数控机床发展现状和创新理念

韩文渊 上海第三机床厂 (200032)

韩文渊（1959年~） 男，大专。长期从事机械机床的设计与制造工作，先后担任木工机械、雕刻机械、数控铣床、加工中心的设计，现在上海第三机床厂从事产品开发与设计等工作。

0 引 言

我国战略性新兴产业的崛起，使机床业与10年前相比又到了一个发展的新节点。中国机床业做精做强、不断创新是我们走向世界的必须，因此机床行业正在以新的面貌、新的理念得到新的发展。

1 国内外数控机床的发展现状

机床发展正加速体现制造业的三大技术特征：复合化、自动化、智能化。其具体表现是：

(1)减少工序的更换，提高效率；

(2)加强工序集约，提高精度；

(3)采用高速、高精度运动，提高切削效率、零件表面质量，减少后续工序；

(4)工作台自动交换，缩短辅助时间；

(5)五轴、复合加工，使得复杂零件加工变得容易，能够促进零件结构改进；

(6)利用多任务的复合机床和智能化机器人等柔性系统，实现多种类型工件的连续自动加工。

图1所示为奥地利林茨机床厂的WFL系列重载车铣加工中心，是业内具有震撼力的大型重载复合机床，可以认为是较具代表性，以车床为基础设计的复合机床。

图1 林茨机床厂的WFL系列重载车铣加工中心

该系列重载车铣加工中心，是复合加工技术的完美表现。针对大型复杂的回转类零件，通过一次装卡，允许装卡长达6.5m的复杂工件，能够在任意角度完成车、铣、镗、滚齿、插齿、深孔钻、内腔加工乃至磨削加工等，机床的5轴联动功能可以加工任意几何型面。复合加工思想得到极大体现，工序集约程度空前强大，柔性加工能力更高，从图2可见此理念。

图2 机床的各类加工模式

为实现上述工序集约能力，WFL机床集合众多创新技术思想，以完善的技术手段，整机的巧妙布局完美地达到这些复合加工理念。

图3所示是沈阳机床厂生产的汽车轮毂加工单元，为高效智能的柔性单元，能进行多种工件（尺寸、形状、加工工艺）的混流生产。它主要由VTC6664vwh双托盘双刀架立式车削中心，VMC0745d立式加工中心和机器人自动搬运系统组成。

图3 汽车轮毂加工单元

该柔性单元整合多项技术，从其控制操作显示面板可以看到该柔性单元由轮毂型号自动识别系统、尺寸自动测量系统、气门孔加工前视觉识别系统、加工程序自动生成系统、废品自动剔除系统等装置组成，由此实现轮毂全过程的自动化、智能无人化加工，见图4。

图4 控制操作显示面板

一般认为复合机床和柔性制造系统最能反映机床制造技术的综合实力与创新能力，反映制造业的需求和特征，它们往往整合了各项新技术、新工艺，并对数控机床的发展，有着很强的引领和启发作用，一定意义上代表了新时代数控机床深入发展的趋势，表现了数控机床发展的技术特征。

2 国内数控机床特色产品

2.1 多条柔性生产线齐亮相

大连机床、沈阳机床、北京一机床，江苏新瑞等厂商研制的产品，均有各自特点。特别是国内厂商在汽车生产线领域实现零的突破，凸显我国机床制造业在集成技术上已得到大幅提升。其中大连机床的两条生产线：DKX057发动机缸体柔性生产线，见图5，DXGT-0001发动机缸套柔性生产线，见图6，显示了大连机床的综合实力和竞争力。DKX057线的加工材料为特种合金铸铁（HT250），生产节拍≤3.56min；DXGT-0001线的加工材料为硼合金铸铁，生产节拍≤80s；这两条生产线的零件传输，均采用滚道和桁架机械手并用方式，实现高柔性化、高自动化，工序能力指数Cpk值≤1.33。

