我国数控机床技术发展与展望

作者：中国机械工业联合会科技工作部 李冬茹

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... “十五”期间，通过国家相关计划的支持，我国在中高档数控机床关键技术研究方面有了较大突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果和核心技术，打破国外的技术封锁，在五轴联动加工机床、车铣复合加工机床、高速加工机床、纳米级分辨率数控车床等重大数控装备上均有突破。开发出多种中档数控机床产品，多轴控制的开放式数控系统等实现了商品化。各类功能部件，如转塔刀架、电主轴、刀库、滚珠丝杠等发展迅速，数控机床的技术水平、质量水平、可靠性、外观及工艺水平等取得了长足进步，促进了数控机床产品的结构升级和产业化。 1 科技创新取得了一批原创性技术成果 “ 十五” 期间， 通过科技创新，在数控机床领域取得了一批原创性科技成果，其中具有代表性的产品有： 1.1 超精密球面加工机床 北京机床所自主研制的超精密球面加工设备， 采用整体减震结构、超精密气浮主轴和回转工作台、精密的两轴气浮导轨，可满足薄壁易变形、表面粗糙度要求高的球面和整球零件的超精密加工，加工超精密半球时，表面粗糙度Ra0.025μm。同时，通过大量有针对性的工艺试验，摸索出了较完整的球体超精密加工的工艺技术，为批量生产奠定了基础。该类设备也可服务于如透镜模具、照相机塑料镜片、条形码阅读设备、激光加工机光路系统用聚焦反射镜等高技术产品。 1.2 数控砂带凸轮轴磨床 上海机床厂有限公司在周勤之院士的带领下，研制的采用共扼原理的数控砂带凸轮轴成形磨床，可同时加工所有的凸轮型面。 1.3 金属板料无模成型制造系统 由吉林工业大学研制成功的金属板料无模成型制造系统，以多点成形技术为核心，利用计算机控制一系列规则排列的冲头点阵，通过调整冲头高度形成所需的成形曲面，代替模具实现金属板壳类件的无模、快速、数字化成形。通过攻克快速调形机构及其控制系统、柔性压边、起皱与压痕控制及回弹补偿等关键技术，开发出分段成形、反复成形、多道成形、闭环成形以及薄板多点成形等新工艺，研制出3150kN、2000kN、630kN和200kN四种规格的无模多点成形集成系统及配套的CAD/CAM专用软件，并在长春轨道客车股份有限公司使用多点成形系统首次实现了流线形火车头覆盖件的无模多点成形。 1.4 大型龙门式五轴联动混联机床 由齐齐哈尔二机床集团、清华大学和哈尔滨电机厂有限公司“产学研用” 密切合作开发的XNZD2415大型龙门式五轴联动混联机床，是我国在并联机床研究方面的一个突破。该机床取得了/项国家发明专利，结合串联结构与并联结构的优点，采用双柱龙门工作台移动式，用直线驱动实现虚拟空间坐标位置变换，结构简单，多自由度运动能力强，具有较高的柔性和工艺集成度。并联运动采用两组平行四边形机构，A/C摆角铣头采用双蜗杆消隙机构驱动，交叉滚柱轴承支撑，刚度高，保证了主轴进给刚度及精度，实现A轴转角±105°，C轴连续转角0~400°，可实现叶片、导叶等复杂空间曲面的加工。由清华大学开发的基于RT-Linux的数控系统采用高精度控制算法，应用数控后置处理系统将标准刀位文件转换为标准加工代码。 由于混联机床的主运动集中在并联构件上，运动部件质量轻，运动速度快， 可以完成高速切削加工。相比之下，机床重量可降低四分之一，制造周期可以缩短40%。XNZD2415型数控龙门混联机床通过在哈尔滨电机厂水电分厂近两年时间的生产应用，在加工水轮机叶片和导叶曲面中，表明该机床性能可以满足加工要求。 由哈尔滨量具刃具集团、哈尔滨工业大学联合开发的并联机床采用典型的并联机构加一卧置（或立置）数控转台，形成并、串联的七轴联动机床，能实现五坐标联动。在并联机床装自动刀库，在机床上可自动标定及在线检测。目前已有4台用于哈尔滨汽轮机厂的叶片加工。 上述新型结构机床在生产实际中的应用，标志着我国自主开发的混并联结构机床开始步入实用阶段。 