【當(dāng)期推送】數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及未來趨勢

引言

       機(jī)床( machine tools )是指用來制造機(jī)器的機(jī)器，又被稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)”。早在15世紀(jì)就已出現(xiàn)了早期的機(jī)床，1774年英國人威爾金森發(fā)明的一種炮筒鏜床被認(rèn)為是世界上第1臺真正意義上的機(jī)床，它解決了瓦特蒸汽機(jī)的氣缸加工問題。至18世紀(jì)，各種類型機(jī)床相繼出現(xiàn)并快速發(fā)展，如螺紋車床、龍門式機(jī)床、臥式銑床、滾齒機(jī)等，為工業(yè)革命和建立現(xiàn)代工業(yè)奠定了制造工具的基礎(chǔ)。1952年，世界上第1臺數(shù)字控制(numerical control，NC )機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院問世，標(biāo)志著機(jī)床數(shù)控時代的開始。數(shù)控機(jī)床是一種裝有數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱“數(shù)控系統(tǒng)”)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服裝置兩大部分，當(dāng)前數(shù)控裝置主要采用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，又稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(computerized numerical control，CNC )裝置[1] 。

      數(shù)控機(jī)床可按加工工藝、運(yùn)動方式、伺服控制方式、機(jī)床性能等進(jìn)行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點(diǎn)，礦物鑄件傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機(jī)床分為數(shù)控金屬切削機(jī)床、數(shù)控金屬成形機(jī)床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機(jī)、汽車、航空發(fā)動機(jī)等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機(jī)床被加工零件的材料不再限于金屬材料，已擴(kuò)展到復(fù)合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特種加工方法。此外，從功能和性能角度，又可將數(shù)控機(jī)床劃分為經(jīng)濟(jì)型、中檔(或普及型)和高檔三類。當(dāng)前對高檔數(shù)控機(jī)床尚無明確、統(tǒng)一的定義，筆者認(rèn)為：高檔數(shù)控機(jī)床是具有高性能、智能化和高價值特征并達(dá)到相應(yīng)功能及性能技術(shù)指標(biāo)的數(shù)控機(jī)床。高檔數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和裝備制造業(yè)競爭能力的典型代表。

1數(shù)控機(jī)床及加工技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)

1.1工業(yè)化進(jìn)程和機(jī)床進(jìn)化史

      18 世紀(jì)的工業(yè)革命后，機(jī)床隨著不同的工業(yè)時代發(fā)展而進(jìn)化并呈現(xiàn)出各個時代的技術(shù)特點(diǎn)。如圖 1 所示，對應(yīng)于工業(yè) 1.0~ 工業(yè) 4.0 時代，機(jī)床從機(jī)械驅(qū)動/手工操作(機(jī)床 1.0 )、電力驅(qū)動/數(shù)字控制(機(jī)床 2.0 )發(fā)展到計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(機(jī)床3.0）并正在向賽博物理機(jī)床 （Cyber-physical machine )/云解決方案(機(jī)床 4.0 )演化發(fā)展[2] 。

圖1 工業(yè)化與機(jī)床進(jìn)化史

1.2

數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程特點(diǎn)及幾個重要拐點(diǎn)

       1952 年世界第 1 臺數(shù)控機(jī)床在美國麻省理工學(xué)院研制成功，這是制造技術(shù)的一次革命性跨越。數(shù)控機(jī)床采用數(shù)字編程、程序執(zhí)行、伺服控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按照零件圖樣編制的數(shù)字化加工程序自動控制機(jī)床的軌跡運(yùn)動和運(yùn)行，從此 NC 技術(shù)就使得機(jī)床與電子、計(jì)算機(jī)、控制、信息等技術(shù)的發(fā)展密不可分。隨后，為了解決 NC 程序編制的自動化問題，采用計(jì)算機(jī)代替手工的自動編程工具(APT )和方法成為關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造 ( CAD /CAM )技術(shù)也隨之得到快速發(fā)展和普及應(yīng)用[3]。可以說，制造數(shù)字化肇始于數(shù)控機(jī)床及其核心數(shù)字控制技術(shù)的誕生。

