【当期推送】数控机床发展历程及未来趋势

引言

       机床( machine tools )是指用来制造机器的机器，又被称为“工作母机”或“工具机”。早在15世纪就已出现了早期的机床，1774年英国人威尔金森发明的一种炮筒镗床被认为是世界上第1台真正意义上的机床，它解决了瓦特蒸汽机的气缸加工问题。至18世纪，各种类型机床相继出现并快速发展，如螺纹车床、龙门式机床、卧式铣床、滚齿机等，为工业革命和建立现代工业奠定了制造工具的基础。1952年，世界上第1台数字控制(numerical control，NC )机床在美国麻省理工学院问世，标志着机床数控时代的开始。数控机床是一种装有数字控制系统(简称“数控系统”)的机床，数控系统包括数控装置和伺服装置两大部分，当前数控装置主要采用电子数字计算机实现，又称为计算机数控(computerized numerical control，CNC )装置[1] 。

      数控机床可按加工工艺、运动方式、伺服控制方式、机床性能等进行分类。从加工对象(零件)表面形成工艺特点，矿物铸件传统上通常将数控机床分为数控金属切削机床、数控金属成形机床两大类。近年来，由于复杂产品(如飞机、汽车、航空发动机等)中新型材料应用日益增加，数控机床被加工零件的材料不再限于金属材料，已扩展到复合材料、陶瓷材料等非金属材料，而且加工工艺也包括了特种加工方法。此外，从功能和性能角度，又可将数控机床划分为经济型、中档(或普及型)和高档三类。当前对高档数控机床尚无明确、统一的定义，笔者认为：高档数控机床是具有高性能、智能化和高价值特征并达到相应功能及性能技术指标的数控机床。高档数控机床是数控机床产业技术水平和装备制造业竞争能力的典型代表。

1数控机床及加工技术的发展演进

1.1工业化进程和机床进化史

      18 世纪的工业革命后，机床随着不同的工业时代发展而进化并呈现出各个时代的技术特点。如图 1 所示，对应于工业 1.0~ 工业 4.0 时代，机床从机械驱动/手工操作(机床 1.0 )、电力驱动/数字控制(机床 2.0 )发展到计算机数字控制(机床3.0）并正在向赛博物理机床 （Cyber-physical machine )/云解决方案(机床 4.0 )演化发展[2] 。

图1 工业化与机床进化史

1.2

数控机床发展历程特点及几个重要拐点

       1952 年世界第 1 台数控机床在美国麻省理工学院研制成功，这是制造技术的一次革命性跨越。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术，实现按照零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行，从此 NC 技术就使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。随后，为了解决 NC 程序编制的自动化问题，采用计算机代替手工的自动编程工具(APT )和方法成为关键技术，计算机辅助设计/制造 ( CAD /CAM )技术也随之得到快速发展和普及应用[3]。可以说，制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。

       正是由于数控机床和数控技术在诞生伊始就具有的几大特点——数字控制思想和方法、“软(件)-硬(件)”相结合、“机(械)-电(子)-控(制)-信(息)”多学科交叉，因而其后数控机床和数控技术的重大进步就一直与电子技术和信息技术的发展直接关联(图2 )。最早的数控装置是采用电子真空管构成计算单元，20 世纪40年代末晶体管被发明，50年代末推出集成电路，至 60年代初期出现了采用集成电路和大规模集成电路的电子数字计算机，计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，为数控机床技术发展带来第一个拐点——由基于分立元件的数字控制( NC )走向了计算机数字控制(CNC )，数控机床也开始进入实际工业生产应用。20世纪80年代IBM公司推出采用16位微处理器的个人微型计算机(personal computer，PC )，给数控机床技术带来了第二个拐点——由过去专用厂商开发数控装置(包括硬件和软件)走向采用通用的PC化计算机数控，同时开放式结构的CNC系统应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用。21世纪以来，智能化数控技术也开始萌芽，当前随着新一代信息技术和新一代人工智能技术的发展，智能传感、物联网、大数据、数字孪生、赛博物理系统、云计算和人工智能等新技术与数控技术深度结合，数控技术将迎来一个新的拐点甚至可能是新跨越——走向赛博物理融合的新一代智能数控[4]。

图2 数控机床发展历程及重要拐点[4]

