圍繞（rào）質量、效率和工（gōng）藝（yì）變革的要求，我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（shù）控機床（chuáng）功能不斷豐富，采用了工序、工（gōng）藝集中化和複合（hé）化技術；機床在（zài）結構布局和（hé）新材料應用方麵都有了新發展；數控技術在開放化、智能化、網絡化、高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率（lǜ），提高精度，保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（zhì）造（zào）業研（yán）究的永恒主題（tí）和目標，是促進其工藝裝備發展的源動力。工藝要求和變革是機械製造工藝裝備技術發展創（chuàng）新和變革的（de）根據和基礎。 

　　國產數控機床走過了50年發展的漫長曆程，在近10年來得到了較快發（fā）展，特別是得到了政府的重視，設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（chuáng）可供品（pǐn）種達1500多種，覆蓋了數（shù）控金屬切削機床、數控板材加工機床（數控衝壓機床、數控（kòng）激光加工機床、火焰切割機床等）、數控電加工機床、工業機器人、三坐標測（cè）量機等，種類基本齊全。2010年數控金屬切削機床保有量約（yuē）為150萬台（其中進口超過40萬台），僅金屬切（qiē）削機床的年產量就超過了16萬台、2011年1~10月份累計（jì）達到21.8萬台、全年（nián）可達到25萬台左右。國產品牌數控機床的數量和（hé）價值占國內市場50%以上。在代表先進技術水平的五軸聯動和複合加工中心、數控係統和其他配套技術產品方麵也都取得了新進展（zhǎn）。本文主要圍繞數控技術發展與差距展開討論（lùn）。 

　　追求高生產率 

　　為了追求機械製造的高生產率，促進數控設備向加工複合（hé）化（工序複合和工藝複合）、高速化、智能化、網（wǎng）絡化、工藝參數優化方向（xiàng）發展。 

　　1複合化（huà）

　　數控（kòng）機床複合加工，主要（yào）指工序集中化、複（fù）合化和工藝複合化。 

　　1.1工序集中化、複合化 

　　自從（cóng）20世紀70年代末，隨著三聯動加工（gōng）中心開始（shǐ）用於機械製造，開始進入（rù）機械加工工序集中化時代。20世紀80年代，我國自製的（de）三聯動加工中心也開始（shǐ）在機械製造中得到應（yīng）用，主要（yào）是用於箱體件和（hé）模具加工。在一次裝卡中就可以實現（xiàn）鏜、銑、鑽、攻絲等多（duō）道工序，提高了加工效率（lǜ）和精度。 

　　2000~2011年是我國數控機床發展快的時期。在此（cǐ）期間，自主開發（fā）了五軸聯動加工中心、車銑複合加工（gōng）中心、車銑磨複合加工中心和磨削複合加工（gōng）中心等。有（yǒu）的國內製造廠商已經能夠提供五軸聯動和多軸聯動複（fù）合加工中心等，但有一些是屬於重大專項攻關（guān）產品，有待進一（yī）步商品化和產業化（huà）。 

　　.1.1五軸聯（lián）動加工中心 

　　國內生產五軸聯動加工（gōng）中心的廠家正在不斷增加。如沈陽機（jī）床廠生產（chǎn）的GMC2590μ橋式五（wǔ）軸聯動加工（gōng）中心、VM22120μ立式五軸加工中心、VMC05656e門式五軸（zhóu）加工中心、HS664RT五軸高速加工中心；大連（lián）機床產生的VDM500五軸（zhóu）立（lì）式加工中心；北京機電院生產的XKR32G五軸聯動加工中心和XKH800五軸聯動葉片加工中心；濟南二機床生產的XV2525×60高架式五軸聯（lián）動加工（gōng）中心等都能實現（xiàn）一次安裝完（wán）成零件的銑、鏜（táng）、鑽（zuàn）、鉸（jiǎo）、攻絲等多道（dào）工序。 

　　開發五軸聯（lián）動（dòng）加工中心有2個關鍵核心部件技（jì）術（shù）難（nán）度較大，一個是雙擺角萬能加工頭；一個是（shì）雙軸回轉台（見圖2）。這2種部件國內廠商也已開發出來，但有待進一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用於大（dà）型機（jī）床，雙擺軸回轉台用於小型（xíng）機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機，並裝有編碼器，以提高動態性能和精度。 

