1.1.3 數控機床的發展趨勢

以數字化為特征的數控機床是柔性化制造系統和敏捷化制造系統的基礎裝備，其總的發展趨勢是高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工藝適用性和經濟性。具體可歸納為下列方面：

1.持續地提高經濟加工精度

1950—2000年的50年內加工精度提升了100倍左右，即加工精度平均每8年提高1倍，當前的普通加工精度已達到20世紀五六十年代的精密加工水平。

隨著高新技術的發展和對機電產品性能與質量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要，近十多年來，普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm。

2.推進全面高速化，實現高效制造

高速化機床向高速化方向發展，可充分發揮現代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。20世紀90年代以來，隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具，大功率高速電主軸、高加/減速度直線電動機驅動進給部件以及高性能控制系統和防護裝置等一系列領域中關鍵技術的解決，新一代高速數控機床加快了高速化發展的步伐。高速主軸單元（電主軸，轉速為15000～100000r/min）、高速且高加/減速度的進給運動部件（快移速度為60～200m/min，切削進給速度高于60m/min）、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術水平。高速化加工的另一個特點是大多從單一的高速切削發展至全面高速化，不僅要縮短切削時間，也要力求降低輔助時間和技術準備時間。

3.復合加工機床促進新一代高效機床的形成

復合加工機床的含義是實現或盡可能實現工件在一臺機床上一次裝夾完成大部分或全部加工工序，從而達到減少機床和夾具、免去工序間的搬運和儲存、提高工件加工精度、縮短加工周期和節約作業面積的目的。復合加工機床根據其結構特點，分為工藝復合型和工序復合型兩類。

工藝復合型為跨加工類別的復合加工機床，包括不同加工方法和工藝的復合，如車銑中心、銑車中心、激光銑削加工機床、沖壓與激光切割復合、金屬燒結與鏡面切削復合等。

工序復合型應用刀具（銑頭）自動交換裝置、主軸立臥轉換頭、雙擺銑頭、多主軸頭和多回轉刀架等配置，增加工件在一次安裝下的加工工序數，如多面多軸聯動加工的復合加工機床和主副雙主軸車削中心等。

4.工藝適用性的專門化數控機床正不斷涌現

通過對機床布局和結構的創新，使其對不同類型的零件加工具有最佳的適用性，避免一方面出現不能發揮最佳性能，另一方面又存在功能冗余的現象。

要解決品種多樣化與經濟性的矛盾，就要對機床的模塊化設計提出更高的要求。近年來，對并聯機構機床和混聯機構機床的研究以及對可重構機床（Reconfigurable Machine Tools，RMT）技術的探索，反映了對制造裝備能更方便地實現個性化、多樣化發展的追求。

5.智能化和集成化成為數字化制造的重要支撐技術

信息技術的發展及其與傳統機床的相融合，使機床朝著數字化、集成化和智能化的方向發展。數字化制造裝備、數字化生產線、數字化工廠的應用空間將越來越大；而采用智能技術來實現多信息融合下的重構優化的智能決策、過程適應控制、誤差補償智能控制、復雜曲面加工運動軌跡優化控制、故障自診斷和智能維護以及信息集成等功能，將大大提升成形和加工精度、提高制造效率。

6.發展適應敏捷制造和網絡化分布式的制造系統

回顧制造系統的發展歷程，基本上遵循以下兩個方向：①增強制造系統的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速響應能力；②發展兼顧柔性、高效、低成本和高質量且便于重構的新型制造系統，以適應不確定性的市場環境。

這類制造系統稱為快速重構制造系統（Rapidly Reconfigurable Manufacturing System，RRMS）或可重構制造系統（Reconfigurable Manufacturing System，RMS）。其原理為通過對制造系統中的設備配置的調整或更換設備上的功能模塊來迅速構成適應新產品生產的制造系統。這就要求設備和系統不僅軟件具有開放性，而且硬件也要有開放性，成為功能可重構的機床，即前面提到的可重構機床。

7.向大型化和微小化兩極發展

能源裝備的大型化及航空航天事業等的發展，需要重型立式臥式加工中心和銑車中心。從精密加工發展到超精密加工，是世界各工業強國致力發展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm），應用范圍日趨廣泛。超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略高技術，正在形成一個產業。因此，需要發展能適應微小型尺寸結構和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。微型機床同時具有高速和精密的特點，最小的微型機床可以放在掌心之中，一個微型工廠可以放在手提箱中。操作者通過手柄和監視屏幕控制整個工廠的運作。

