó)產(chǎn)品牌認(rèn)同度低，表現(xiàn)為普及型數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)主要被國(guó)外占領(lǐng)。2006年國(guó)產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)在中國(guó)已銷(xiāo)售約7000余套，占市場(chǎng)份額約17％。2006年國(guó)外的普及型數(shù)控系統(tǒng)在中國(guó)銷(xiāo)售約35000余套，占市場(chǎng)份額約83％。2）生產(chǎn)工藝管理技術(shù)、生產(chǎn)檢測(cè)手段、可靠性考核手段、質(zhì)量控制等規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)比國(guó)外落后，影響產(chǎn)品的可靠性、質(zhì)量的穩(wěn)定性，表現(xiàn)為前期故障率較高，前期磨合周期較長(zhǎng)。2006年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)：葫蘆形經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)：95％：5％：17％：83％：0.5％：99.5％

3.國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)有了突破，但差距較大已掌握了高檔數(shù)控系統(tǒng)的部分核心技術(shù)，華中數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控等企業(yè)均開(kāi)發(fā)了一些高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，并在我國(guó)著名軍工企業(yè)得到了實(shí)際應(yīng)用?！皧^進(jìn)號(hào)”系列HNC-210A、B、C數(shù)控系統(tǒng)支持8軸聯(lián)動(dòng)、CF/USB、遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展與桂林機(jī)床合作開(kāi)發(fā)五坐標(biāo)數(shù)控龍門(mén)銑床，打破國(guó)外封鎖，已被南昌飛機(jī)公司訂購(gòu)。迫使國(guó)外放松對(duì)中國(guó)五坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)的限制。據(jù)本屆CCMT2008展覽會(huì)共展出配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床15臺(tái)，其中配華中數(shù)控系統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床達(dá)8臺(tái)，超過(guò)總數(shù)的50%，受到李長(zhǎng)春等中央領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。桂林新展出的五軸龍門(mén)機(jī)床齊二展出的五軸機(jī)床大連機(jī)床集團(tuán)的5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床北京機(jī)電院的5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床山東章丘大型龍門(mén)銑床

3.國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)有了突破，但差距較大技術(shù)方面的差距：1）功能差距：功能還不夠完善，在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證還不全面；2）性能差距：在高速（快速進(jìn)給速度40米/分以上）、高精（分辨率0.1微米以下）、多通道控制、雙軸同步控制；國(guó)外系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)適應(yīng)高速高精加工，而我們以模擬量或脈沖量接口居多；3）產(chǎn)品的系列化差距：如伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、主軸及主軸驅(qū)動(dòng)從小到大各種規(guī)格不全；HRV4技術(shù)；4）電主軸、直線電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)等功能部件，有很大差距；

3.國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)有了突破，但差距較大市場(chǎng)方面的差距：

2006年，國(guó)外公司在中國(guó)銷(xiāo)售高檔數(shù)控系統(tǒng)約2000臺(tái)左右，約占市場(chǎng)份額的99.5％，而國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)只銷(xiāo)售了十多臺(tái)，約占市場(chǎng)份額的0.5%。由于受到西方出口許可限制的約束，中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的絕大部分高檔數(shù)控系統(tǒng)是西門(mén)子的840D產(chǎn)品。

2010年中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)：橄欖形總需求：15萬(wàn)臺(tái)經(jīng)濟(jì)型：30％普及型：60％高檔型：10％約45000臺(tái)約90000臺(tái)約15000臺(tái)經(jīng)濟(jì)型：60％普及型：38％高檔型：2％約66000臺(tái)約42000臺(tái)約2000臺(tái)2007年2010年發(fā)展戰(zhàn)略：穩(wěn)住經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)市場(chǎng)，努力提升技術(shù)；大力推動(dòng)中檔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，努力提升市場(chǎng)占有率；重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和產(chǎn)品化。

三、世界數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)運(yùn)行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開(kāi)放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化1、運(yùn)行高速化：