图5 DKX057发动机缸体柔性生产线

图6 DXGT-0001发动机缸套柔性生产线

2.2 高精、高能、高速成为机床发展趋势

精密、高性能作为机床的本质要求，始终是机床发展过程中予以探索与追求的目标。北京机床研究所的NANO-TM500超精密纳米级精度车铣复合机床，就赋予我们新的设计思路，见图7。

NANO-TM500机床溜板采用直线电机对称双驱动结构，纳米级分辨率，X、Z轴最小移动控制量为1nm，实现纳米插补； B轴转台采用气静压轴承，高分辨率直驱结构，最小角度控制量为0.000 01°；主轴采用高精度气静压轴承、整体电主轴结构，并具有Cs轴功能，整机控制联动轴数为4轴。机床高精度加工效果：工件表面粗糙度≤5nm，可应用于光学平面、球面及非球面零件的超精密加工。

图7 NANO-TM500机床

直线电机、直接驱动、双驱动技术、在线自动测量等技术的广泛应用，给高速、高精度机床设计制造，不断注入活力，许多厂商的机床均体现了这一点。南通科技的MCH63精密卧式加工中心，大连机床的VDBS65高速精密立式加工中心，是其中具有代表性的机床。图8是南通科技的两款机床：MCH63精密卧式加工中心和VH1100高速立式加工中心，从图8中机床布局、结构上，可看出这些技术的应用。

图8 MCH63精密卧式加工中心（左）VH1100高速立式加工中心（右）

2.3 复合机床涌现量大

常见复合机床主要是以车铣（铣车）为复合加工形式，并通过五轴功能，进行复杂曲面加工。高比率复合机床的涌现，表明机床业内对车削中心和加工中心，这两者技术集成能力提高。技术创新应用，使复合机床的种类和功能不断扩大，工序集约能力不断提高。

以数控铣床、加工中心类机床为基础，来看复合机床，较典型的有大连机床的VHT800五轴联动立式车铣复合加工中心，安阳鑫盛机床CX110100立式车铣复合加工中心，见图9。这两款作为数控机床科技重大专项成果，体现了机床高速、高精、五轴、复合的技术特性。它们的回转工作台（台面直径VHT800为Ø800mm；CX110100为Ø1 100mm），均采用力矩电机直接驱动，应用车削模式时，其最高转速前者为600 r/min，转台由烟台环球制造；后者为500r/min，采用德国技术定制。

图9 CX110100立式车铣复合加工中心

图9 是CX110100立式车铣复合加工中心的三维造型，显然这是以五轴立卧式加工中心为基础，增加了车削装置而构成。铣削主轴成45°角摆动（B轴），内置电主轴，油雾润滑，HSK-A100刀柄，14 000r/min转速。为提高B轴摆动轴刚度，采用两端支承，前端组合轴承，后端增加径向支承轴承，与其他相类似的摆动轴比较，这是一个特点。机床线性丝杠轴，采用双丝杠驱动技术，并应用丝杠中心循环冷却，三向快移速度60m/min。转台（C轴）力矩电机的输出扭矩（连续/30min）为5 400/6 200Nm；定位加工时，转台采用轴向液压制动；转台支承轴承脂润滑、空气密封技术；力矩电机采用油循环冷却。

大型复合机床方面，沈阳机床的VT350140lg立式车铣磨及淬火复合加工中心很有亮点，机床总体采用移动双立柱，横梁升降式结构，回转工作台静压轴承支承，见图10。对一个大型的回转支承类零件加工，通常需4～5道工序和机床，VT350140lg通过强大的全自动交换功能，采用多种附件头配置，见图11，实现一台机床就能完成全部加工，充分显示其复合机床的工序集约能力，及其高精度、高效率加工。

