1. 数控机床的发展趋势

　　数控机床的出现已经半个多世纪，历经了从数字控制（Numerical Control，NC）、直接数控控制（Direct Numerical Control，DNC）到今天制造业普遍应用的计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）。展望未来，其发展趋势究竟如何，是大家普遍关心的问题。

　　数控机床的加工精度和切削速度大约每8年提高一倍。定位精度很快将告别微米时代而进入亚微米时代，高速和高精度是现代数控机床的主要特征。

　　现代机床的特征还有：复合加工、多轴联动、环境友好（绿色生态机床）、智能化监控和补偿以及人机通信和自主管理（聪明机床），集成为高性能数控机床。高性能数控机床的总体目标是大幅度提高生产效率和产品质量，节能减排、保护环境和操作者健康。

　　可以预测，在未来的3～5年，机床制造商和研发机构将在下列领域争夺制高点：

　　（1）虚拟机床（NC Verification）。研发机电一体化的、硬件和软件集成的仿真技术，提高机床的设计水平和使用绩效。
　　（2）绿色生态机床（Green Eco-Machine）。节能减排，力求生产系统的环境负荷最小化。
　　（3）聪明加工系统（Smart Machining）。提高生产系统的可靠性、加工精度和综合性能。
　　（4）e-机床（Autonomous Machine）。提高生产系统的独立自主性以及与使用者和管理者的交互能力，使机床不仅是一台加工设备，而是企业管理网络中的一个节点。

　　2. 什么是绿色生态机床

　　机床是将毛坯转化零件的工作母机，在使用过程中不仅消耗能源，还会产生固体、液体和气体废弃物，对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。从整个机床生命周期内审视，如何减少对环境冲击的绿色生态机床就成为当前研究的热点。

　　什么是绿色生态机床呢？绿色生态机床应该具有以下特点：

　　（1）机床主要零部件由再生材料制造。
　　（2）机床的重量和体积减少50%以上。
　　（3）通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30%～40%。
　　（4）使用过程的各种废弃物减少50%～60%，保证基本没有污染的工作环境。
　　（5）报废后机床的材料100%可回收。

　　2.1 减重节能

　　据统计，机床使用过程中用于切除金属的功率只占25%左右，各种损耗占去大部分。

　　绿色生态机床的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需功率来构建具有生态效益的机床（Eco-efficient Machine）。绿色生态机床提出一种全新的的概念：大幅度减少机床的重量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。

　　传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机床重量”。因此，现有机床重量的80%用于“保证”机床的刚度，而只有20%用于满足机床运动学的需要。因此机床结构优化的空间很大。实现这个目标的途径是通过采用新结构和新材料两个方面。

　　2.1.1 杆机构

　　90年代中期出现的6杆并联运动机床，由于其运动部件质量轻、结构简单等优点，一直受到机床研究者的重视，10多年来不断进行探索，推出许多变型结构和方案。尽管加工精度和机床刚度还存在一定问题，但在某些领域已经获得成功应用。例如，DS-Technology公司生产的加工飞机铝合金构件的Ecospeed型机床，其主轴部件就是采用三杆并联机构。

　　2.1.2 新型焊接结构

　　在机床设计中采用焊接结构由来已久，主要由钢板切割后焊接成为大型结构件。随着对机床结构轻量化的要求日益迫切，异型钢板和异型结构的应用获得了发展，焊接工艺也由电弧焊接扩展到激光焊接。

　　2.1.3 箱中箱结构

　　箱中箱结构是近年来机床结构配置的重要发展趋势。它的特点是采用框架式箱形结构，将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中，达到提高刚度减轻重量的目的。

　　采用箱中箱结构获得成功的关键不仅在于基于有限元分析的设计方法，而且还有构件的制造工艺，例如熔模铸造等。

　　2.1.4 新材料

　　新材料是机床结构轻量化的重要研究领域，包括碳素纤维、陶瓷和复合材料。目前已经获得实际应用的是树脂混凝土（或称矿物铸造、人造花岗石），它与传统铸铁构件相比，具有阻尼系数大、抗振性强、热稳定性好等一系列优点。

　　2.2 MQL减排

　　机床使用过程中的润滑冷却液是有害的排放物，特别是磨削时采用的乳化液对环境和工人健康都非常有害。因此，大幅度减少冷却液的使用和排放是绿色生态机床的基本特征。实现这个目标的途径有以下两个方面：

