国内数控机床的技术应用黎茂恒.docx

国内数控机床的技术应用黎茂恒.docx

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国内数控机床的技术应用黎茂恒

数控机床与编程论文

题目：

国内数控机床的技术应用

院别：

机械工程学院

专业：

机电信息工程

指导老师：

班级：

姓名：

学号：

目录

1，概述..........................................3

2，数控机床的发展历史及发展趋势.....................4

3，国内外消费级市售加工中心对比...................9

（1），国产市售加工中心.......................9

（2），日本在华市售加工中心....................10

（3），德国在华市售加工中心....................12

（4），美国在华市售加工中心..................13

4，总结......................................14

5，参考文献.......................................15.

数控机床技术应用现状及趋势

黎茂恒

概述：

科学理论离应用总是有一定时间的差距，很多纸面已经成熟的技术，受制材料，控制等各方面因素，很难立刻真正应用到产品中。

而一些高端概念性产品，由于成本和市场等各方面因素，真正实现商业化量产也是还需要一段时间。

哥白尼几百年前创立了日心说，但是，一直到了现在，人类才能发射火箭，卫星遨游太空，观测在几百年前已经被证实的理论。

如今，空间理论也已远在人类视觉之外，而人类却也只能止步月球。

同样的，数控机床的理论也远远走在应用之前。

很多理论已经很成熟，但是，只是不知道怎么去实现。

受制于材料，高精伺服系统，控制系统的发展。

然而，机械制造行业本身是一个相当古老的行业，普通企业对于技术的渴求和运用也并非总是紧跟着理论科学的发展。

对于追求利润的企业而言，在技术创新和成本控制上需要找到一个平衡点，不能一味的追求最新技术而盲目采购技术最先进的设备。

一个浇铸可以达到精度要求的零件没必要用几千万元一台的高端数控加工中心来加工。

那样才是真正的得不偿失！

所以，对于紧跟高端技术，没有着眼现实的人们来说，普通企业实际投入运营的机床技术就显得很古老了。

真正高精尖的数控技术也往往不会用在民用方面，而是军工，兵器，和航空航天等等事关国家安危的行业。

那一类型数控机场的先进的技术和参数也是不会外流的。

笔者之前试图通过找到的高端数控机床型号的技术应用来分析机械行业对于人类累计的知识的整体应用水平。

无疑，遇到了很大的瓶颈——因为就机械行业而言，最高端的不是民用的，能普及民用的就已经不是最高端！

无疾而终。

所以，本文通过对当前数控机床的技术应用的水平作一些理论上的的分析，然后结合几款市售机床的参数来说明一些国内数控机床的主流，以分析国产机床的现状和发展。

关键词：

中外机床，技术应用现状，技术趋势，加工中心

一，数控机床的发展历史及发展趋势

人类制造业从发展至今，先是手工制作敲敲打打，以及后来发展出了水流动力普通机床，比如工业革命前夕，欧洲国家比较常见的锯木厂。

建立在河边，以水流为动力带动锯子锯木。

那也算是机床的雏形吧，此后的机床是随着时代的进步，慢慢的进步。

信息化时代之前最明显的改进是动力，有蒸汽动力变成了综合的机电产品。

但是真正给机床带来跨时代发展的是信息技术时代的到来，由于计算机技术的发展，产生了数控机床。

相对于普通机床大大的提高了生产效率和产品质量。

于普通机床相比：

数控机床有如下特点：

●对加工对象的适应性强[1]，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；

●加工精度高，具有稳定的加工质量；

　　●可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

　　●加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；●机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；

　　●机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

　　●有利于生产管理的现代化数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；

●对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高；

●可靠性高。

 数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中的一项核心技术。

数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。

当前，数控机床的发展主要体现为以下几方面：

1 高速、高效

      机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

20 世纪90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000 － 100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60～120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。

目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到5000～8000m/min以上；主轴转数在30000 转/分（有的高达10 万r/min）以上；工作台的移动速度（进给速度）：

在分辨率为1 微米时，在100m/min（有的到200m/min） 以上，在分辨率为0.1 m 时，在24m/min 以上；自动换刀速度在1 秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。

2 高精度

      从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。

当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10 m 提高到±5 m；精密级加工中心的加工精度则从±3～5 m，提高到±1～1.5 m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001m），主轴回转精度要求达到0.01～0.05 m，加工圆度为0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003 微米等。

这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2 m，轴向窜动小于1 m，轴系不平衡度达到G0.4 级。

高速高精加工机床的进给驱动，主要有"回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠"和"直线电机直接驱动"两种类型。

此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。

滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081 级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。

当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993 年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的"零传动"，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。

目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

3 高可靠性

      随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16 小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝ 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000 小时。

我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:

1（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF 就要大于33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF 就必须大于10 万小时。

当前国外数控装置的MTBF 值已达6000 小时以上，驱动装置达30000 小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

4 复合化

      在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。

就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。

事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期

5 多轴化

      随着5 轴联动数控系统和编程软件的普及，5 轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5 轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3 维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。