使進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、刀具交換速度、托盤(pán)交換速度實(shí)現(xiàn)高速化，并且具有高加（減）速率。

n

進(jìn)給率：在分辨率為1m時(shí)，F(xiàn)max=240m/min。在Fmax下可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長(zhǎng)度為1mm時(shí)，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機(jī)），即主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。

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主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)200000r/min。

n

主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。換刀速度。

n

0.9秒（刀到刀）、2.8秒（切削到切削）

三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)高速切削工藝的優(yōu)點(diǎn)高速切削工藝意味著什麼?

減少達(dá)30%的切削力

進(jìn)給速度提高5到10倍

減少傳遞到工件上的熱量

特定的材料去除量可增加高達(dá)40%高速切削的優(yōu)點(diǎn)縮短生產(chǎn)周期提高產(chǎn)品質(zhì)量使新的工藝方法得到應(yīng)用降低生產(chǎn)成本生產(chǎn)插頭座用的硬度為HRC54的壓鑄模技術(shù)數(shù)據(jù):

材料在未淬硬條件下的預(yù)加工

普通方法的總加工工時(shí)

-淬火

-加工電極 55h

-電火花加工

-拋光

高速切削方法的總加工工時(shí):14.5h減少加工工時(shí)：75%表面加工質(zhì)量極佳大幅度降低成本

尺寸:250x200x80mm可完全代替電火花加工方法完全消除了因電火花加工所產(chǎn)生的微小裂紋，延長(zhǎng)鑄模的使用壽命

實(shí)現(xiàn)高速切削加工的要素

1）高速主軸現(xiàn)在的機(jī)械加工，要求主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，高速主軸是高速切削技術(shù)最重要的關(guān)鍵技術(shù)，是高速加工機(jī)床的核心部件。數(shù)控機(jī)床采用主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化的電主軸部件，高轉(zhuǎn)速下主軸的剛性、動(dòng)態(tài)特性、軸承及冷卻系統(tǒng)等都對(duì)高速主軸的使用性能有著重要影響。已經(jīng)有全套的電主軸系統(tǒng)，包括：電主軸、矢量變頻驅(qū)動(dòng)、油氣潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置、管路、電纜、刀具等。當(dāng)前，共有15類(lèi)60幾個(gè)型號(hào)的電主軸產(chǎn)品，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)140000r/min，直徑范圍33~300mm，功率范圍125W~80kW，扭矩范圍0.02~300Nm。

高速主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）高速加工數(shù)控系統(tǒng)

高速加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求:

（1）高速切削有著不同于傳統(tǒng)數(shù)控加工的特殊工藝要求，要求能夠高速度處理程序段,能快速形成刀具路徑，走刀路徑應(yīng)圓滑，少拐點(diǎn)，加工時(shí)能夠盡量減少機(jī)械的沖擊，使機(jī)床平滑移動(dòng),避免刀具振動(dòng)等；（2）程序算法應(yīng)保證高精度，確保合理的進(jìn)給速度,待加工軌跡監(jiān)控進(jìn)給速度控制超過(guò)100個(gè)程序段,能夠迅速，準(zhǔn)確地處理和控制信息流，使其加工誤差控制為最小；（3）高速切削的數(shù)控系統(tǒng)必須具有相應(yīng)的高速高精度控制功能。比如：NURBS插補(bǔ)、加工殘余分析、待加工軌跡監(jiān)控、尖點(diǎn)控制、自動(dòng)防過(guò)切保護(hù)、補(bǔ)償功能

高速加工對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求:

（4）足夠的程序容量，讓大容量加工程序高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并具有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞大量數(shù)據(jù)的能力（5）具有高的抑制外部擾動(dòng)力的能力(即高的魯棒性);機(jī)械誤差補(bǔ)償；機(jī)床可靠性和安全性十分重要；（6）系統(tǒng)對(duì)高速采樣截尾誤差進(jìn)行精確預(yù)估，可消除各軸線的輪廓誤差，提高走刀精度,以保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性；（7）系統(tǒng)具有足夠的超前的路徑加（減）優(yōu)化預(yù)處理能力，即應(yīng)具備超前程序段預(yù)處理能力;易于改型，比如夾緊調(diào)整，或五軸轉(zhuǎn)換；（8）有刀具長(zhǎng)度、半徑修正；自動(dòng)光順走刀路徑功能；3）高速進(jìn)給系統(tǒng)

（1）旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋滾珠絲杠系統(tǒng)：目前普通絲杠的最大進(jìn)給速度為40mm/min，最大直線加速度為0.5g，高精密滾珠絲杠的最大速度已達(dá)60mm/min，最大加速度達(dá)1.0g；這種傳動(dòng)方式由于從電機(jī)軸到工作臺(tái)之間存在一系列的中間環(huán)節(jié)，當(dāng)進(jìn)給部件要完成啟動(dòng)、加減速、反轉(zhuǎn)、停車(chē)等動(dòng)作時(shí)，機(jī)械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滯后和其它許多非線性誤差；中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了快速響應(yīng)。另外，絲杠是細(xì)長(zhǎng)桿，在力和熱的作用下，產(chǎn)生變形，影響加工精度。傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以集成和實(shí)現(xiàn)模塊化，安裝、調(diào)試?yán)щy，造成機(jī)床整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。滾珠絲桿的剛度、慣性、加速度等動(dòng)態(tài)性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。進(jìn)給速度達(dá)240米/分的NSK滾珠絲桿和滾動(dòng)導(dǎo)軌

（2）直線電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)：取消了源動(dòng)力和工作臺(tái)部件之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，使得機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為零，這就是所謂的“直接驅(qū)動(dòng)”（directdrive）或“零傳動(dòng)”。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有進(jìn)給速度高、加速度大、啟動(dòng)推力大、剛度和定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速加工中心已成為21世紀(jì)機(jī)床的發(fā)展方向之一，其中，永磁式直線電動(dòng)機(jī)以其時(shí)間常數(shù)小、高頻響應(yīng)特性好、推力強(qiáng)度高、損耗低、控制比較容易等一系列特點(diǎn)在高速、高精密、高頻響數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部件研究中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。直線電機(jī)高速進(jìn)給單元主要由直線電動(dòng)機(jī)、工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、反饋測(cè)量系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等五部分組成。DMG采用直線電機(jī)的臥式加工中心（120米/分）

二種進(jìn)給系統(tǒng)比較

直線電機(jī)與“旋轉(zhuǎn)電機(jī)＋滾珠絲杠”相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）沒(méi)有機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，因此沒(méi)有金屬和金屬的接觸，除了導(dǎo)軌外沒(méi)有其它摩擦；

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，而且是只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件；

3）行程理論上不受限制，而且性能不會(huì)因?yàn)樾谐痰母淖兌艿接绊懀?/p>

4）可以提供很寬的速度范圍，從每秒幾微米到數(shù)米，特別是高速是其一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)；

二種進(jìn)給系統(tǒng)比較

5）加速度很大，最大可達(dá)10g；

6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這是因?yàn)槌似鹬巫饔玫闹本€導(dǎo)軌或氣浮軸承外，沒(méi)有其它機(jī)械連接或轉(zhuǎn)換裝置的緣故；7）維護(hù)簡(jiǎn)單，由于部件少，運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)機(jī)械接觸，從而大大降低了零部件的磨損，只需很少甚至無(wú)需維護(hù)，使用壽命更長(zhǎng)。

4）高速加工CAM軟件

用于高速加工的CAM編程系統(tǒng)必須具有很高的計(jì)算編程速度，全程自動(dòng)過(guò)切處理能力及自動(dòng)刀柄干涉檢查功能，具有進(jìn)給率優(yōu)化處理功能、待加工軌跡監(jiān)控功能、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能、“加工殘余分析”功能。不是所有CAM軟件都能用于高速加工數(shù)控編程。