1.3数控机床关键和核心技术的发展演进

1.3.1数控机床结构

      机床结构主要包括两大部分：机床的各固定部分(如底座、床身、立柱、头架等)、携带工件和刀具的运动部分，这两部分现在通称为机床基础件和功能部件。

       以常见的车削和铣削为例，典型的数控机床结构演进过程如图3所示。数控车削机床结构从早期的2轴进给平床身、2轴进给斜床身等经典结构，发展到4轴进给和双刀架、多主轴和多刀等用于回转体类零件高效率车削的加工中心结构，进一步发展为可适应复杂零件“一次装夹、全部完工(done in one )”的多功能车铣复合加工中心结构。数控铣削加工机床结构从早期主要实现坐标轴联动和主轴运动功能的经典立/卧式铣床结构，发展到带刀库和自动换刀机构的3轴联动立/卧式铣削加工中心结构、带交换工作台的立/卧式铣削加工中心结构，为满足复杂结构件高效率加工需求，又出现了4轴联动和5轴联动的铣削加工中心结构，随后以铣削/镗削加工为主、兼有车削/钻削加工功能的多功能铣车复合加工中心结构得到快速发展和应用。在5轴联动发展过程中，来自于机器人的并联虚拟轴概念被引入到数控机床，出现了并联或串并联结合5轴联动的形式，但实际应用有限。当前，在同一台数控机床上实现“增材加工＋切削加工”功能的增减材混合加工新型结构机床已经进入实用化发展阶段。

       在数控机床结构发展演进过程中，数控机床结构布局(配置方案、优化设计)和材料选用等方面的技术也不断进步。为满足高精度、高刚度、良好热稳定性、长寿命和高精度保持性、绿色化和宜人性等对机床结构的要求，研究者们先后提出了重心驱动(DCG )设计、箱中箱(BIB )、直接驱动(DDT )、热平衡设计与补偿、全对称结构设计等设计原则和技术;在机床结构设计和优化中应用了零部件整体结构有限元分析优化、轻量化设计、结构拓扑优化、仿生结构优化等方法;采用虚拟机床理念和方法，大大缩短了数控机床设计制造周期。数控机床床身结构材料从以铸铁、铸钢为主，发展到越来越多地采用树脂混凝土(矿物铸件、人造大理石)、人造花岗岩等材料。此外，钢纤维混凝土、碳纤维复合材料、泡沫金属等新型结构材料也已有应用。未来，新型材料、新型优化结构和新型制造工艺方法将使数控机床结构更加轻量化，并具有更好的静动态刚度和稳定性[5-6]。

图3 机床主机结构的演进

1.3.2主轴和进给伺服驱动技术

       主轴的作用是带动刀(磨)具(钻削/铣削/磨削)或工件(车削)按给定速度旋转，并传递切削加工所需的功率和扭矩，使刀(磨)具在工件上实现材料去除。数控机床主轴的发展过程中出现了非调速的交流电动机经主轴箱传动的机械式主轴、电动机与主轴一体化的电主轴、高速电主轴、高刚性大扭矩高速电主轴和智能式主轴等[7]。

      机床进给轴的伺服驱动方式从步进电机、电液比例伺服、晶闸管变流和 PWM 控制的直流电动机伺服等形式，发展到现在成为主流的矢量控制交流电动机伺服、双电机重心驱动、直线电动机/力矩电动机直接驱动等形式，而且多采用带有位置环、速度环、电流环和“前馈＋滤波”的全闭环控制，为各坐标轴进给提供高速度、高精度、高动态响应的运动控制。此外，伺服控制模式从模拟量控制，经过“模拟量＋数字量”混合控制模式，发展为全数字式现场工业总线控制模式，如串行实时通信协议总线、实时以太网控制自动化技术总线、过程现场总线等[8]。