6 智能化

      智能化是21 世纪制造技术发展的一个大方向。

智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

7 网络化

      数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。

数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet 技术。

随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。

数字制造，又称"e-制造"，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。

随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。

机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。

数控应用软件日趋丰富和具有"人性化"。

虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。

通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。

在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP 等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。

8 柔性化

      数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

9 绿色化

      21 世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。

目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。

干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。

不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑（MQL） 的准干切削。

目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10～15%的加工使用了干和准干切削。

对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。

在各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。

总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。

可以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。

二，国内外消费级市售加工中心对比

上文所说的都是理论上的应用水平。

如前文所说，机械行业是一个古老的行业，并不是所有的企业都能应用走在世界前列的技术。

比如数控机床的可靠性的发展趋势是MTBF时间越来越长，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。

加工中心，简称cnc，是由机械设备与数控系统用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。

是数控机床中技术应用的集大成者。

所以下文通过各大品牌官网能找到的卧式加工中心来一窥国内机械行业在数控机床的技术应用水平。

1，国产市售加工中心

沈阳一机机床销售有限公司主营产品为金属切削机床，包括两大类：

一类是数控机床、主要有数控车床、数控铣镗床、立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、数控钻床、重大型数控机床、高速铣削中心、激光切割机、质量定心机及各种数控专用机床和数控刀架等；另一类是普通机床，主要有普通车床、摇臂钻床、卧式镗床、多轴自动车床、各种普通专机和机床附件，共300多个品种，千余种规格，市场覆盖全国，并出口80多个国家和地区。

以下是在其官网上找到的关于加工中心的一些信息。

BW60HS/1高速卧式加工中心

　BW60HS系列高速卧式加工中心的设计、制造技术及应用技术完全来源于德国，机床不的关键零部件（如：

电主轴、数控转台、滚珠丝杠、线性导轨、轴承、绝对式光栅尺测量系统、液压系统、润滑系统、气动系统、数控系统及驱动控制系统、刀库等）均采用德国进口知名品牌。

BW60HS系列高速卧式加工中心，具有高精度、高速度、高效率、高可靠性的特点，是目前国际先进的现代化机床，广泛适用于汽车、摩托车、仪表、液压件、模具、航空等行业，是加工箱体、壳体、阀体、连杆类零部件加工以及轴类零件端面加工的理想设备。

没有给出具体的参数，但是，从其简介来看，我们可以一窥国内机床的技术水平，其标榜关键部件来自德国。

可见，我国的机床产业确实落后不少。

2，日本在华市售加工中心

山崎马扎克机场为例子。

　日本山崎马扎克（MAZAK）公司是一家全球知名的机床生产制造商。

公司成立于1919年，主要生产CNC车床、复合车铣加工中心、立式加工中心、卧式加工中心、CNC激光系统、FMS柔性生产系统、CAD/CAM系统、CNC装置和生产支持软件等。

产品素以高速度、高精度而在行业内著称，产品遍及机械工业的各个行业。

马扎克在国内的市售卧式加工中心。

型号：

CKTURNSMART350M

参数：

详情

型号

QUICKTURNSMART350M

中心距离

650U,1250U

卡夹尺寸

12"