1.5 纳米精度微型数控磨床 纳米精度微型数控磨床是上海机床厂有限公司与国外合作开发的具有国际水平的外圆磨床。该机床的床身采用整体式大理石结构，具有精度高、抗震性好的特点。机床主轴转速达到60000r/min，砂轮架轴采用空气密封冷却系统，机床长度150mm， 砂轮架进给50mm， 采用最小直径可达0.2mm的金刚石砂轮，可满足高精度小孔、槽、台阶面的加工，尤其适合小型液压阀芯的超精密磨削，是目前国内生产的精度最高、规格最小的磨床。 1.6 磁悬浮轴承高速主轴单元 山东大学研制了具有自主知识产权的内装式电机驱动磁悬浮轴承高速主轴单元样机。山东大学通过采用遗传算法对电磁轴承进行了多目标优化设计，开展了磁悬浮轴承的仿真研究、磁悬浮轴承起浮试验、转速试验、轴承刚度测试以及工业磨削试验，该主轴单元样机的最高转速达到34,000/min，刚度达到645.9N/μm， 回转精度达到0.0015mm。数字控制器采用DSPTMS320系列负责控制算法，采用TMS320VC33为系统硬件平台，基于G(HI的功率放大器设计，PC机监视状态实时显示。通过在济南四机数控机床有限公司研制的J4K-095数控内外圆复合磨床上进行磨削实验，目前磨出的钢试件内孔表面粗糙度为Ra0.89μm（见图4）。虽然距工业应用还有一段距离，但为我国跟踪国际先进技术发展打下了初步基础。磁悬浮轴承如应用到风力发电机、腐蚀液体电镀系统及其他高速旋转机械和洁净环境等领域，可发挥磁轴承高转速、无摩擦、长寿命、不用润滑、无污染、低功耗等优点。 2 高性能数控机床的技术创新取得突破 2.1 直线电机驱动高速立式加工中心 北京机电院高技术股份有限公司研究开发的直线电机驱动高速立式加工中心，通过对具有高加速度和高速度性能的直线电机驱动的进给部件及其防护装置的合理设计，攻克了相关控制系统和软件的匹配及调试、关键零部件的加工工艺及直线电机部件的装配调试等关键技术，解决了在高加速及高速运动条件下保证机床刚性和精度的机床结构布局问题，研制出了我国第一台直线电机驱动的高速加工中心。主要参数：工作台尺寸1400mm×630mm， 主轴转速10~15000r/min；直线电机驱动轴X、Y轴，最大快移速度分别为100m/min和120m/min，最大加速度分别为0.8g和1.5g；Y、Z轴重复定位精度分别为0.0056、0.0030 和0.0021， 主轴轴端径向跳动≤0.0008mm。 2.2 高速五轴数控龙门铣床 济南二机床集团有限公司通过引进技术的消化吸收，掌握了铣头内油雾润滑冷却、横梁预应力反变形控制等关键技术，并利用谐波传动原理，开发了A/C摆角铣头，自行研制出高速五轴数控龙门铣床，主要满足大型水泵叶片曲面加工精度的需要，提高了生产效率，也可用于大型模具加工。桂林机床股份有限公司通过与大专院校合作，自主开发了五轴联动数控龙门铣床，已实现销售十余台。 此外，济南二机床集团公司、江苏多棱数控机床公司、中捷机床有限公司、北京航空制造工程研究所等单位还研制开发了横梁移动式高速五轴数控龙门铣床，特别适合航空大型板类结构件及大型模具的高速加工。 2.3五轴车铣复合加工中心 沈阳机床集团通过与国外联合设计，攻克了动力驱动单元、大直径大通孔的高速强力主轴、刀架、机床热平衡、精度补偿等多项关键技术，主传动兼顾了大扭矩输出和高速输出，动力刀具主轴的设计也实现了高转速与大扭矩的兼顾，Y/B轴部分的设计功能更完善，刚性更高，尾台的设计充分考虑刚性及高的自动化和安全性，高性能车铣复合机床的刀库及机械手换刀装置为完全自主知识产权。开发出五轴车铣复合加工中心并完成了系列化、规格化产品的设计和生产。主轴最高转速700r/min，可满足形状复杂的大型回转体零件加工要求，如飞机发动机主轴、起落架、船用发动机活塞、增压器蜗杆差速换向器、螺旋叶片合装的高速高效加工等。 大连机床集团公司、北京北一数控有限公司等通过与国外技术合作，也研制成功了五轴车铣复合加工中心并投入使用。 2.4 双刀架多主轴数控车床 济南一机床集团公司研发的MJ-860DT型双刀架、四轴对置式数控车床具有规格大、刚性高、主轴低速时有重切削能力等特点。