       正是由于數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)在誕生伊始就具有的幾大特點(diǎn)——數(shù)字控制思想和方法、“軟(件)-硬(件)”相結(jié)合、“機(jī)(械)-電(子)-控(制)-信(息)”多學(xué)科交叉，因而其后數(shù)控機(jī)床和數(shù)控技術(shù)的重大進(jìn)步就一直與電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)聯(lián)(圖2 )。最早的數(shù)控裝置是采用電子真空管構(gòu)成計(jì)算單元，20 世紀(jì)40年代末晶體管被發(fā)明，50年代末推出集成電路，至 60年代初期出現(xiàn)了采用集成電路和大規(guī)模集成電路的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在運(yùn)算處理能力、小型化和可靠性方面的突破性進(jìn)展，為數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展帶來第一個拐點(diǎn)——由基于分立元件的數(shù)字控制( NC )走向了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC )，數(shù)控機(jī)床也開始進(jìn)入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。20世紀(jì)80年代IBM公司推出采用16位微處理器的個人微型計(jì)算機(jī)(personal computer，PC )，給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來了第二個拐點(diǎn)——由過去專用廠商開發(fā)數(shù)控裝置(包括硬件和軟件)走向采用通用的PC化計(jì)算機(jī)數(shù)控，同時開放式結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，推動數(shù)控技術(shù)向更高層次的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，高速機(jī)床、虛擬軸機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床等新技術(shù)快速迭代并應(yīng)用。21世紀(jì)以來，智能化數(shù)控技術(shù)也開始萌芽，當(dāng)前隨著新一代信息技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、賽博物理系統(tǒng)、云計(jì)算和人工智能等新技術(shù)與數(shù)控技術(shù)深度結(jié)合，數(shù)控技術(shù)將迎來一個新的拐點(diǎn)甚至可能是新跨越——走向賽博物理融合的新一代智能數(shù)控[4]。

圖2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展歷程及重要拐點(diǎn)[4]

1.3數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵和核心技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)

1.3.1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

      機(jī)床結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分：機(jī)床的各固定部分(如底座、床身、立柱、頭架等)、攜帶工件和刀具的運(yùn)動部分，這兩部分現(xiàn)在通稱為機(jī)床基礎(chǔ)件和功能部件。

       以常見的車削和銑削為例，典型的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)演進(jìn)過程如圖3所示。數(shù)控車削機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期的2軸進(jìn)給平床身、2軸進(jìn)給斜床身等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，發(fā)展到4軸進(jìn)給和雙刀架、多主軸和多刀等用于回轉(zhuǎn)體類零件高效率車削的加工中心結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展為可適應(yīng)復(fù)雜零件“一次裝夾、全部完工(done in one )”的多功能車銑復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)。數(shù)控銑削加工機(jī)床結(jié)構(gòu)從早期主要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動和主軸運(yùn)動功能的經(jīng)典立/臥式銑床結(jié)構(gòu)，發(fā)展到帶刀庫和自動換刀機(jī)構(gòu)的3軸聯(lián)動立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)、帶交換工作臺的立/臥式銑削加工中心結(jié)構(gòu)，為滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效率加工需求，又出現(xiàn)了4軸聯(lián)動和5軸聯(lián)動的銑削加工中心結(jié)構(gòu)，隨后以銑削/鏜削加工為主、兼有車削/鉆削加工功能的多功能銑車復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。在5軸聯(lián)動發(fā)展過程中，來自于機(jī)器人的并聯(lián)虛擬軸概念被引入到數(shù)控機(jī)床，出現(xiàn)了并聯(lián)或串并聯(lián)結(jié)合5軸聯(lián)動的形式，但實(shí)際應(yīng)用有限。當(dāng)前，在同一臺數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)“增材加工＋切削加工”功能的增減材混合加工新型結(jié)構(gòu)機(jī)床已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段。

       在數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)展演進(jìn)過程中，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)布局(配置方案、優(yōu)化設(shè)計(jì))和材料選用等方面的技術(shù)也不斷進(jìn)步。為滿足高精度、高剛度、良好熱穩(wěn)定性、長壽命和高精度保持性、綠色化和宜人性等對機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求，研究者們先后提出了重心驅(qū)動(DCG )設(shè)計(jì)、箱中箱(BIB )、直接驅(qū)動(DDT )、熱平衡設(shè)計(jì)與補(bǔ)償、全對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則和技術(shù);在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)用了零部件整體結(jié)構(gòu)有限元分析優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法;采用虛擬機(jī)床理念和方法，大大縮短了數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)制造周期。數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)材料從以鑄鐵、鑄鋼為主，發(fā)展到越來越多地采用樹脂混凝土(礦物鑄件、人造大理石)、人造花崗巖等材料。此外，鋼纖維混凝土、碳纖維復(fù)合材料、泡沫金屬等新型結(jié)構(gòu)材料也已有應(yīng)用。未來，新型材料、新型優(yōu)化結(jié)構(gòu)和新型制造工藝方法將使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更加輕量化，并具有更好的靜動態(tài)剛度和穩(wěn)定性[5-6]。

