1.5 数控机床的发展趋势

目前，数控机床已朝着高柔性化、高精度化、高速度化、复合化、制造系统自动化方向发展。

1.高柔性化

柔性是数控机床最主要的特点，也是体现在数控机床的各种发展趋势中的主导方向。

柔性是指机床适应加工对象变化的能力。对于传统的自动化设备和生产线，由于它们是机械或刚性连接和控制的，因此当被加工对象发生变化时，调整困难，甚至是不可能的，有时只得全部更新、更换。数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元，对于加工对象的变化已具有很强的适应能力。目前，在进一步提高单机柔性化的同时，正努力向单元柔性化和系统柔性化方向发展，体现系统柔性化的FMC和FMS的发展迅速。

近些年来，不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，而且在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转变，如出现了PLC 控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效加工设备和介于传统自动线与 FMS之间的柔性自动线（FTL）。

2.高精度化

高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。数控机床的精度包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度两个方面。从1950年至2000年的50年内，普通精度加工由0.3mm提升至0.003mm，精密加工由3μm提升至0.03μm，超精密加工则由0.3μm提升至0.003μm，机床的加工精度提高了两个数量级（平均每8年提高约1倍）。

提高数控机床的加工精度，一般是通过减小数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来实现的。在减小CNC系统误差方面，通常采用提高数控系统分辨率，使CNC控制单元精细化，提高位置检测精度，以及在位置伺服系统中为改善伺服系统的响应特性，采用前馈与非线性控制等方法。在采用补偿技术方面，采用齿隙补偿、丝杆螺母误差补偿及热变形误差补偿技术等。通过上述措施，机床的加工精度有了很大提高。

3.高速度化

提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一。实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切削速度和减少辅助时间。

提高主轴转速是提高切削速度的最有效方法。数控机床的主轴转速和功率的大幅度提高为高速切削提供了良好的条件。在不同的年代，随着切削方法和被加工材料的不同，高速切削的界限数值也不尽相同。通常认为的高速切削的速度比传统的切削速度和进给速度高出5～8 倍。例如，在实际生产中车、铣45 号钢，1950 年的速度为80～100m/min，而2000 年就已经达到了500～600m/min，50 年内切削速度提高了约5 倍。

对现有数控机床的使用情况统计显示，数控机床有效切削时间与全部工时之比（机床利用率）仅为25%～35%，其余的65%～75%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、起/制动空运转、工件上/下料和装夹等辅助时间及待加工时间（由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间）与故障停机时间上。因此，需通过提高各轴快速移动速度和加速度、主轴变速的角加速度、刀具（工件）自动交换速度，改善数控系统的操作方便性和监控功能，以及加强信息管理才有可能全面压缩辅助时间和待加工时间，使数控机床的利用率达到60%～80%。

表1-2列出了中型立、卧式加工中心的主要工作参数的发展过程，显示了数控机床向全面高速化发展的趋势。

4.复合化

复合化包括工序复合化和功能复合化两个方面。数控机床的发展也模糊了粗、精加工工序的概念。加工中心（包括车削中心、磨削中心、电加工中心等）的出现，又把车、铣、镗、钻等类的工序集中到一台机床上来完成，打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立/卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻螺纹和检验等工序，而且还可以完成箱体件5个面的粗、精加工的全部工序。

复合化机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点可分为以下两类。

【功能复合型】 功能复合型机床为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心，车、铣、镗型多用途制造中心，激光铣削加工机床，车、镗、铣、磨复合机床，冲孔、成型与激光切割复合机床，金属烧结与镜面切削复合机床，等离子加工与冲压复合机床等。

【工序复合型】 工序复合型机床应用切具（铣头）自动交换装置、主轴立/卧式转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主/副双主轴车削中心等。

增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度，不仅可以减少多工序加工零件的上/下料时间，而且更主要的是可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待时间，复合数控机床具有良好的工艺适应性，避免了在制品的储存和传输等环节，提高了加工效率。

5.制造系统自动化

自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”（单台数控机床）发展到“线”的自动化（FMS、FTL）和“面”的自动化（柔性制造车间），并结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化。在国外，已出现FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备，投资过大，回收期较长，但数控机床的高自动化及向FMC、FMS系统集成方向发展的趋势仍是机械制造业发展的主流。

制造系统的自动化除了进一步提高其自动编程、自动换刀、自动上/下料、自动加工等自动化程度外，在自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等方面也得到进一步发展，同时也提高了其标准化和进线的适应能力，达到“无人化”管理正常生产的目标。 A1XsHMym/+YahDtatSvAVosupNccfGGcUU7/Zyu9dMHfuUwh2GGBlkqgYEqaIImY