最大加工直径

Φ420mm（Φ16.5"）

棒料加工能力*1

Φ102mm（Φ4"）

最大加工长度*2

613mm,1233mm（24.17",48.67"）

行程（X/Z）

265mm/730mm,1350mm（10.38"/28.63",53.13"）

主轴（30分额定）

3300rpm,30kW（40HP）

銑削主轴（10分额定）

4000rpm,7.5kW（10HP）,（*6000rpm）

刀具收纳容量

12

所需占地面积大小

3050×1910mm,3770×1910mm（120.1"×75.2",148.4"×75.2"）

更新时间：

2011-9-22

QUICKTURNSMART350M

新一代智能化CNC数控车床10”夹口，高性能紧密型数控+铣削机床

中心距离：

650U，1250U

QUICKTURNSAMRT系列高效率，高精度，高可靠性，提供您所需要的机型。

而MAZATROLSMARTCNC对话控制系统：

操作简单，编程语言严谨。

另外，CNC系统可运用EIA/ISO格式的程序代码和对话式编程。

通过参数，我们可以看出，相对于高端数控动辄几万几十万的主轴转速而言。

这款机床就显得比较古董。

但是，这也反映了中国普通企业对于机床的技术要求。

这才是机械行业消费级的机床。

只应用于军工，航天的高端机床对于普通行业来说，就显得科幻也不切实际了。

3，德国在华市售加工中心

德国DMG机床集团是由德国的德克尔（Deckel）、马霍（Maho）、计得美（Gildmeister）三家机床公司组成，称机械皇帝。

德国人在机械上的严谨在DMG机床上得到了最好的体现。

DMC80HduoBLOCK® |强力卧式加工中心

强力切削及高精度-此为新型DMCHduoBLOCK® 系列的卧式加工范围。

机床的长行程达800x800x800mm并且具有较小的装夹尺寸，快移速度可达60m/min，独特刀具设计的交换方式及托盘交换器，均为该机床特色。

使用具有8,000rpm及1,075Nm扭矩的传动轴扭矩，DMC80HduoBLOCK® 符合强力切削所有的要求。

这款加工中心拥有240把刀具的链式刀库，扭矩达1500Nm的重型切削能力，高速铣削，镗孔时主轴最高可以达到18000rpm，这些都是足以让国产机床颤抖！

不是笔者偏心，光就图片和参数而言，DMGDMC80HduoBLOCK®算是中日德三国市售机床中最漂亮的。

充分体现了德国人的技术实力，当然日本机床也很厉害，可能也体现了，山崎马扎克和DMG对于中国市场的不同态度吧。

4，美国在华市售加工中心

哈斯自动化公司是全球最大的数控机床制造商之一，全球唯一的生产基地坐落于加州奥克斯纳德，厂房面积超过100,000平方米。

哈斯自动化公司自创立至今，一直采用最现代化的生产工序来确保机床的高性价比。

这一举措带来了每年稳定的增长，以及生产线的持续扩充。

同时，定期引入创新性的新机床来不断改进现有的生产线。

2003年，哈斯于中国上海设立了亚洲总部，其功能主要是支援当地的HFO（哈斯数控机床专卖店）服务客户。

这是笔者找到的机床品牌里面唯一一个明码标价的加工中心。

下面我们通过其官网上售价最贵达$219995.00的EC-1600YZT卧式加工中心来一窥美国机床的领头羊哈斯在中国的技术表现。

"卧式加工中心,64""x50""x40""（1626x1270x1016mm）,50锥度,带齿轮箱主轴，30hp（22.4kW）矢量驱动，6000rpm,30把刀的侧式换刀库；标准性能包括1MB程序内存，15""彩色液晶显示器，USB接口，内存锁定功能，刚性攻丝，断电保护装置，彩显遥控手轮。

还包括防护罩，排屑及冷却系统。

现场安调时需地脚固定。

尽管官网给出了尺寸，规格，选项，附件，刀具，主轴等等一系列的按钮入口，但是笔者点击没有反应，没能找到更多的技术参数。

从6000rpm和30把刀的刀库而言，哈斯相对DMG似乎逊色很多。

它的外形相对于日本和德国机床，一如其美式肌肉车风格，显得粗矿许多。

但是这只是外形而已，笔者不是以貌取人的人。

毕竟机械加工不是选美，但是笔者也无从知道其实力表现如何。

总结：

中国的机床产业起步晚，技术底子差，加上西方国家对中国实行技术封锁，所以，中国机床的发展相对落后，作为向各个行业提供技术装备的基础性，战略性产业，装备制造业是各个行业产业升级，技术进步的保障。

然而我国装备制造业大而不强也是不争的事实。

我们国家高精尖机床行业发展空间巨大，以军工，航空为代表是对高端机床最饥渴的行业，这也不难理解为什么西方国家要对我们国家实施技术封锁了。

目前国产机市场占有率约为百分之70，但是，数控机床市场占有率仅为百分之43左右，特别是高端机床行业。

中国机床工具工业协会执行副理事长王黎明指出，目前中国高档数控系统和功能部件仍然主要依靠进口。

国内高档系统的自给率不到5%，约有95%依赖进口，其中日本成为主要的进口国，约占1/3；国产中高档数控系统总和不到20%。

总体市场占有率不足百分之10。

2011年山东济南二机床集团承担的两个国家重大专项课题――“高速龙门五轴加工中心”和“双摆角数控万能铣头”在济南同时通过国家验收,其技术被验收组专家认为达到国际先进水平。

这两个项目均打破国外技术封锁和垄断,是国内航空、航天等重点行业领域急需的关键装备。

但是，其参数和技术水平都是那些专家说的，具体什么情况，我们就不得而知了。

希望真的走上了国际前列。

　　在国际市场上，中、高档数控系统主要由以日本、德国和美国公司为代表的少数企业所垄断，其中发那科占一半左右。

在国内市场上，主要规模生产企业有20多家，以华中数控、广州数控、大连大森、北京斯达特、北京凯恩帝、南京华兴等6家企业为代表。

中国国产机床目前只有30%的数控化率，与发达国家60%～70%的水平存在很大差距，存量机床的数控化率只有10%左右。

专业人士指出，在中国机床行业整体高速增长的背后，仍存隐忧。

从产品结构来看，机床行业的增长主要依靠低端普通机床的带动，高中档机床所占比例不断减少，重型机床市场走势趋缓，因而目前行业的发展道路并不健康。

　　自进入2011年以来，中国机床企业的订单增长迅猛，产品供不应求。

尽管市场形势持续向好，订单不断增多，但企业普遍反映拖期交货再次成为行业的常态，而功能部件供应紧张是这一矛盾的焦点，它已成为当前企业生产的突