由于采用了双刀架和四轴对置的形式，同时可加工两个零件，使加工效率大幅提高，消除切削振纹及提高刀具使用寿命，特别适宜中低转速下筒类零件、高强度耐热钛镍合金钢类零件的强力切削。 沈阳机床股份公司沈阳第一机床厂开发的对置式双主轴高速车削中心， 快速移动速度≥30m/min，最大移动加速度达到1g；主轴最高转速≥7000r/min。重点组织了对高速机床的热平衡及可靠性技术、高速液压卡盘与配油选择及装配调整技术、高运动精度导轨结构设计技术、对置式双主轴同步技术的攻关，掌握了高转速、高加速度机床的设计与装配技术。研制出CHH6125样机，达到专题规定的各项指标。 南京数控机床公司开发的高效、大型车削单元是国内重机和军工、航天等行业急需的设备。通过大型车削加工单元的研制，主轴最大输出扭矩达2500Nm，主轴最高转速2500r/min， 可适合大扭矩切削，提高加工效率，同时对主轴的加工工艺、主轴单元的动平衡、主轴箱体孔的研磨工艺、轴承与主轴和箱体孔的配合、主轴轴承的预加负荷及温升控制进行了大量的试验，保证主轴单元达到规定的技术要求。采用模块化设计，针对加工不同零件实现不同的模块组合，使机床具有较宽的适用范围。此外还针对兵器和航天行业典型的弹体类零件的特点和要求设计了龙门式上下料机械手。 2.5 五轴叶片加工中心 北京机电院高技术股份有限公司和东方汽轮机厂紧密结合，为东方汽轮机厂加工大型汽轮机叶片研制出五轴叶片加工中心系列产品。 通过对大型叶片加工的工艺特点研究，根据机床各运动部件的实际情况求出最佳“ 刀心距”， 给出了“最佳刀心距”的求解方法，并把它作为一个重要的设计参数应用于机床设计中。设计了回转轴的新型消除间隙机构，确保稳定控制回转传动的间隙值，提高了机床的抗振性。设计出“机构平衡”系统，推导出“机构平衡”原理，首创提出“ 自位组合弹簧”， 平衡效果达到80%。自行开发基于Windows平台的加工后置处理软件，可在用户现有加工软件基础上根据自己的工艺调整参数，以提高加工质量和加工效率，适合于多种数控系统。经用户两年的使用，国产五轴联动加工中心的主要技术指标完全能满足当前大型叶片加工的需要。 2.6数控成形磨床 由杭州机床集团公司自主研发的七轴五联动数控成形磨床，采用缓进给深切强力成形磨削技术，可将毛坯直接磨削成形为零件，不仅成形精度好，而且减少了许多加工工序，使生产效率有很大提高。主要用来磨削重型燃气轮机叶片圆弧叶冠等复杂形状零件的形面加工，特别适用于难加工材料零件多方向、凸凹面、圆弧面的精密加工。 2.7 数控重型机床 北京北一数控机床有限责任公司通过开展龙门产品的系列化、模块化设计研究，增加了系列机床变型产品的种类；通过对机床结构件、进给模块和主传动模块的优化简化，增加模块、功能组件及零件的通用性；完成了系列产品高速主传动的研究开发、弧面凸轮的设计及加工制造、高速进给技术的研究开发、立卧转换头结构及立卧头自动转换、五面加工的编程等多项关键技术的研究开发。为兵器工业提供了一批重型加工设备；同时在军工用户需求的基础上，开发了XHA2140×120,动梁龙门加工中心和XKA2140×80,数控动梁龙门镗铣床，采用模块化设计，拓展了XHA21系列龙门加工中心和XKA21系列龙门镗铣床的规格与功能范围，形成了XKA21系列龙门加工中心和XKA21系列龙门镗铣床产品，其中XHA2140×120,动梁龙门加工中心是目前国内自行开发制造的规格最大的动梁龙门加工中心。 武汉重型机床厂研制的CKX53160,型数控单柱移动立式铣车床， 加工直径16m.， 加工高度6.3m，工作台承重550t并可精确分度， 要求工件一次装卡完成车、铣、镗、钻、攻丝、磨削全部加工工序，制造难度大。该机床的试制成功，保证了三峡电站550t巨型水轮机转轮的加工。武汉重型机床厂研制开发的重型七轴五联动车铣复合加工机床，最大加工直径8000mm， 最大加工高度2000mm，承重100t，具有五轴联动车、铣复合加工、在线测量等功能，可实现工作台自动精确分度，能一次装卡完成螺旋桨的全部工序的加工，是我国首台自行研制的大型螺旋桨数控五轴联动加工机床，并达到当代国际先进水平。 