数控机床关键技术与发展趋势探析

朱骥

摘 要：在我国机床制造业中，数控机床是十分常见的工作设备，在现代工业中占据极其重要的地位。数控机床技术的可靠性和稳定性对技术产业的发展产生直接影响，具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数字化数控机床系统是机床逐渐趋向高档化的表现。高档数控机床作为世界先进机床设备的代表，其发展象征着国家目前的机床制造业占全世界机床产业发展的先进阶段，因此国际上把五轴联动数控机床等高档机床技术作为一个国家工业化的重要标志。本文对数控机床的技术特征和关键技术进行阐述，并探析数控机床未来发展的趋势，提出关于我国数控机床发展的相关建议，目的是对数控机床在工业发展中的重要作用进行分析和研究，希望对我国工业发展起到积极的参考作用。

关键词：数控机床；关键技术；发展趋势

国家的经济发展水平和综合国力，受重工业装备发展水平的直接影响。数控技术当前被广泛应用与现代工业和制造业等高精尖领域中，是制造技术及装备的核心部分。机床作为当前机械加工产业的主要设备，其技术发展已经成为国内机械加工产业的发展标志。数控机床是制造装备业的工作母机，是先进的生产技术和军工现代化的战略装备。数控机床技术不仅是我国现代化工业发展的基础性技术，也是体现国家工业机械程度和精密程度的关键环节。许多发达国家对工业较为落后的国家实行数控技术及信息的封锁战略，将数控技术作为本国的内部资源之一。通过多年的研究和探索，我国当前在数控方面已经获得一些成就，但与发达国家相比仍處于落后的阶段，这一点主要体现在国产机床占有率低的方面。

1 数控机床技术特征

1.1 整体设备重量低

数控机床加工技术具有轻量化的特征，主要是因为其利用整体薄壁的结构，比如在生产航天产品时，会对轻量化提出较高的要求，因其零件十分复杂、组件数量多、表面形状特殊和过渡圆角半径小等诸多因素的限制，所以利用数控加工技术进行生产加工是十分有效的方法，不但机动性能有所提升，并且可以很大程度降低生产成本[1]。

1.2 性能高

具备高性能是数控机床当前的主要特征，主要用于加工难度较高的材料，如对材料和强度都要求较高的第四代军用机，耐寒、抗高温、防老化、韧性强、抗疲劳和防腐蚀是对该材料的要求，所以可以利用数控加工技术对钛合金、复合材料、铝合金和工程陶瓷等进行加工，以达到其高性能的目标。

1.3 加工精密程度高

精密化是我国数控机床技术具备的另一特征，并且在不断提高加工精度的过程中，精密化程度也逐渐提升。如进行航空飞行器中导航、控制等设备的加工时，有部分零件精密度较高且结构复杂，所以随着精密化和轻量化的程度逐渐提升，推动数控技术的发展。

2 数控机床的关键技术

2.1 补偿误差技术

加工过程中出现的误差对产品的质量产生直接影响，所以随着对加工产品质量要求的不断提升，对产生误差的重视程度也越来越高。数控机床加工所采用的补偿误差技术，能够最大程度减小误差和误差对产品造成的影响，这需要对产生误差的原因进行深入研究。床身、立柱、主轴以及各种导轨等是组成数控机床的重要部分，这几部分都可能在生产中产生误差，补差误差技术主要体现在误差建模、误差测量和误差补偿三个方面。其中最基础的技术是误差建模，这包括误差元素建模和综合建模两项内容，其次是误差测量技术，这包含直接测量和间接测量，这两项工作都是为最后的误差补偿技术创造条件。根据时间可以将误差补偿技术分为离线补偿和实时补偿，前者是以测量的误差为依据，在后期进行机床的误差补偿，这只适用于机床产生的稳定误差。如果是因温度等原因产生的误差必须进行实时补偿，研究补差误差技术是让补偿误差工作更加有效、简便和准确[2]。

2.2 直线电机进给驱动技术

无需任何中间转换装置实现电能向直线运动机械能的直接转换，就是直线电机，结构简单、磨损少、效率高、噪音小以及组合性强是其主要的优势。交流直线电机是当前在高精度数字机床上普遍应用的设备，这种设备有直线感应电机和永磁直线同步电机两种，直线感应电机成本较低，并且受到外界干扰影响的程度较低，同时也可以抗电磁干扰；永磁直线同步电机同时具备直线电机和永磁电机的优势，响应速度更快、体积更小、推力能量更大，所以是当前高精度直线进给系统的首选。

2.3 五轴联动技术

五轴联动数控机床是当前高档数控机床的主要类型，也是航天航空等诸多重工业加工精密仪器时应用的主要工具。“3+2”是五轴联动数控机床的结构模式，可以实现X、Y、Z三轴与另外两轴的同时运动和回转。欧美和日本是进口五洲联动数控机床的代表国家，其数控技术处于国际领先水平，由于国外技术封锁和国内缺乏工业基础的原因，我国现在整体的数控技术水平较为落后，不过对五轴联动数控机床的研究脚步从未停止[3]。