图10 VT350140lg立式车铣磨及淬火复合加工中心

图11 VT350140lg机床附件头配置

VT350140lg还应用了多项先进技术：

(1)回转工作台（C轴）采用伺服双电机功能：当车削为主运动时，双电机起增力作用；当C轴参与五轴加工时，双电机双驱技术来实现齿传动消隙功能；

(2)横梁升降W轴，采用双丝杠各带减速器双驱动技术，双光栅尺反馈；

(3)经过受力分析精密计算，确定变形位置和量，横梁采用仿形加工技术；

(4)多工位刀夹、万能磨头、激光淬火头，这些新技术应用，增加刀库刀具数量，提高了工艺能力。

2.4 智能化技术被普遍应用

北京一机床的BHBM200数控落地铣镗床，是一款高精度机床，见图12，机床的滑枕和镗杆悬伸运动，其悬伸挠度具有自动偏差补偿功能。比如沈阳机床的HMT40100h复合车铣中心，其主轴轴向温升带来的尺寸变化，具有自动补偿功能，该机还具有主轴三维防碰撞技术，在零件周围设置临界区，主轴发现危险后自动实现碰撞规避。又如前述的汽车轮毂加工单元，更具备多项智能化技术，比如具有轮毂型号自动识别系统、废品自动剔除系统等智能化技术。

图12 BHBM200数控落地铣镗床

2.5 技术创新应用，带来思维的革命性变化

沈阳机床的VMC850u超声波立式加工中心，见图13，采用超声波旋转主轴技术，可以对一些难加工的材料进行加工，比如针对硬碎材料如玻璃、陶瓷石英等，软质材料如碳纤维板、石墨、纯铜等。 其构成：超声波发生器—主轴—超声波旋转刀把—产生有利于加工件波谱的频率（20kHz～30kHz，频率可调）。其特点：

(1)采用超声波旋转刀把，使用一般传统加工用的刀刃，即可对上述材料进行加工；

(2)无须特制即可配合刀库自动换刀；

(3)使用普通刀具转速，即可达到30万r/min高速主轴所产生的效果；

(4)输出能量可作调整，可以通过刀库自动换刀实现。

从该机床技术构成要素来分析，可以看到它体现了集成创新的思想。该机集成了超声波技术，台湾旭泰的主轴，核心是超声波旋转刀把技术；以及结合该厂的立式加工中心机床，从而开发具有新技术特色，功能新颖的创新产品。

图13 VMC850u超声波立式加工中心

3 机床的创新开发设计思想

在新时代新形势下，面对机遇和挑战，要想有所作为，求得行业间较高的竞争力，求得机床发展的更广阔空间，那么创新思维是立足之本。同时应通过多观察、多思考，来预期机床发展的各种要求、特性；同时关心机床周边技术的信息与应用，并具有整合进机床的设计能力，由此来实现可能的机床开发设计，这是机床创新开发设计的基础。

而说起创新，我们往往是口号说得多，真正正视它在产品开发设计中的体现，研究如何实践创新比较少。放眼世界，在各项工作中，要有所突破进步，创新意识的树立是基本条件，在机床产品设计开发中尤其如此。从上海第三机床厂的设计经验来看，笔者认为创新的基本方法主要还是体现在消化吸收创新和集成创新这两种形式。

3.1 消化吸收创新是企业产品设计极其重要的方法

对踏入或涉及新机床类型的设计者来讲，要想入门且有所建树，首要方法总是消化吸收创新。它有三个特点：

(1)提升知识，形成自身技术；

(2)成为企业共有资源，要求看得见摸得着，实现企业技术的可持续发展；

(3)具备了量的积累，开拓创新有基础。具体表现为：

一读—产品图样理解掌握；

二问—多角度、多方向请教技术细节，能够去伪存真；

三看—观察车间现场装配的机床、展会等渠道的同行产品；

四琢磨—通过探讨把“读问看”与理论知识相联系，融会贯通上升为自身技术；

五创新—增长见识，丰富和阅历，设计讲原理，创新靠思想。

“读、问、看、琢磨、创新”5字诀的意义很重要。一个有所作为的设计人员，必然通过5字诀的方法，把一些机床典型核心结构转变为自身技术，对这些典型核心结构不是简单直接的抄袭、放大或缩小，而是能够做出原理分析而真正应用，为创新设计数控机床打下基础。值得一提的是，在这一过程中，要注意集体智慧的汲取，比如从装配、检验、工艺等师傅口中，可以直观地了解掌握不少技术原理、细节、信息；同样还可以通过社会化的交流，比如展会、讲座等渠道，来积极获得信息与技术。