航空航天、信息技術和國防高新技術的需求推進了超精加工技術及設備的發展。20世紀60年代，美國開發出第一臺商品化超精密機床，其加工尺寸精度為±0.8μm，20世紀70年代英國克蘭菲爾德精密工程研究所批量生產的超精密車床加工的平面精度優于0.1μm，20世紀80年代美國LLL實驗室和Y-12工廠合作生產的大型超精密金剛石車床加工的平面精度達0.0125μm，最大加工直徑為2100mm。由于晶片和光學鏡片等硬脆材料加工的需要，超精密磨削和研拋以及采用光、電、化學等能源的非機械能的特種加工方法使加工精度可達到納米級（0.001μm）。通過機床結構設計優化，機床零部件的超精加工和精密裝配，采用高精度的全閉環控制及溫度、振動等動態誤差補償技術，提高了機床加工的幾何精度，降低了幾何誤差和表面粗糙度值等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。

8.配套裝置和功能部件的品種質量日臻完善

功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發展，并取得成熟的應用。不僅數控系統（含數控裝置和伺服驅動裝置）有專業化生產廠，凡關鍵的通用性功能部件如高精度主軸單元、電主軸、力矩電動機、直線電動機、刀具自動交換系統、滾動導軌副、直線滾動絲杠驅動副、雙擺主軸頭、雙擺回轉臺和自動轉位刀塔等在國外均有一些著名的專業化生產廠，這對保證產品質量、提高整機的可靠性和降低成本起著重要的作用。

完善的高集成度的專用電路系統的研發，仍是數控系統可靠性繼續提高和結構小型化的一項重要措施。

9.虛擬數控機床技術

虛擬數控機床實際上是虛擬環境中數控機床的模型。與真實機床相比，虛擬數控機床應具有以下功能：①應與真實機床的結構完全相同；②應比真實機床具有可觀性；③強大的網絡功能，為各種真正的制造資源服務，從而提高其與外界制造資源的相互操作性，快速地、并行地組織各部門、各集團成員將新產品從設計轉入生產；④完善的圖形和標準數據接口。

虛擬數控機床的應用將給制造業帶來革命性的飛躍。由于虛擬數控機床是數字模型，所以容易實現對數字模型進行顯示、分析、傳遞和迭代更新，為設計提供并行作業可能。虛擬數控機床和各設計軟件的接口，為建模提供了方便，尤其是在特定的環境下，方便對產品的可靠性、產品的生產全過程、工藝規范以及產品方案的工藝計劃進行性能評價。強化創新水平，用經濟快捷的方式提高產品設計質量，縮短產品開發周期。虛擬數控機床的強大網絡功能為真正實現遠程合作提供了保證。

10.開放式數控系統

為適應數控機床普及、個性化、多品種、小批量、柔性化的要求，最重要的發展趨勢是數控系統體系結構的開放性，設計生產出開放式的數控系統。美國、歐盟及日本等在研究開放式數控系統方面具有一定優勢。由于個人計算機（Personal Computer，PC）所具有的開放性、低成本、軟硬件資源豐富等特點，基于PC的開放式數控系統將成為一個主要趨勢。

11.向標準化方向發展

數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50多年間的信息交換都是基于ISO 6983標準，即采用G、M代碼對加工過程進行描述，顯然，這種面向過程的描述方法已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO 14649（STEP-NC），其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。

12.向高可靠性方向發展

數控機床的可靠性一直是用戶最關心的主要指標，它主要取決于數控系統各伺服驅動單元的可靠性。為提高可靠性，目前主要采取以下措施：①采用更高集成度的電路芯片，采用大規模或超大規模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數量，提高可靠性；②通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求，同時通過硬件結構的模塊化、標準化、通用化及系列化，提高硬件的生產批量和質量；③增強故障自診斷、自恢復和保護功能，對系統內硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷、報警。當發生加工超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時，自動進行相應的保護。

13.綠色化

為了追求符合環保要求的機床，干式切削和微量潤滑劑切削方法因其可大大減少潤滑劑的揮發而得到越來越廣泛的應用，同時，機床操作者在工作時的環境、位置會被考慮得非常舒適。此外，無污染的清潔加工技術也受到極大重視。