圖3 機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)

1.3.2主軸和進(jìn)給伺服驅(qū)動技術(shù)

       主軸的作用是帶動刀(磨)具(鉆削/銑削/磨削)或工件(車削)按給定速度旋轉(zhuǎn)，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上實(shí)現(xiàn)材料去除。數(shù)控機(jī)床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動機(jī)經(jīng)主軸箱傳動的機(jī)械式主軸、電動機(jī)與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、高剛性大扭矩高速電主軸和智能式主軸等[7]。

      機(jī)床進(jìn)給軸的伺服驅(qū)動方式從步進(jìn)電機(jī)、電液比例伺服、晶閘管變流和 PWM 控制的直流電動機(jī)伺服等形式，發(fā)展到現(xiàn)在成為主流的矢量控制交流電動機(jī)伺服、雙電機(jī)重心驅(qū)動、直線電動機(jī)/力矩電動機(jī)直接驅(qū)動等形式，而且多采用帶有位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)和“前饋＋濾波”的全閉環(huán)控制，為各坐標(biāo)軸進(jìn)給提供高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動控制。此外，伺服控制模式從模擬量控制，經(jīng)過“模擬量＋數(shù)字量”混合控制模式，發(fā)展為全數(shù)字式現(xiàn)場工業(yè)總線控制模式，如串行實(shí)時通信協(xié)議總線、實(shí)時以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)總線、過程現(xiàn)場總線等[8]。

      主軸和進(jìn)給伺服軸驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機(jī)床主軸和伺服驅(qū)動方式的發(fā)展演進(jìn)

1.3.3數(shù)控裝置

     數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床控制的中樞，如前所述，數(shù)控裝置緊隨電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展而演變進(jìn)化，其發(fā)展過程可分為7代(圖5 )，第1、2、3代是分別采用電子管分立元件、晶體管、集成電路的數(shù)控裝置，處于數(shù)控裝置發(fā)展初期，體積和功耗大，可靠性低，實(shí)用性差。第4代為采用小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的CNC裝置，相對于前幾代，其硬件平臺結(jié)構(gòu)緊湊、專用性強(qiáng)、可靠性大大提高，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)數(shù)控的新軌道，從而使數(shù)控機(jī)床真正地進(jìn)入到實(shí)用階段并加快了迭代和發(fā)展，此即為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第1個拐點(diǎn)，直接數(shù)控(DNC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等概念和系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。隨著超大規(guī)模集成電路微型中央處理器技術(shù)成熟，第5代數(shù)控裝置將基于微處理器的專用硬件或單板機(jī)用作其硬件平臺，進(jìn)一步減小了硬件體積，降低了成本，但其硬件結(jié)構(gòu)的兼容性和開放性較差。20世紀(jì)80年代，第6代數(shù)控裝置中采用了個人微型計(jì)算機(jī)(PC)，帶來了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的第2個拐點(diǎn)。借用PC成熟的軟/硬件平臺、豐富的應(yīng)用資源和通用的網(wǎng)絡(luò)化接口等特點(diǎn)，數(shù)控裝置的研究開發(fā)轉(zhuǎn)向以軟件算法實(shí)現(xiàn)各種功能，即進(jìn)入到開放式、網(wǎng)絡(luò)化和軟件化數(shù)控階段。隨著工業(yè) 4.0 發(fā)展，融合智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)的第7代智能數(shù)控裝置及智能機(jī)床正在向我們走來，這將給數(shù)控技術(shù)發(fā)展帶來一個新拐點(diǎn)，甚至可能帶來一次新的革命。

圖5 數(shù)控裝置的演進(jìn)

1.3.4多軸聯(lián)動與軌跡插補(bǔ)技術(shù)