3 数控机床技术未来发展趋势

3.1 性能逐步提升

机械行业性能指标是通过精读、速度和效率来体现，所以数控技术未来会在这些方面有更加显著的提升，将多处理器作为控制系统的方法。与此同时要在提升机床动、静态性能方面加强研究力度，提出合理、有效的改善措施，以满足不同客户在机床使用方面的需要。数控系统中的群控制系统逐渐向柔软化转型，对物料流及信息流进行调整，从而适应生产的各项流程，最大程度发挥群控制系统的性能，简化加工程序，使数控技术的发展方向更加多元化。

3.2 趋向网络化

随着社会进步和互联网发展，各行各业都获得巨大的发展空间和机遇，传统工业也不例外，当前大多数加工流程已经将计算机技术加入其中，这为数控机床的发展创造诸多有利条件，并且可以实现诊断故障和远程监控的功能。

3.3 趋向智能化

智能数控机床的实时控制在未来会实现模糊控制、专家控制、学习控制和自适应控制等功能，并且将编程、故障诊断和参数设定相关系统都加入到数控系统中，对机床在告诉运行时缠身的数据进行收集和检测，保证机床能够正常、高速、稳定运行，当出现故障能够及时反馈，以便进行处理和解决，使数控机床的操控性大大提升[4]。

4 我国数控机床发展相关建议

我国机床行业在世界机床工业体系和全球机床市场中占有重要地位，但目前仍然不能算作机床强国。与世界机床强国相比，我国机床行业仍具有一定差距，尤其表现在中高档机床竞争力不强。此外，受到国内外复杂经济形势的影响，我国机床行业发展回归新常态，产业向中高端转型升级的要求迫切[5]。

4.1 生产重点产品

应重点针对航空航天装备、汽车、电子信息设备等重点产业的需求展开研究，幵发高档数控机床、先进成形装备及成组工艺生产线。包括：电子信息设备加工装备、航空航天装备大型结构件制造与装配装备、航空发动机制造关键装备、船舶及海洋工程装备关键制造装备、轨道交通装备关键零部件成套加工装备等产品。

4.2 研发高檔数控系统

重点开发多轴、多通道、高精度插补、动态补偿和智能化编程、具有自监控、维护、优化、重组等功能的智能型数控系统；提供标准化基础平台，允许开发商、不同软硬件模块介入，具有标准接口、模块化、可移植性、可扩展性及可互换性等功能的开放型数控系统。

4.3 提高共性技术

近年来，机床制造基础和共性技术研究不断加强，产品开发与技术研究同步推进。机床产品的可靠性设计与性能试验技术、多轴联动加工技术等多项关键技术的成熟度有了很大提升。数字化设计技术研究成果在高精度数控坐标镗床、立式加工中心等产品设计上进行实际应用；多误差实时动态综合补偿和嵌入式数控系统误差补偿等软硬件系统在多个企业、多个产品上进行了示范应用，使数控机床精度得到了明显提升[6]。

5 结语

在科学技术快速发展的大背景下，我国必须在数控技术和科技上实现创新，摆脱传统模式和观念的束缚，将数控技术发展重点转移到管理和营销上，保证售后服务的质量，将可持续发展观融入到未来数控技术的研究中，以发展新型数控系统作为探索目标，在对我国制造行业水平进行提升的同时，优化技术发展的模式，尽可能减小与发达国家数控技术之间的差异，将数控机床广泛应用于机械工业中不仅能够提高我国制造业的技术水平，更为我国未来发展提供动力。现代制造业的蓬勃发展需要通过数控机床技术的进步和发展作为基础条件，与此同时，制造业随着数控机床技术的发展向高效、优质以及人性化的方向逐渐转型。所以，未来因数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，必将促使制造业迎来巨大的发展机遇，展开一场撼动传统制造业模式的深刻革命。

参考文献：

[1]吴唤.数控机床的技术发展路线[J].大科技，2017（1）：304.

[2]黄楚鹏.数控机床和数控技术的发展及未来趋势[J].科技视界，2014（33）：266266，291.

[3]张金刚.数控机床关键技术与发展趋势[J].房地产导刊，2017（6）：240.

[4]王建军.数控机床和数控技术的发展及未来趋势[J].城市建设理论研究（电子版），2015（3）：21652166.

[5]张晓红.数控机床和数控技术的发展及未来趋势[J].山东工业技术，2016（20）：295.

[6]赵钦志， 王立平， 王军见.数控机床可靠性试验和评估技术分析与研究[J].制造技术与机床，2017（11）：1721.