      主轴和进给伺服轴驱动技术的发展演进如图4 所示。

图4 数控机床主轴和伺服驱动方式的发展演进

1.3.3数控装置

     数控装置是数控机床控制的中枢，如前所述，数控装置紧随电子技术、计算机技术、信息技术的发展而演变进化，其发展过程可分为7代(图5 )，第1、2、3代是分别采用电子管分立元件、晶体管、集成电路的数控装置，处于数控装置发展初期，体积和功耗大，可靠性低，实用性差。第4代为采用小型电子数字计算机的CNC装置，相对于前几代，其硬件平台结构紧凑、专用性强、可靠性大大提高，数控技术进入到计算机数控的新轨道，从而使数控机床真正地进入到实用阶段并加快了迭代和发展，此即为数控机床发展的第1个拐点，直接数控(DNC)、柔性制造系统(FMS)等概念和系统相继出现。随着超大规模集成电路微型中央处理器技术成熟，第5代数控装置将基于微处理器的专用硬件或单板机用作其硬件平台，进一步减小了硬件体积，降低了成本，但其硬件结构的兼容性和开放性较差。20世纪80年代，第6代数控装置中采用了个人微型计算机(PC)，带来了数控机床发展的第2个拐点。借用PC成熟的软/硬件平台、丰富的应用资源和通用的网络化接口等特点，数控装置的研究开发转向以软件算法实现各种功能，即进入到开放式、网络化和软件化数控阶段。随着工业 4.0 发展，融合智能传感、物联网/工业互联网、大数据、云计算、人工智能、数字孪生和赛博物理系统的第7代智能数控装置及智能机床正在向我们走来，这将给数控技术发展带来一个新拐点，甚至可能带来一次新的革命。

图5 数控装置的演进

1.3.4多轴联动与轨迹插补技术

      多轴联动控制技术是数控机床控制的核心技术之一。数控机床各进给轴(包括直线坐标进给轴和回转坐标进给轴)在数控装置控制下按照程序指令同时运动称为多轴联动控制。高档数控机床一般都具有3轴或3轴以上联动控制功能，多为4轴联动或5轴联动。各个进给坐标轴的运动一般由电动机在伺服驱动器控制下实现，因此，高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动控制的物理基础。多轴联动控制就是根据数控加工程序给出运动轨迹(即走刀轨迹)，通过轨迹插补和实时控制，在每个伺服控制周期给出各个联动坐标轴的运动增量，实时控制所有坐标轴的联动。

       轨迹插补也是数控机床控制的核心技术之一。实现插补运算的装置(或软件模块)称为插补器，现代数控机床普遍采用数字计算机通过软件实现轨迹插补。轨迹插补技术的发展过程如图6所示。从实现的插补功能角度来看，2轴联动的平面点位控制、平面直线和圆弧插补是最简单的插补功能;2．5轴联动插补实际上只有2轴联动控制，其第3轴只能实现与另外2轴非联动的控制，这样的联动插补方式可加工3D的曲线和曲面，但效率低、适应性差;3轴联动插补除了实现平面和空间的直线插补、圆弧插补功能外，高档数控系统还具有螺旋线插补、抛物线插补等功能;5 轴联动插补可高效方便地实现各种复杂曲线和曲面插补的功能，并进一步发展样条插补和先进的速度、加速度、加速度变化率(Jerk )等控制功能，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技术。笔者认为，未来的数控装置还将发展自由曲面直接插补功能(SDI )，并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹规划相结合，在考虑多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速度约束条件下，实现由3D模型驱动的刀轨生成和最优控制的多轴联动直接插补。

图6 多轴联动插补技术

1.4加工效率和加工精度的进展

       先进制造技术的不断进步及应用大大缩短了加工时间，矿物铸件提高了加工效率，图 7a 是被广为引用的一个曲线图[9]，表示了先进制造技术发展与加工时间(效率)的进展情况。从发展趋势来看，一方面，从1960年到2020年，制造生产中总的加工时间(包括切削时间、辅助时间和准备时间)减少到原加工时间的16％，即加工效率显著提升;另一方面，“切削时间 辅助时间 准备时间”这三者之间的占比也逐渐趋向一致，因此，未来提高加工效率，不仅要着眼于工艺方法优化改进和提高自动化程度，还需要从生产管理的数字化、网络化和智能化的角度，有效缩短待工时间。图7b是20世纪80年代Taniguchi (谷口)给出的至2020年不同机床可达到的加工精度预测[10](图中2000年到2020年的精度提升虚线为笔者所加)，可以看到，各种加工工艺方法和机床(或装备)技术的发展带来了加工精度的持续提高，但机械加工领域不同于集成电路制造领域，没有短周期可见效的摩尔定律(IC上可容纳的晶体管数目每18~24个月增加1倍)，其精度提升是一个长时间技术累积和不断迭代的过程(例如：精密加工提高 1个精度数量级的时间超过20年)。