此外，国内部分机床企业还先后为国家重点建设工程和装备制造业提供了一大批各类数控机床，包括用于铁路提速机车车轴及零部件、磁悬浮列车轨道梁、高速电力机车及零部件；大型发电机组和输变电设备；万吨级轮船尾轴、大型船用柴油机及零部件；压力机部件；大型鼓风机转子，大型阀门和大型水泵；连铸连轧设备及零部件等的制造。为国防工业建设提供各类大型、精密数控机床，用户涉及航空、航天、船舶、兵器、核工业、电子等行业。 3 功能部件研究开发步伐加快 3.1 高速主轴单元技术日臻成熟 北京机床研究所通过对分离式高速主轴单元和内装式高速主轴（ 电主轴） 单元关键技术的研究，掌握了结构设计、分析、精密加工工艺、动平衡、装配调试、试验等关键技术，开发了电主轴和分离传动式高速主轴单元，建立了高速主轴单元试验台，完成了测试实验，实现了为其生产的立式和卧式加工中心配套。 由洛阳轴承研究所轴研科技股份公司研究开发出*+余种型号的内装式高速电主轴单元，形成了系列产品，分离式主轴单元有适合BT40、BT50刀柄， 转速6000、8000、10000r/min等多种规格， 电主轴单元有适合,BT40、ESA63V刀柄、转速10000、15000、20000、24000r/min等。主要为加工中心、数控铣床、数控车床、数控磨等配套。 此外，也有部分主机厂通过外购电机转子、定子等，也开发制造了电主轴单元，并为自己的产品配套。 3.2 直线伺服电动机研究开发不断深入 由清华大学研究开发的高响应直线电机和高推力直线电机伺服系统，所用专用电源稳定可靠；在控制系统方面，采用工控机和高速处理器（DSP）上下位多处理器控制，具有通用和专用（车削中凸变椭圆活塞）相结合的特点；构建了专用高推力永磁交流直线电机全数字伺服驱动控制的软硬件平台，实现包括位置环、速度环和电流环在内的闭环控制，实践推力波动及伺服控制系统相关参数的辨识算法，探索克服高推力永磁交流直线电机固有的端部效应和齿槽力的补偿控制算法，完成高推力永磁交流直线电机的高精度全数字伺服驱动控制器的实验平台和原型样机。在伺服控制方面，实现了电流环、速度环和位置环算法融合。 3.3 A/C轴复合摆角铣头 通过自主创新以及与国内外的技术合作，目前国内已有多家机床生产企业（如江苏多棱数控机床有限公司、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司、北京北一数控机床有限责任公司、武汉重型机床公司、中捷机床有限公司等）掌握了A/C轴复合摆角铣头的设计制造技术，开发出不同结构形式的五轴联动数控机床。北京机电院高技术股份有限公司还开发了力矩电机直接驱动的A/C轴复合摆角铣头。 3.4 高速转台与刀库 汉川机床有限公司自主开发了由力矩电机直接驱动的数控转台和回转刀库。 3.5 高速工具系统研究 “十五”期间，成都工具研究所与江苏大学等单位合作，对HSK工具系统高速回转状态下的共性基础技术进行了系统的研究分析。通过对HSK工具系统结构特性的有限元分析和数值模拟、仿真计算，系统地研究了HSK工具系统的工作机理、建立了力学模型、动平衡数学模型和动平衡失稳性的数学模型；通过HSK工具系统的高速切削实验研究，初步提出了高速加工中切削能与加工质量的关系、动平衡精度的实际意义与原则；开发出UJS-HSK工具系统的专家知识系统及专用软件，建立了HSK工具系统综合性能试验数据库。研究开发了HSK刀柄技术及相关产品，系统地设计了HSK32、40、50、63、80、100等六个规格的HSK中空短锥柄的部分产品图纸，建立了HSK工具系统标准图库及其产品图库。 通过对HSK工具系统结构特性及工艺分析，制定了HSK工具系统的机械加工工艺路线和流程；筛选了产品的材料，制定了热处理工艺技术要求；开发了HSK热装刀柄装卸用的高频电磁加热装置与技术；开发了HSK工具系统夹持扭矩测试装置技术；完成了HSK工具系统部分产品的研制与生产工作；进行了HSK工具系统部分产品高速切削试验。