5）高速加工的刀具及其他

高速切削刀具

必須具有優(yōu)良的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，即良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。目前，陶瓷、立方氮化硼（CBN）、涂層硬質(zhì)合金等刀具均可作為高速切削模具鋼件的刀具材料。刀具的涂層技術(shù)是提高高速切削能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

冷卻系統(tǒng)：

強(qiáng)力高壓、高效的冷卻系統(tǒng)以解決極熱切屑問(wèn)題。采用溫控循環(huán)水（或其它介質(zhì)）來(lái)冷卻主軸電動(dòng)機(jī)、主軸軸承、直線電動(dòng)機(jī)、液壓油箱、電氣柜，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構(gòu)件。2、加工高精化：

提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。

提高CNC系統(tǒng)控制精度：

n

采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化；

n

采用高分辨率位置檢測(cè)裝置，提高位置檢測(cè)精度；

n

位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)101001000切削速度m/min0.010.11.010100加工精度μm普通數(shù)控機(jī)床高速超精高性能數(shù)控機(jī)床下一代汽車(chē)制造需求的機(jī)床性能未來(lái)10年數(shù)控機(jī)床的亮點(diǎn)101001000切削速度m/minX和Y軸位置穩(wěn)定度0.5μmZ軸位置穩(wěn)定度0.1μm納米插補(bǔ)，備有熱控制室，室溫±3°，機(jī)床僅±0.15°采用誤差補(bǔ)償技術(shù)：

n采用反向間隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)；

n設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差的綜合補(bǔ)償技術(shù)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)德國(guó)海德漢公司贈(zèng)送德二維長(zhǎng)光柵用步距規(guī)檢測(cè)數(shù)控機(jī)床幾何誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果:沒(méi)有補(bǔ)償?shù)恼`差曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果:單向補(bǔ)償后的誤差曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果:雙向補(bǔ)償后的誤差曲線未補(bǔ)償單向補(bǔ)償雙向補(bǔ)償反向間隙58.4038.605.80重復(fù)定位誤差22.6921.8822.45定位誤差151.8789.9933.80數(shù)控機(jī)床幾何誤差的快速標(biāo)定及補(bǔ)償技術(shù)3、功能復(fù)合化復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法。鏜銑鉆復(fù)合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主軸立臥轉(zhuǎn)換）；車(chē)銑復(fù)合—車(chē)削中心（ATC，動(dòng)力刀頭）；銑鏜鉆車(chē)復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，可自動(dòng)裝卸車(chē)刀架）；銑鏜鉆磨復(fù)合—復(fù)合加工中心（ATC，動(dòng)力磨頭）；可更換主軸箱的數(shù)控機(jī)床—組合加工中心；三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)DMG的車(chē)銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床

復(fù)合加工：一次做成G400-0005STAMA526MT立式加工中心1個(gè)銑削主軸2個(gè)車(chē)削主軸9軸數(shù)控、5軸聯(lián)動(dòng)4、控制智能化加工過(guò)程的智能感知與控制技術(shù)；作業(yè)規(guī)劃智能化技術(shù)；智能化操作，編程技術(shù)；專(zhuān)有、復(fù)合加工工藝專(zhuān)家系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)中集成三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置：智能4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過(guò)程中，加工、檢測(cè)一體化是實(shí)現(xiàn)快速制造、快速檢測(cè)和快速響應(yīng)的有效途徑，將測(cè)量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、機(jī)器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，促進(jìn)測(cè)量、建模、加工、裝夾、操作一體化的4M智能系統(tǒng)。數(shù)控仿型技術(shù)三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)信息塔(e-Tower)