3.2 对新颖产品的开发，主要是采用集成创新的方式

可以看到各类数控机床一些功能的设计，均采用技术集成的手段加以实现。它需要我们具备“海量”信息支撑，阅历与技术能力的厚积底蕴，设计思维创新意识。由于功能件技术的社会化生产，专项技术的专业化技术协作制造，使得数控机床的整机功能、性能，更多地以集成创新实现，即以整合各项技术的能力，来体现集成创新的水平。

例如上海第三机床厂XH766A卧式加工中心，为满足切削加工精度，实现主轴高转速和大扭矩输出，满足动柱式机床主轴箱运动的动态性能，整机集成了主轴恒温冷却技术、自动切换的高性能减速器技术、3DR减压阀重力平衡技术等。这些技术集成的创新应用，使机床整机的性能达到了新高度。因此随着时代发展，对于新工艺、新性能、新功能而不断提出的机床设计要求。一个成熟的技术人员，应该有能力采用集成创新的手段，设计开发新产品，使之跟上时代步伐，满足并引导市场需求。

3.3 在集成创新过程中，技术集成的选用技巧与水平，也体现出创新能力

例如上海第三机床厂的动柱式机床，其主轴箱运动的重力平衡，从该厂技术而言，可以采用3DR减压阀液压平衡技术，也可以应用气平衡技术，还可以应用锚泵平衡技术等多项选择。又比如数控机床的闭环控制，是选用光栅尺还是磁栅尺，也有多项选择。因为多样化技术对机床性价比、可靠性、技术集成是否受制于人等，具有重要意义，同时也体现出技术可持续应用的手段。

由此对影响设计人员技术集成能力的因素，提出两点看法：

(1)积极的捕捉技术信息，并能予以正确消化和掌握；

(2)持严谨设计态度，克服浮躁心态。对此两点认识举例说明：比如立式加工中心的Z轴导轨丝杠防护所采用的卷帘式拉罩有多种结构形式，而能否合理化地设计，则取决于对拉罩的见识和机床工况分析，故新选型设计的拉罩，对切屑的防护及走向，其可靠性更能满足实际工况，见图14。

所以说对创新设计而言：严谨作风很重要，浮躁作风要不得；不能等他人的设计再参考；参考借鉴要有独立原理分析和正确应用。

图14 立式加工中心Z轴防护罩的改进思路

3.4 具有特色的创新，形成独立自主技术

对此认识还是要着重强调：见多识广是基础，技术能力是条件，还要有强烈的创新意识，三者不可缺一。自主创新对企业影响力的扩大有重大意义，我们的境界应靠向特色的创新能力，设计人员一定要有想法，要有思想。以XH766A卧式加工中心为例，在双工作台交换装置开发设计中，双摆臂轨道式交换装置可以说独具匠心，是个有特色的创新设计，从单臂拖动台面，创新延伸为双臂结构，以此缩短交换台面的时间。同时交换装置结合液、气、电以及PLC控制的联动设计，从而形成了特色的双工作台自动交换系统。见图15。

图15 双工作台自动交换系统

4 结 语

创新是永恒话题，特别是正处在我国经济面临发展转型的关键时期，对机床产品设计人员而言，创新思想的培育具有特别重要的意义，创新更是时代对我们的强烈呼唤。

创新行为从别处是拿不到的，需要我们的亲身实践，它应具有深刻的内涵。创新只能是自己的行动，所在团队的协调行动。因此在新时代，我们应该提倡有内涵的创新，不能乱创新，要符合客观规律、经济规律、技术规律。创新要求我们：提倡学习风气，提高学习能力，培育创新思维方法，鼓励任何一项技术进步。为使创新思想植入我们的灵魂，我们要以哲学思想来武装头脑：创新、认识、再创新、再认识，由此循环以至无穷，而机床产品的发展，应随着创新步伐不断跨上时代新台阶。