　　雙擺角萬能加（jiā）工頭技術（shù）難度更大一些（xiē）。國內某廠商開發的一種直驅雙擺角萬能頭的主要參數如下： 

　　額度扭矩：A軸500~1000Nm（可選）、C軸660~2000Nm（可選）； 

　　定位精度：±2“、±2.5”、±3“、±5”（可選）； 

　　絕對編碼（mǎ）器分辨率（lǜ）：26位、29位（可選）； 

　　擺角範圍：A軸±110°、C軸±360°。 

　　我國還沒有形成雙擺角萬能頭係列化商品，而（ér）國際上像（xiàng）德國（guó）CYTEC公司可以供應（yīng）係（xì）列（liè）化商品。 

　　1.1.2車銑複合加工中心 

　　車（chē）銑複合加工中心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。如南京數控（kòng）機床有限公司生產的CK1840S型車銑複合加工（gōng）中心是在數控車床基礎上（shàng）開發出來的。該機床具有雙主軸、雙刀架、雙C軸（zhóu）和（hé）W軸，共7軸，分為二組三聯動全（quán）閉環控製。其中C軸（zhóu）分辨率（lǜ）達到0.001°。該（gāi）機（jī）床對（duì）回轉體零（líng）件一次裝卡可（kě）完成車削、分度偏心鑽削、定位銑削等多（duō）道（dào）工序，即1台車銑複合加工中心能完成2台數控車床的加工工（gōng）序，提高效率1倍，且因能減少二次安（ān）裝誤差而提高了精度。安陽鑫盛機床股份有限公司（sī）生產的（de）CX110立式車銑複合（hé）加（jiā）工中心，是在立式加工中心基（jī）礎上增加車削裝置開發出來（lái）的。該機床具有車、鏜、銑、鑽、鉸、攻絲等功能，可實現五軸聯動的五麵加工。此外（wài）大連（lián）機床開發的VHT800五軸聯動車銑複合加工中心、CHD25五（wǔ）軸聯動車銑複合加工中心；武漢重型機床集團公司開發的WHGS7000車銑複合加（jiā）工中心等，也都能（néng）實現零件一次裝卡，完成複雜結構和複雜型麵零件的多道（dào）工（gōng）序加工。 

    據（jù）有關資料顯示，1台（tái）五（wǔ）軸聯動加工中心（xīn）或（huò）多工（gōng）序複合加工中心比三聯動加工中心能提高生產效率1倍以上（shàng）。多軸聯動和複合加工不但（dàn）能提高生產效率（lǜ），而且減少（shǎo）了二次安裝誤差，提高了精度和質量。國內已經可以生產五軸（zhóu）聯（lián）動加工（gōng）中（zhōng）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（bù）商品化和產業化。 

    2高速（sù）化 

　　為實現數控加工高（gāo）速化，傳動係統采用直驅技術（shù），數控係統采用高速運（yùn）算處理技術（shù）。 

　　2.1直驅技術 

　　為了提高生產效率，數控機床傳（chuán）動部件逐步（bù）采用直（zhí）驅技術。主軸采用電主（zhǔ）軸直驅（qū），進給采用（yòng）直線電機（jī）驅動，回轉工作台采用力矩電機直（zhí）驅，五軸聯動的擺角萬能頭采用力矩電（diàn）機直驅（qū）等。 

　　早在2000年以前，我國就開始了直驅技術（shù）的研究與開發。目前（qián）山東博特精工股份有限公司（sī）和洛軸研科技（jì）股（gǔ）份有限公司都能（néng）生產和供（gòng）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線電機。用戶對以上產品性（xìng）能和技術指標（biāo）反應良好，但與（yǔ）國外先進水平相比還有（yǒu）差距。 