　　（1）干切削，不使用冷却液。需要机床具有足够的刚性和锋利的刀具，仅适用于加工某些形状比较简单的铣削和车削工序。
　　（2）微量润滑（Minimized Quantity Lubrication，MQL）。MQL适用范围较广，可用于各种加工方法，但需要专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），以及专门的润滑剂。

　　2.3 刀具增效

　　机床的生产效率出至刀尖上。采用先进的刀具，选择合理的刀具几何角度和切削参数，可以大幅度提高切削加工的效率，降低切削过程所需的功率，延长刀具的寿命，从而达到以较少的资源消耗获得较大产出的目的。

　　2.4 增值再用

　　金属切削加工切屑是机床使用过程中主要的固体废弃物。传统的方法是将它作为废品出售给废品回收单位，进入社会废品循环。

　　江苏省杨力集团在本企业内部将每年数千吨的铁屑和钢屑经过分拣、压块、配料、溶化浇铸出高质量的球墨铸铁件，变废为宝，制成诸如压力机曲轴等关键零件。

　　3. 绿色生态机床的案例

　　近年来，机床制造商在推出新产品时开始加入绿色生态特征，现通过以下案例加以说明。

　　案例一：森精机NMV8000加工中心

　　森精机NMV8000立式加工中心是5轴联动数控机床，适用于高精度复杂零件的加工。

　　NMV8000加工中心绿色化的主要特征如下：

　　（1）采用动柱动梁箱中箱结构，移动部件质量轻，减少驱动功率。
　　（2）工作台采用台中台直接驱动方式，提高了传动效率。
　　（3）排屑路径通畅，减少机床热变形。

　　3.2 案例二：STUDER S242车磨复合加工机床

　　为了大幅度提高轴类高精度零件的加工效率，Studer公司推出硬车削和磨削复合的机床，可配置左右、正斜砂轮架和转塔刀架，三种横向砂轮架和刀架可有15种配置方案。

　　S242车磨复合加工机床绿色化的主要特征如下：哪种好红血丝晒后如何快速美白左旋平价化妆水排行榜很好好用减肥器械推荐品牌什么牌子去黑眼圈眼霜好

　　（1）床身采用Granitan S103人造花岗石。
　　（2）硬车时干切削，不使用冷却液。
　　（3）采用斜床身，排屑路径通畅，切屑不与床身直接接触，保持机床的热稳定性。

　　3.3 案例三：EMAG Koepfer 300滚齿机

　　EMAG Koepfer 300卧式9轴数控滚齿机适用于加工中等尺寸的圆柱直齿和斜齿齿轮。X、Y、Z轴分别为径向、切向和轴向移动，A、B、C轴分别为滚刀头架偏转、滚刀和工件旋转，Q轴是辅助工具控制，W轴是尾架移动，V轴为装料器控制。

　　Koepfer 300卧式滚齿机绿色化的主要特征如下：

　　（1）床身采用树脂混凝土（人造花岗石），封闭箱形结构，保证动静态的刚度和热稳定性。
　　（2）工件和滚刀皆采用直接驱动，没有机械传动链，提高传动精度和效率。
　　（3）采用干加工和微量润滑（MQL）。
　　（4）采用斜床身结构。

　　4. 聪明加工系统

　　如果绿色生态机床的愿景是环境友好，那么智能机床的目标就是用户友好。“用户友好”的含义在于大幅度提高工作效率和工作更加舒适和安全。这就要求机床能够自主管理自己，能够自动识别加工任务和加工状态，无需或很少需要人工干预，而且能够与操作者及时沟通，变得“聪明”起来，开拓数控机床的新纪元。

　　机床在加工过程中不可避免会产生各种误差，需要采用现代监控和补偿技术，以进一步提高机床的性能和通信能力。

　　2005年，美国国家标准与技术研究所提出“聪明加工系统”（Smart Machining System）的研究计划。

　　聪明加工系统的五大目标是：

　　（1）系统动态优化。将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动态性能优化。
　　（2）设备特征化。开发特征化的测量方法、模型和标准，并在运行状态下对机床性能进行测量和通信。
　　（3）采用下一代数控系统。与STEP-NC兼容的接口和数据格式，使基于CAD模型的机器控制能够无缝运行。
　　（4）状态监控和可靠性，开发测量、传感和分析方法。
　　（5）在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。