试验表明，国产HSK工具系统的技术和质量已达到同类进口产品技术水平，可以替换同类进口产品。 4 中高档数控系统开发研究与应用取得一定成果 “十五”期间，国内企业通过自主研发或与国外开展技术合作，在中档数控系统的开发和生产上取得明显进展。如武汉华中数控公司、北京航天数控公司、西南自动化所等单位先后开展了开放式数控系统体系结构和软硬件平台的研究，开发了数控系统运动控制、可编程控制器和人机界面的二次开发软件包以及适合不同加工工艺要求的功能组件，并基于这些功能组件建立了满足三类操作系统（LIN-UX、DOS、WINDOWS）开放式数控系统平台。系统具有直线、圆弧、螺旋线插补功能，空间任意曲面插补和A、B、C轴线性插补功能；反向间隙、单向和双向螺距误差补偿功能；支持跨平台数控软件开发工具及标准计算机外设，并在研制的开放式平台上派生了多种特殊数控系统。实现了丝杠螺距为10mm、分辨率为1μm的参数设置条件下， 快速移动速度大于100m/min；分辨率为0.1μm时，快速移动速度大于20m/min；控制轴数6轴、可同时控制5轴，满足了用户的需求。现已有十几套五轴联动数控系统应用于桂林机床股份有限公司生产的大型龙门加工机床。同时在此基础上进行功能裁减，开发了满足普及型中档数控机床配套的车床控制系统和铣床控制系统。 为适应数控系统的配套要求，武汉华中数控公司、北京航天数控公司、广州数控设备厂、北京凯奇数控公司等一批企业相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统，完成了20~200A交流伺服系统系列型谱的开发，并形成了系列化产品。同时，还开发了与之相配套的交流伺服电机，额定转速范围200~3000r/min； 完成了1.5~22kW交流主轴伺服控制系统及相应主轴电机系列型谱开发和样机制造，并实现数控系统的成套应用。 目前，武汉华中数控公司和广州数控设备厂已形成批量生产交流伺服系统的能力， 华中科技大学电机厂、武汉登奇电机厂等形成了交流伺服电机的批量生产能力。通过科技攻关与技术创新，部分国产系统实现了软硬件与标准计算机高度兼容，可随时吸纳或采用计算机技术发展的新成果，并开发出可与多种伺服驱动系统接口的能力，不仅具有数控现场总线接口（如SERCOS总线），也可支持低价位数控系统。 此外，北京机床研究所针对多种零件的混流生产，通过对生产项目规划、管理系统及加工质量控制和管理系统的研究，开展了上述生产环境下的工夹具和刀具管理系统、多种控制系统数控机床集群制造车间分布式网络系统及异地远程制造信息集成技术的研究，开发了针对使用多种控制系统的数控机床集群控制系统（包括数据管理、库存管理、主生产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间任务管理、车间作业管理、质量控制和管理、设备管理、人力资源管理等子系统），并在车间级数控机床集群控制项目中进行了示范应用。 5 “十一五”展望 “十五”期间，我国机床制造业存在的主要矛盾（如部分关键技术的掌握，自主创新与消化吸收再创新能力的提高，中高档数控机床的开发水平、用户加工工艺的了解及服务水平等）有了初步的缓解，并取得较大的进步，但尚未从根本上解决，还需继续不断努力，赶上世界技术发展的步伐。 国民经济建设和国防工业建设（ 包括能源、交通、船舶、机械、冶金、航空、航天、军工等）重点领域对我国机床制造业提出了新的要求。 “十一五”装备制造业发展规划纲要中明确提出，国家把以数控机床为代表的基础装备作为重点发展的七大领域之首，提出了重点发展的方向。 围绕发电设备、航空、航天、船舶需要的高精、大型、专门化工作母机和工艺复合化机床，汽车制造业需要的成套、高效、高精度、高可靠性及柔性制造系统以及IT工业对专用设备的需求，我国机床制造业任重而道远。"(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/8/2006)