      多軸聯(lián)動控制技術(shù)是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸(包括直線坐標(biāo)進(jìn)給軸和回轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時運(yùn)動稱為多軸聯(lián)動控制。高檔數(shù)控機(jī)床一般都具有3軸或3軸以上聯(lián)動控制功能，多為4軸聯(lián)動或5軸聯(lián)動。各個進(jìn)給坐標(biāo)軸的運(yùn)動一般由電動機(jī)在伺服驅(qū)動器控制下實(shí)現(xiàn)，因此，高性能的坐標(biāo)軸進(jìn)給伺服裝置構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動控制的物理基礎(chǔ)。多軸聯(lián)動控制就是根據(jù)數(shù)控加工程序給出運(yùn)動軌跡(即走刀軌跡)，通過軌跡插補(bǔ)和實(shí)時控制，在每個伺服控制周期給出各個聯(lián)動坐標(biāo)軸的運(yùn)動增量，實(shí)時控制所有坐標(biāo)軸的聯(lián)動。

       軌跡插補(bǔ)也是數(shù)控機(jī)床控制的核心技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算的裝置(或軟件模塊)稱為插補(bǔ)器，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍采用數(shù)字計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)軌跡插補(bǔ)。軌跡插補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展過程如圖6所示。從實(shí)現(xiàn)的插補(bǔ)功能角度來看，2軸聯(lián)動的平面點(diǎn)位控制、平面直線和圓弧插補(bǔ)是最簡單的插補(bǔ)功能;2．5軸聯(lián)動插補(bǔ)實(shí)際上只有2軸聯(lián)動控制，其第3軸只能實(shí)現(xiàn)與另外2軸非聯(lián)動的控制，這樣的聯(lián)動插補(bǔ)方式可加工3D的曲線和曲面，但效率低、適應(yīng)性差;3軸聯(lián)動插補(bǔ)除了實(shí)現(xiàn)平面和空間的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能外，高檔數(shù)控系統(tǒng)還具有螺旋線插補(bǔ)、拋物線插補(bǔ)等功能;5 軸聯(lián)動插補(bǔ)可高效方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲線和曲面插補(bǔ)的功能，并進(jìn)一步發(fā)展樣條插補(bǔ)和先進(jìn)的速度、加速度、加速度變化率(Jerk )等控制功能，是高速度、高精度、高動態(tài)響應(yīng)加工的核心技術(shù)。筆者認(rèn)為，未來的數(shù)控裝置還將發(fā)展自由曲面直接插補(bǔ)功能(SDI )，并可望與基于人工智能和數(shù)字孿生的走刀軌跡規(guī)劃相結(jié)合，在考慮多軸聯(lián)動動力學(xué)模型以及軌跡誤差和速度約束條件下，實(shí)現(xiàn)由3D模型驅(qū)動的刀軌生成和最優(yōu)控制的多軸聯(lián)動直接插補(bǔ)。

圖6 多軸聯(lián)動插補(bǔ)技術(shù)

1.4加工效率和加工精度的進(jìn)展

       先進(jìn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步及應(yīng)用大大縮短了加工時間，礦物鑄件提高了加工效率，圖 7a 是被廣為引用的一個曲線圖[9]，表示了先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展與加工時間(效率)的進(jìn)展情況。從發(fā)展趨勢來看，一方面，從1960年到2020年，制造生產(chǎn)中總的加工時間(包括切削時間、輔助時間和準(zhǔn)備時間)減少到原加工時間的16％，即加工效率顯著提升;另一方面，“切削時間 輔助時間 準(zhǔn)備時間”這三者之間的占比也逐漸趨向一致，因此，未來提高加工效率，不僅要著眼于工藝方法優(yōu)化改進(jìn)和提高自動化程度，還需要從生產(chǎn)管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的角度，有效縮短待工時間。圖7b是20世紀(jì)80年代Taniguchi (谷口)給出的至2020年不同機(jī)床可達(dá)到的加工精度預(yù)測[10](圖中2000年到2020年的精度提升虛線為筆者所加)，可以看到，各種加工工藝方法和機(jī)床(或裝備)技術(shù)的發(fā)展帶來了加工精度的持續(xù)提高，但機(jī)械加工領(lǐng)域不同于集成電路制造領(lǐng)域，沒有短周期可見效的摩爾定律(IC上可容納的晶體管數(shù)目每18~24個月增加1倍)，其精度提升是一個長時間技術(shù)累積和不斷迭代的過程(例如：精密加工提高 1個精度數(shù)量級的時間超過20年)。