　　目前，國外先進的電主軸單元（yuán）轉速可達15000~100000r/min，一般的（de）用到40000~50000r/min的較多。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（kuài）速（sù）移（yí）動速度可達（dá）60~200m/min，加速度達2g~10g；工（gōng）作（zuò）進給可高達60m/min以上，加速度（dù）達1g~2g。采用傳統的滾珠絲杠傳動的進給部件的進給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g；一般情況下，進給速（sù）度為（wéi）30m/min左右。直驅比用滾珠絲杠驅動的進給速度提高了1倍以（yǐ）上，從而（ér）減（jiǎn）少了輔助時間，提高了生產效率。直（zhí）線電機驅動技術有著廣闊的應用前景，但還需進（jìn）一步降（jiàng）低成本（běn）和解決發熱問題。 

　　目前，我國一些廠家開（kāi）發（fā）的（de）數控機床已采用了直驅（qū）技術。如濟南二機床開發的XHV2525×60高架式五軸聯動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機驅動。北京機電院開發的XKR32G五軸（zhóu）聯（lián）動加工中心工作台的2個回轉（zhuǎn）軸采用力矩電機直驅，XKH800五軸聯動葉片加工中心的主軸（zhóu）采用電主軸直驅等。國內數控機床采用（yòng）直驅技術還（hái）處於初級階（jiē）段，還不普遍，在性能方麵還存在一定差距（jù）。而德國DMG公（gōng）司每年（nián）生產的數控機（jī）床中有1500多台采用了直驅技術（shù）。德國巨浪公司生產的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉速達40000r/min，換刀時間（jiān）低於0.6s，進給加速度達1g~2g，快速進給速度可達（dá）90m/min，工件交換（huàn）時間為2s。 

　　2.2數控係統高速運算處理技術 

　　高速直驅進（jìn）給要求數控係統（tǒng）運算速度快，采樣周期短，具有足夠（gòu）的超前路徑加（減）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序段。在多軸聯動控製時（shí）可（kě）根據預處理緩衝區的G代碼（mǎ）進行加減速優化處理。為保（bǎo）證加工速度，第（dì）六代數控係統每秒可進行2000~10000次進給速度改變。 

　　3智能化 

　　為追求數控（kòng）機床加工效率和加工質量（liàng），數控係統不但有自動編程、前饋控製、模糊控製、自學習控製、工藝參數自動生成、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（shǐ）自診斷和故障監（jiān）控功能更趨於完（wán）善。伺服驅動係統智能化，能自動感知負（fù）載變化，自動優化調整參（cān）數。 

　　國產數控係統正在（zài）努力朝智能化方向（xiàng）發（fā）展，引入了一些智能化技術（shù）。比如（rú）華中的“中華8型”和凱恩帝K1000TIV型等，數控係統都具有自診斷功能、狀態實時顯示和故障實時報（bào）警等智（zhì）能化功能，並都在進一步豐富和完（wán）善智能化技（jì）術。 

　　國外如西門子、發那科、三菱生產的數控係統（tǒng）融入的智能化（huà）技術更為豐（fēng）富。國產數控係統與之相比還有不少（shǎo）差距。如西門子的SINUMERIK828DBASICM具有圓柱形零件加工智能坐標轉換功能，具有SINUMERIKMDynamics工藝包，含有全部“精優曲麵”功能，可以實現高效加工和獲得加工佳表麵質量。發那科的Oi-D和OiDMate具有有輪廓智能控製（zhì）功能、30i/31i/32i/35i-MODELB係列數控係統是新的人工智能納米級係統，能靈活地支持鏜銑加工中心、數控車床多軸聯動複合加（jiā）工機床等。智能化技術對於提高數控加工機床生產效率有極大的貢獻率，必須重視。 

　　4開放化和網絡化 

　　數控裝置的開放化可以更容易地實現（xiàn）智能化網絡化製造，有效地促進生產效率的提高（gāo）。 

　　4.1開放化 

　　開放式（shì）數（shù）控裝置是指硬件（jiàn）、軟件和總線（xiàn）對（duì）用戶是開放的（de）。開放式數控裝置主要的（de）優點是具（jù）有更好的（de）通（tōng）用（yòng）性、靈活（huó）性、適應性和可（kě）擴展性，可（kě）以滿足用戶（hù）二次開發的要（yào）求。 

