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1.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
數(shù)控機(jī)床歷經(jīng)了從數(shù)字控制(NC)、直接數(shù)控控制(DNC)到今天制造業(yè)普遍應(yīng)用的計算機(jī)數(shù)控(CNC)。其加工精度和切削速度大約每8年提高一倍。定位精度很快將告別微米時代而進(jìn)入亞微米時代，高速和高精度是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主要特征。
現(xiàn)代機(jī)床的特征還有：復(fù)合加工、多軸聯(lián)動、環(huán)境友好(綠色生態(tài)機(jī)床)、智能化監(jiān)控和補(bǔ)償以及人機(jī)通信和自主管理(聰明機(jī)床)，集成為高性能數(shù)控機(jī)床。高性能數(shù)控機(jī)床的總體目標(biāo)是大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和操作者健康。
可以預(yù)測，在未來的3～5年，機(jī)床制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)將在下列領(lǐng)域爭奪制高點：
1)虛擬機(jī)床(NCVerification)。研發(fā)機(jī)電一體化的、硬件和軟件集成的仿真技術(shù)，提高機(jī)床的設(shè)計水平和使用績效。
2)綠色生態(tài)機(jī)床(GreenEco-Machine)。節(jié)能減排，力求生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷最小化。
3)聰明加工系統(tǒng)(SmartMachining)。提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性、加工精度和綜合性能。
4)e-機(jī)床(AutonomousMachine)。提高生產(chǎn)系統(tǒng)的獨立自主性以及與使用者和管理者的交互能力，使機(jī)床不僅是一臺加工設(shè)備，而是企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。
2.什么是綠色生態(tài)機(jī)床
機(jī)床在使用過程中不僅消耗能源，還會產(chǎn)生固體、液體和氣體廢棄物，對工作環(huán)境和自然環(huán)境造成直接或間接的污染。從整個機(jī)床生命周期內(nèi)審視，如何減少對環(huán)境沖擊的綠色生態(tài)機(jī)床就成為當(dāng)前研究的熱點。綠色生態(tài)機(jī)床應(yīng)該具有以下特點：
1)機(jī)床主要零部件由再生材料制造。
2)機(jī)床的重量和體積減少50%以上。
3)通過減輕移動質(zhì)量、降低空運轉(zhuǎn)功率等措施使功率消耗減少30～40%。
4)使用過程的各種廢棄物減少50～60%，保證基本沒有污染的工作環(huán)境。
5)報廢后機(jī)床的材料100%可回收。
2.1減重節(jié)能
據(jù)統(tǒng)計，機(jī)床使用過程中用于切除金屬的功率只占25%左右，各種損耗占去大部分。綠色生態(tài)機(jī)床的第一個措施是通過大幅度降低機(jī)床重量和減少所需功率來構(gòu)建具有生態(tài)效益的機(jī)床(Eco-efficientMachine)。綠色生態(tài)機(jī)床提出一種全新的概念：大幅度減少機(jī)床的重量，節(jié)省材料；同時降低機(jī)床使用時的能源消耗。
傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)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(jī)床重量”。因此，現(xiàn)有機(jī)床重量的80%用于“保證”機(jī)床的剛度，而只有20%用于滿足機(jī)床運動學(xué)的需要。因此機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很大。實現(xiàn)這個目標(biāo)的途徑是通過采用新結(jié)構(gòu)和新材料兩個方面。
減排
機(jī)床使用過程中的潤滑冷卻液是有害的排放物，特別是磨削時采用的乳化液對環(huán)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生態(tài)機(jī)床的基本特征。實現(xiàn)這個目標(biāo)的途徑有以下兩個方面:
1)干切削，不使用冷卻液。需要機(jī)床具有足夠的剛性和鋒利的刀具，僅適用于加工某些形狀比較簡單的銑削和車削工序。
2)微量潤滑(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(fēng))，以及專門的潤滑劑。
2.3刀具增效