　　聪明加工系统的实质是制造系统的智能化和网络化，其主要特征为：

　　（1）优胜奖章获得者：性能超群，知道本系统的加工能力和状态并能够上层进行通信。
　　（2）自我健康状况诊断：能够自行度量加工的质量，监控机床的“健康”状态。
　　（3）自我学习和思考：智能化和人性化，能够不断持续学习和提高自己的能力，具有知识获取、重用和管理的功能。

　　近年来，聪明加工系统很快进入商品化领域。例如，瑞士阿奇夏米尔集团在Mikron品牌机床中加入聪明加工系统选件，有5个主要模块：

　　（1）先进过程系统。
　　（2）智能温度控制。
　　（3）主轴保护系统。
　　（4）操作支持系统。

　　（5）远距通知系统。

　　4.1 先进过程控制系统

　　先进过程系统（Advanced Process System）的内涵是监测电主轴的工作状态。因为电主轴是数控机床的心脏，它的状态直接关系到加工精度和加工效率。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动可以加速度“g载荷”值的形式显示。

　　振动大小在0～10g范围内分为10级，0～3g表示加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态；3～7g表示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具的寿命的降低；7～10g表示危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具和工件的损坏。控制系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。

　　在过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值，当振动超过此值时，系统报警和自动停机。系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分析。记录的数据包括：日期、时间、g值、g极限、主轴转速、刀具号、进给率、数控程序块号和程序名。可记录程序块的容量为18000，如果取时间间隔为2.5 秒，可记录过程状态达12.5 小时之久。

　　4.2 智能温度控制系统

　　机床热变形是影响加工精度的主要因素之一。产生热变形的因素很多，主要是来自机床的工作环境和机床内部的热影响

　　（1）环境影响。例如，车间的温度分布和温度变化以及空气对流；日光、暖气和邻近机床等热源的影响；以及来自机床基础的热传导。
　　（2）机床内部的影响。例如，机床的零部件的发热（轴承、丝杆、导轨、电动机、齿轮、液压系统等），切削过程产生的热量以及冷却系统的发热。

　　上述热影响对机床结构来说是一种复杂的热输入，它随时间和机床工作状态而变化，是不可预测的，而最终造成机床热变形的大小和部位还取决于机床结构材料的热性能，即材料的热涨系数、导热率和热容量以及机床的结构设计，即部件形状、质量和热源的分布。因此，机床结构的热场分布是不均匀的且不稳定的，是一种动态的三维梯度的热场。

　　为了对机床在工作状态下的热变形进行补偿，还需要考虑切削和运动载荷所造成的变形。就要在机床的关键部位安放温度和位置传感器，测出主轴、3个坐标轴和环境温度分别所造成的误差，最后汇总为δx、δy、δz，输入数控系统进行补偿。

　　4. e-机床

　　在高速加工复杂的三维轮廓时，经常遇到如何优化上三个相互关联的数值：速度、精度和表面光洁度。例如，当粗加工模具时，首先应该考虑速度；在精加工小型精密电极时，精度就成为最重要的；而在光整模具时，追求的却是表面光洁度。如何在不同情况下，合理配置和优化机床的性能来达到目标，是一个复杂的问题。因为它涉及数百个CNC参数，诸如运动控制的算法、伺服环的增益、前馈、平滑过滤器等。机床产品中集成了智能化的操作者支持系统（Operation Support System），操作者通过简单的图形界面选择速度、精度和表面光洁度的优先级，就能够方便地设定机床性能。

　　操作者根据精加工和精度要求的优化目标，在触摸屏幕上选定精度和表面质量的中点（黄点），然后选择复杂程度（一般、中等、复杂）和工件重量（较轻、中等、较重），系统就自动生成从粗加工到精加工每一工步的机床性能和切削参数。如果选择时间优先，OSS将在角点处和曲面处扩大公差带。数控系统将选用快速方案将工件切削至要求的形状，动力系统将提供最大加速度和最快速度。如果工机床设定为精度优先，OSS将缩小公差带，满足高精度要求。驱动系统将在拐角点处或曲面处降低速度，以免过切。为达到高表面质量，OSS将控制过渡点，设置拐角点和曲面处的公差带，机床将自动平滑地提驱动力。

　　（来源：WMEM）