　　4.1.1NC和CNC概念及開放化 

　　目前，數（shù）控（kòng）裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路組成的數控裝置被稱為NC裝置（zhì）；由計算機硬件和軟件共同組成的數控裝置被（bèi）稱為CNC數控裝置。硬（yìng）件是軟件運行的物理基礎（chǔ），軟件是整個CNC運行和功能（néng）實現的（de）靈魂。NC正逐步被（bèi）CNC所取代。 

　　CNC數控裝置硬件除具有CPU、EPROM、RAM外，還有位置控製器、手動輸入（MDA）接口、顯示（CRT）接口和PLC接口等，因此CNC數（shù）控裝置是一種專用（yòng）計算機。 

　　CNC軟件分為（wéi）管理軟件和控製軟件2種（zhǒng）。管理軟件用於管理零件程（chéng）序的（de）輸入輸（shū）出、刀具位置（zhì）係統參數、零件程序顯示（shì）、機（jī）床狀態故障診斷及報警等。控製軟（ruǎn）件由（yóu）譯碼、插補、運算、刀具補償、速度控（kòng）製、位置（zhì）控製等（děng）軟件組成。 

　　現代開（kāi）放式（shì）數控裝置主要是在PC機平台上開發的CNC數控裝置。我國“華（huá）中8型”數控裝置（zhì）采用了基於多處理器的開放（fàng）式軟硬（yìng）件（jiàn）體係結構和自主創新的總線技術。硬件跨平台，軟件可以置換，具有軟硬件多層次開放功能。北京凱恩帝的K1000TIV數控裝置（zhì）采用開放式PLC，提供調試軟（ruǎn）件支（zhī）持用戶二次開發。廣州數控的GSK25i數控裝置也采用了開放式PLC，支持PLC梯形圖在線編輯、診斷及信號跟蹤功能。 

　　4.1.2標準與（yǔ）規範 

　　能否實現數控裝置的開放化與建立技術標準和規範密切相關。數控技術誕生50多年來，信（xìn）息交換都是基於ISO6983標準，即（jí）采用G、M代碼描述如何加工。顯然，該標準（zhǔn）越（yuè）來越不能滿足現（xiàn）代數控技術高速發展的要求。 

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

　　4.2網（wǎng）絡化 

　　網絡化有利（lì）於信（xìn）息共享和提高生產效率。有資料介紹在多品種小批量生產中，1台（tái）數控（kòng）機床用於切削的時（shí）間隻（zhī）占（zhàn）機動時間的25%~35%，聯成網絡後，可以提高（gāo）到60%~65%。 

　　數控的網絡化技術，主要（yào）是（shì）指數控係統（tǒng）與外部的其他控製係統或上位機進行網絡連接和網絡控製。數控係統首先麵向（xiàng）企（qǐ）業內部局域網，然後再經因特網向企業外部傳輸。這就（jiù）是所謂（wèi）的Internet/Intranet。網絡可使企業與企業之間進行跨地區協同設計、協同製造、信息共享、遠程（chéng）監控、遠程診斷和服務等。網絡能為（wéi）製造（zào）提供完整（zhěng）的（de）生產數據信息，可以通過網絡（luò）將加工程序傳給遠方的機床進行加工，也可遠程診斷並發（fā）出（chū）指令調整。網絡使各地分散數控機床聯係在一起，互相協調，統一優化調整，使產品加工不局限於一個工廠內而實現（xiàn）社會化生產。 

　　我國的機械製造企業信息（xī）化集成的發（fā）展也比較快，實現了車（chē）間級和企業級信息（xī）網絡集成。數控的網絡化發（fā）展前景廣闊，但真正實（shí）現跨企（qǐ）業、跨地（dì）區的信息化網路還有很長的路要走。 

    5優化工藝參數（shù）提高效率 

　　數控加（jiā）工采用的工藝參（cān）數是否合理，對（duì）於提高生產效率和保證加工質量非常重要，必須逐步進行優化（huà）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擇（zé）合理的工藝參數，費（fèi）時（shí）、費（fèi）力、費材料（liào）；另（lìng）一種方法是應用力學動（dòng）態優化仿真方法，比第一種方法（fǎ）省時、省力、省材料，同樣可（kě）以獲得較合理的工藝參數。在生產實（shí）踐中，還可以對這些參數進行合理的調整。 