機(jī)床的生產(chǎn)效率出至刀尖上。采用先進(jìn)的刀具，選擇合理的刀具幾何角度和切削參數(shù)，可以大幅度提高切削加工的效率，降低切削過程所需的功率，延長刀具的壽命，從而達(dá)到以較少的資源消耗獲得較大產(chǎn)出的目的。
2.4增值再用
金屬切削加工切屑是機(jī)床使用過程中主要的固體廢棄物。傳統(tǒng)的方法是將它作為廢品出售給廢品回收單位，進(jìn)入社會廢品循環(huán)。江蘇省楊力集團(tuán)在本企業(yè)內(nèi)部將每年數(shù)千噸的鐵屑和鋼屑經(jīng)過分揀、壓塊、配料、溶化澆鑄出高質(zhì)量的球墨鑄鐵件，變廢為寶，制成諸如壓力機(jī)曲軸等關(guān)鍵零件。
3.聰明加工系統(tǒng)
如果綠色生態(tài)機(jī)床的愿景是環(huán)境友好，那么智能機(jī)床的目標(biāo)就是用戶友好。“用戶友好”的含義在于大幅度提高工作效率和工作更加舒適和安全。這就要求機(jī)床能夠自主管理自己，能夠自動識別加工任務(wù)和加工狀態(tài)，無需或很少需要人工干預(yù)，而且能夠與操作者及時溝通，變得“聰明”起來，開拓數(shù)控機(jī)床的新紀(jì)元。
機(jī)床在加工過程中不可避免會產(chǎn)生各種誤差，需要采用現(xiàn)代監(jiān)控和補(bǔ)償技術(shù)，以進(jìn)一步提高機(jī)床的性能和通信能力。2005年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提出“聰明加工系統(tǒng)”(SmartMachiningSystem)的研究計劃。
聰明加工系統(tǒng)的五大目標(biāo)是：
1)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化。將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化。
2)設(shè)備特征化。開發(fā)特征化的測量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運行狀態(tài)下對機(jī)床性能進(jìn)行測量和通信。
3)采用下一代數(shù)控系統(tǒng)。與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于CAD模型的機(jī)器控制能夠無縫運行。
4)狀態(tài)監(jiān)控和可靠性，開發(fā)測量、傳感和分析方法。
5)在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。
聰明加工系統(tǒng)的實質(zhì)是制造系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。
3.1先進(jìn)過程控制系統(tǒng)
先進(jìn)過程系統(tǒng)(AdvancedProcessSystem)的內(nèi)涵是監(jiān)測電主軸的工作狀態(tài)。因為電主軸是數(shù)控機(jī)床的心臟，它的狀態(tài)直接關(guān)系到加工精度和加工效率。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(chǎn)生的振動可以加速度“g載荷”值的形式顯示。
3.2智能溫度控制系統(tǒng)
機(jī)床熱變形是影響加工精度的主要因素之一。產(chǎn)生熱變形的因素很多，主要是來自機(jī)床的工作環(huán)境和機(jī)床內(nèi)部的熱影響：
1)環(huán)境影響。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(jī)床等熱源的影響；以及來自機(jī)床基礎(chǔ)的熱傳導(dǎo)。
2)機(jī)床內(nèi)部的影響。如機(jī)床的零部件的發(fā)熱(軸承、絲桿、導(dǎo)軌、電動機(jī)、齒輪、液壓系統(tǒng)等)，切削過程產(chǎn)生的熱量以及冷卻系統(tǒng)的發(fā)熱。
上述熱影響對機(jī)床結(jié)構(gòu)來說是一種復(fù)雜的熱輸入，它隨時間和機(jī)床工作狀態(tài)而變化，是不可預(yù)測的，而最終造成機(jī)床熱變形的大小和部位還取決于機(jī)床結(jié)構(gòu)材料的熱性能，即材料的熱漲系數(shù)、導(dǎo)熱率和熱容量以及機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即部件形狀、質(zhì)量和熱源的分布。
4.e-機(jī)床
在高速加工復(fù)雜的三維輪廓時，經(jīng)常遇到如何優(yōu)化上三個相互關(guān)聯(lián)的數(shù)值：速度、精度和表面光潔度。例如，當(dāng)粗加工模具時，首先應(yīng)該考慮速度；在精加工小型精密電極時，精度就成為最重要的；而在光整模具時，追求的卻是表面光潔度。如何在不同情況下，合理配置和優(yōu)化機(jī)床的性能來達(dá)到目標(biāo)，是一個復(fù)雜的問題。因為它涉及數(shù)百個CNC參數(shù)，諸如運動控制的算法、伺服環(huán)的增益、前饋、平滑過濾器等。