機(jī)床信息化，具有語(yǔ)音、文本和視像等通訊功能。與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)反映機(jī)床工作狀態(tài)和加工進(jìn)度操作權(quán)限指紋確認(rèn)。工件試切時(shí)，可在屏幕上觀察加工過(guò)程。故障報(bào)警顯示、在線幫助排除從完整加工到自主管理操作權(quán)限指紋確認(rèn)加工任務(wù)完成情況和機(jī)床狀態(tài)可用手機(jī)查詢(xún)數(shù)碼相機(jī)數(shù)控仿型加工系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)

加工信息輸入文件的標(biāo)準(zhǔn)——ISO6983協(xié)議特點(diǎn)以面向運(yùn)動(dòng)和開(kāi)關(guān)控制的原則進(jìn)行，采用G，M代碼，傳遞的信息是“怎么做”；不足：數(shù)控系統(tǒng)不知道在“做什么”

CAM系統(tǒng)不知道“怎么做最好”

三、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)STEP-NC的簡(jiǎn)單定義

STEP-NC就是將STEP協(xié)議推廣應(yīng)用到NC系統(tǒng)中，重新規(guī)定了CAX與CNC之間的接口，取代ISO6983協(xié)議，成為NC系統(tǒng)輸入信息的協(xié)議。STEP-NC帶來(lái)的好處

數(shù)控系統(tǒng)的智能化CAM/CNC之間功能的重新劃分?jǐn)?shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)化制造編程方便好的互操作性和可移植性

5、體系開(kāi)放化具有先進(jìn)性和可擴(kuò)展性；具有可維護(hù)性和可升級(jí)性；具有與企業(yè)制造信息系統(tǒng)的可集成性；具有特殊工藝軟件的可開(kāi)發(fā)性；具有使用操作的簡(jiǎn)易性。結(jié)論：用戶(hù)需要開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

二、數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)特征：可移植性——功能模塊可用于不同控制系統(tǒng)可擴(kuò)展性——功能相似模塊之間可互相替換，隨技術(shù)進(jìn)步可更新軟硬件可縮放性——有即插即用功能，根據(jù)需求變化，能方便有效重新配置互操作性——使用標(biāo)準(zhǔn)I/O和網(wǎng)絡(luò)功能，容易實(shí)現(xiàn)與其它自動(dòng)化設(shè)備互連。國(guó)內(nèi)外開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進(jìn)展美國(guó)：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchitectureController)計(jì)劃歐共體：OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)計(jì)劃日本：OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)計(jì)劃華中I型、航天I型——基于IPC的CNC開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)以PC為基礎(chǔ)的CNC類(lèi)型PC嵌入式NC：保持專(zhuān)用CNC，通過(guò)通信和PC相連，有一定開(kāi)放性，但用戶(hù)無(wú)法界入系統(tǒng)的核心。如FANUC18i，16i，SIEMENS840，AB9/360等系統(tǒng)。NC嵌入式PC：在標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC上安裝專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制卡，如美國(guó)DELTATAU公司PMAC-NC系統(tǒng)。以PC為基礎(chǔ)的CNC類(lèi)型軟件CNC：系統(tǒng)的所有功能通過(guò)工業(yè)PC來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)可以在DOS、WINDOWSNT平臺(tái)上利用開(kāi)放的CNC內(nèi)核，開(kāi)發(fā)各種功能，構(gòu)成各種類(lèi)型的高性能數(shù)控系統(tǒng)，其性能價(jià)格比高，如華中數(shù)控系統(tǒng)，美國(guó)MDIS公司的OPENCNC，德國(guó)POWERAUTOMATION公司的PA8000NT。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PC控制：系統(tǒng)是開(kāi)放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的主流。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)用程序接口NC內(nèi)核MSDOS/LinuxRTM實(shí)時(shí)擴(kuò)展PLC程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序應(yīng)用程序遠(yuǎn)程應(yīng)用程序軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)磨削應(yīng)用軟件車(chē)削銑削鍛壓數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊齒輪加工數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊電加工數(shù)控系