　　航空行業是數控機床的大（dà）用戶，對優化工藝參（cān）數、建立工（gōng）藝數據庫，並應用到生產實踐（jiàn）中有急切的需求。因此（cǐ），由政府支持組織北（běi）京航空航天大學和中航工業（yè）北京航空製造工程研究所開展（zhǎn）優化工藝參數技術攻關。以上單位開發了一整套工藝參數（shù）力學動態優化仿（fǎng）真（zhēn）、預測和數字化軟硬件係統，建立了優化（huà）工藝參數數據庫，形成了優化高速切削工藝參數（shù）手冊，從根本（běn）上實現了工藝參數選擇從試切到（dào）仿真的跨（kuà）越，提高了（le）加工效率和（hé）質量。這是一項意義重大而又深遠的（de）工作。 

　　陝西飛機製造公司（sī）在近100項零件加工上應用了（le）優（yōu）化的工藝參數，平均（jun1）加（jiā）工效率提高了2倍以上；望江工業有限公司在（zài）火炮零件加工中采（cǎi）用優化工藝參數，效率提（tí）高了4倍以上；昌河飛（fēi）機工業（集團）公司采用優化工藝參數（shù）加工鋁合金零件，效率提高了2.8倍以上。 

　　西門子828D數控係（xì）統具有動態工藝包（Dynmics），含有全新（xīn）的（de）“精優曲麵”功能（néng），可以（yǐ）實現高效（xiào）加工並獲得佳表麵質量。 

　　我國數控設備生產企業也（yě）應該提供這方麵的技術和服務。采用工藝優（yōu）化參數不但可以提高生產效率和提高加工質量，而且（qiě）對節省材料、節能減排，實現綠色（sè）製造（zào）有著重要意義（yì）。 

　　追求高精度高質量 

　　追求（qiú）數控機床加工工件的高精度和高質量。首先數控機床本身必（bì）須具有這樣的性（xìng）能。為此，數控機床在結構和布局上，在材料選用上必須考慮到（dào）提高剛性和承載能力，以保證實現（xiàn）高精度；同時數控係統、伺服驅動係統、傳動係統和測量（liàng）傳感器（qì）等也必須具有高分辨率、高精度（dù）的性能，才能滿足加工工件高（gāo）精度、高質量（liàng）的要求。 

　　1結構布局 

　　為了（le）實現功能和提高剛性，數控車床、車削中心、立式加工中心、臥（wò）式加（jiā）工中心、龍（lóng）門加工中心、車銑複合加工中心等在結構布局（jú）方麵發生了深（shēn）刻變化。 

　　例如，國內有些廠家生產的立式加工中心和臥式加工（gōng）中心，橫向坐標采用（yòng）立柱移動，這樣減少了一層工作台（傳統結構是雙層十字（zì）工作台），提高了工作台的剛性和承載能力（lì）；龍（lóng）門加工中心從工（gōng）作台不動、雙（shuāng）立（lì）柱移動（dòng）發展成橋式結構，即工作台（tái）固定，2個（gè）立（lì）柱做成固定式牆體，在牆體上（shàng）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，有利於準定位，減少了占地（dì）麵積。 

　　 2采用（yòng）新材料提高剛性 

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

　　此外，還有資（zī）料顯示，蜂窩（wō）狀材料、水泥（ní）材料（liào）、天然花崗岩石（shí）材等（děng）也有用於數控設備的情（qíng）況。重視新型材料的開發與應用，必然使機床結構設計和性能發生變革。 

　　3高精（jīng）度（dù）插補數控係（xì）統 

　　高位數CPU（64位）在數控裝置上（shàng）的應用，高速納米級插補運算、高分辨率伺服等功能為提高數（shù）控機床（chuáng）精度（dù）做出重要貢獻。 

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

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

　　實現納米級精度插補，伺服驅動係統控製分辨率和響應能力（lì）是非常關鍵的。為此，在驅動單（dān）元之中伺服電機軸上安裝高精度傳感器（16×106線/轉），在（zài）閉環係統中采用高分辨率（1μm）的光柵尺，可使小型數控機床的運動部件定位精度達到2~3μm。一般情況下，國產（chǎn）小型數控（kòng）機床還達不到這樣的水平。