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數控機床發展的新趨勢-綠色機床和聰明機床

(發布日期：2008-4-28 9:45:07) 來源：中國數控機床網

數控機床的發展趨勢

數控機床的出現已有半個多世紀，歷經了從數字控制（Numerical Control-NC）、直接數字控制（Direct Numerical Control-DNC）到今天制造業普遍應用的計算機數控（Computer Numerical Control-CNC）。展望未來，其發展趨勢究竟如何，是大家普遍關心的問題。

數控技術的基礎是加工設備的可編程自動化，機床可以按照設定的程序自動運行，使操作者與加工設備在時間和空間上得以分離，賦予機床和加工系統一定的智能和自主性，它的基本軌跡是信息的交互、處理和集成。

可以預測，在未來的3~5年，各國機床制造商和研發機構將在下列領域爭奪制高點：

1. 虛擬機床（NC Verification）。
通過研發機電一體化的、硬件和軟件集成的仿真技術，來實現機床的設計水平和使用績效的提高。

2. 綠色機床（Green Machining）。
強調節能減排，力求便生產系統的環境負荷達到最小化。

3. 聰明機床（Smart Machining）。
提高生產系統的可靠性、加工精度和綜合性能。

4. e-機床（Autonomous Machine）。
提高生產系統的獨立自主性以及與使用者和管理者的交互能力，使機床不僅是一臺加工設備，而是成為企業管理網絡中的一個節點。

綠色機床將成為研究熱點

機床是將毛坯轉化為零件的工作母機，在使用過程中不僅消耗能源，還會產生固體、液體和氣體廢棄物，對工作環境和自然環境造成直接或間接的污染。從整個機床生命周期內審視，盡量減少對環境帶來不利沖擊的綠色機床就成為當前研究的熱點。

什么是綠色機床？它應該具有以下特點：

1 機床主要零部件由再生材料制造。
2 機床的重量和體積減少50%以上。
3 通過減輕移動質量、降低空運轉功率等措施使功率消耗減少30～40%。
4 使用過程中產生的各種廢棄物減少50~60%，保證基本沒有污染的工作環境。
5 報廢后機床的材料100%可回收。

圖1 典型機床的功率分配

圖2 借助新材料和新結構實現輕量化

圖3 通過輕量化降低驅動功率的案例

1. 減重節能

據統計，機床使用過程中用于切除金屬的功率只占到25%左右，各種損耗和輔助功能占去大部分。典型機床的功率消耗分配如圖1所示，紅色部分是各種損耗和輔助功能。

機床綠色化的第一個措施是通過大幅度降低機床重量和減少所需的驅動功率來構建具有生態效益的機床（Eco-efficient Machine tool）。綠色機床提出一種全新的概念：大幅減少機床重量，節省材料；同時降低機床使用時的能源消耗。

傳統的機床設計理念是“只有足夠的剛度才能保證加工精度，提高剛度就必須增加機床重量”。因此，現有機床重量的80%用于“保證”機床的剛度，而只有20%用于滿足機床運動學的需要。
綠色機床就是在保證機床剛度的前提下大幅減少機床移動部件的重量，達到省材、節能的目的。實現這個目標的途徑有兩個：通過采用新結構或新的復合材料來實現輕量化，如圖2所示。

一臺通過結構優化并采用了新材料的龍門銑床案例如圖3所示。

2. MQL減排

機床使用過程中的潤滑冷卻液是有害排放物，特別是磨削時采用的乳化液對環境和工人健康都非常有害。因此，大幅度減少冷卻液的使用和排放是綠色機床的基本特徵。實現這個目標的途徑有以下兩方面：

1）干切削，不使用冷卻液。這需要機床具有足夠的剛性和鋒利的刀具，僅適用于某些加工形狀比較簡單的銑削和車削工序。

2）微量潤滑（Minimized Quantity Lubrication, MQL）。MQL適用范圍較廣，可用于各種加工方法，但需要專門的裝置提供氣霧或低溫空氣（冷風），并使用專門的潤滑劑。

3. 刀具增效

機床的生產效率出至刀尖上。采用先進的刀具，選擇合理的刀具幾何角度和切削參數，可以有效提升切削加工的效率，降低切削過程所需的功率，延長刀具的壽命，從而達到以較少的資源消耗獲得較大產出的目的。

4. 變廢為寶增值再用

圖4 由再生廢料制成的壓力機曲軸（a. 鑄成的曲軸毛坯 b. 加工完成的曲軸）

金屬切削加工切屑是機床使用過程中主要的固體廢棄物。傳統的方法是將它作為廢品出售給廢品回收單位，進入社會廢品循環。

江蘇省揚力集團在該企業內部將每年數千噸的鐵屑和鋼屑經過分揀、壓塊、配料、熔化澆鑄出高質量的球墨鑄鐵件，變廢為寶，制成諸如壓力機曲軸等關鍵零件，如圖4所示。

智能機床致力于“用戶友好”

如果說綠色機床的愿景是環境友好，那么智能機床的目標就是用戶友好。“用戶友好”的含義在于大幅提升工作效率和確保工作更加舒適且安全。這就要求機床能夠自主管理自己，自動識別加工任務和加工狀態，無需或很少需要人工干預，同時還能夠及時與操作者溝通，變得“聰明”起來，開拓數控機床的新紀元。

表聰明機床的特徵

機床在加工過程中不可避免地會產生各種誤差，需要采用現代監控和補償技術，從而進一步提高機床的性能和通信能力。2005年，美國國家標準與技術研究所（www.nist.gov）提出“聰明加工系統”(Smart Machining System ) 的研究計劃。聰明加工系統的實質是制造系統的智能化和網絡化，其主要特徵如上表所示。

聰明加工系統的四大目標是：

1 系統動態優化。將相關工藝過程和設備知識加以集成后進行建模，進行系統的動態性能優化。

2 設備自適應化。開發新的測量方法、模型和標準，在運行狀態下對機床狀態監控，借助在線測量、傳感和實時分析進行自我診斷和誤差補償，提高機床的工作性能。

3 采用新一代數控系統。與STEP-NC兼容的接口和數據格式，使基于CAD模型的機器控制能夠無縫運行。

4 在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。

1. 智能主軸

主軸是機床的心臟，它的狀態直接關系到加工精度和加工效率。德國阿亨工業大學與西班牙技術中心合作對主動磁浮軸承的主軸進行研究，借助磁浮軸承中的力、電流和位置傳感器，來測量切削力、以及刀尖點的位置、速度、加速度的變化，并基于此開發出高速、高精度的主軸。

圖5 具有振動監控的高速主軸

瑞士GF阿奇夏米爾集團生產的MIKRON HSM系列高速銑削加工中心可配置聰明加工系統，其功能之一就是加工過程監控，以便用戶觀察銑削過程是否正常。其原理是在電主軸殼體中前端軸承附近安裝了加速度傳感器，使銑削過程中產生的振動能夠以加速度 “g載荷”值的形式顯示，如圖5所示。

振動大小在0~10g范圍內分為10級。其中，0~3g表示加工過程、刀具和刀夾都處于良好狀態；3~7g表示加工過程需要調整，否則將導致主軸和刀具壽命的降低； 7~10g表示危險狀態，如果繼續工作，將造成主軸、機床、刀具和工件的損壞。而且，控制系統還可預測在該振動級主軸部件可以工作多長時間，即主軸壽命還有多長。

在過程監控系統中也可由用戶設定一個g極限值，當振動超過此值時，系統報警并自動停機。系統也可以將某一時段的振動記錄下來以便進一步分析，記錄的數據包括：日期、時間、g值、g極限、主軸轉速、刀具號、進給率、數控程序塊號和程序名。可記錄程序塊的容量達18,000個，如果取時間間隔為2.5秒，可記錄過程狀態長達12.5小時之久。

2. 熱變形補償

機床熱變形是影響加工精度的主要因素之一。產生熱變形的因素很多，主要是來自機床的工作環境和機床內部的熱影響：

1）環境影響。例如，車間的溫度分布和溫度變化以及空氣對流；日光、暖氣和鄰近機床等熱源的影響；以及來自機床基礎的熱傳導。

2）機床內部的影響。例如，機床零部件的發熱（軸承、絲桿、導軌、電動機、齒輪、液壓系統等），切削過程產生的熱量以及冷卻系統的發熱。

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