李 清，王家齊，王 焱

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

數控機床是現(xiàn)代機械制造業(yè)的關鍵基礎裝備，其發(fā)展很大程度上體現(xiàn)了一個國家機械制造業(yè)的現(xiàn)代化水平，也關系到一個國家的工業(yè)戰(zhàn)略地位和綜合實力。對于航空制造領域，機床裝備是航空復雜結構件高效精密加工的重要工具，是促進航空科學技術和工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎，其性能體現(xiàn)了國家先進制造技術的綜合水平[1-2]。

正是因為上述原因，世界各國均非常重視高檔數控機床的研發(fā)，從20世紀80年代起西方發(fā)達國家就已將五軸聯(lián)動加工機床應用于工業(yè)生產。近年來我國在五軸聯(lián)動數控機床的研發(fā)也得到迅速發(fā)展，諸如沈陽機床集團、北京第一機床廠、濟南第二機床廠、秦川發(fā)展等企業(yè)均推出了系列化的數控機床產品。

數控機床的出現(xiàn)和發(fā)展經歷了一個較為漫長的時期。早期的機床多為原始的人力手工操作，已經無法滿足被加工件精度要求的提高及外形復雜度的變化。1949年，麻省理工學院應美國空軍的委托，開始針對直升機螺旋槳研制數值控制。1952年，麻省理工學院通過和Parsons公司合作研制出首臺數控機床，從此，機械加工進入了一個新的領域。我國的數控機床發(fā)展時間也比較早，1958年2月，第一臺數控機床在沈陽第一機床廠試制成功。這是一臺2軸的車床，由程序配電器控制，由哈爾濱工業(yè)大學研制。同年9月，第一臺真正意義上的數控銑床由清華大學和銑床研究所合作研發(fā)完成，并在北京第一機床廠試制成功。數控加工設備是一個國家高端機械制造的基礎，我國在多年的發(fā)展中已經具有了低端和中端的數控機床研發(fā)生產能力，但是高端數控機床與國外存在著較大的差距。2006年，國家科技部發(fā)布《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》，同期國務院發(fā)布《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》確定的16個重大專項，將“發(fā)展大型、精密、高速數控裝備和數控系統(tǒng)及功能部件”列為重點支持發(fā)展領域。2009年5月，國家發(fā)改委頒布《裝備制造業(yè)技術進步和技術改造投資方向（2009-2011年）》將高速、精密加工中心及五軸聯(lián)動龍門加工中心作為國家重點扶持發(fā)展的產品[3-5]。

現(xiàn)代飛機要求具有優(yōu)異的飛行性能、較長的服役壽命、合理的制造與使用成本等，其結構設計與制造目標是滿足低能耗、長壽命、高可靠性、低成本要求，使得現(xiàn)代飛機從氣動外形、材料體系、零件結構形式上都發(fā)生了重大變化。例如，現(xiàn)代飛機機體材料以復合材料、鈦合金和高性能鋁合金為主體（尤其是復合材料用量得到大幅提升），為飛機的減重、耐腐蝕、長壽命需求提供了基本保證；機體零件結構向大型化、整體化、結構功能一體化等方向發(fā)展，這些變化要求產品的制造手段向高效化、精確化、數字化方向發(fā)展，數控機床成為現(xiàn)代飛機零件制造過程中必不可少的基礎手段。針對飛機復雜結構件，為控制零件的質量誤差、尺寸精度、壁厚尺寸，滿足零件的設計要求和裝配協(xié)調要求，提升零件的制造精度是目前航空領域極為關注的核心問題。實現(xiàn)零件制造精度的提升，一方面要依靠數控機床來滿足高精度加工的需求；另一方面也需要高性能的工裝(高精度定位、高效率裝夾)來保證加工過程中整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

由于現(xiàn)代飛機存在大量復雜結構件的加工需求，而傳統(tǒng)的通用型定位工裝不能很好地勝任工作。最初，為了解決這一問題，普遍使用專用工裝，但隨著技術的進步和對綠色制造的要求，模塊化工裝的使用逐步提升比重，并且在未來的使用中會占據更加重要的地位。其中，模塊化工裝最主要的兩個組成部分是可重構工裝和柔性工裝。

數控機床的關鍵技術基礎

機床在它的整個發(fā)展過程中，由最原始的手工操作控制到現(xiàn)在的數字化控制，驅動方式也由人力、畜力或者水動力到現(xiàn)在的伺服電機。這些變化帶來了人類加工水平的大幅提升，機床加工水平提升最主要的兩點就是控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)。

目前，高速、高精、復合、多軸聯(lián)動和智能化是面向航空制造領域數控機床的基本特征，高剛性大阻尼機床結構、高速大功率精密主軸、高速大推力直接驅動、高分辨率數控系統(tǒng)、網絡化智能監(jiān)控等從不同側面反映了高端數控機床的發(fā)展趨勢和方向。

1 數字控制系統(tǒng)

數控加工過程涉及數控工藝與程序設計、數控程序驅動數控機床的加工執(zhí)行兩個主要過程，其主要流程如圖1所示。

上述流程中，三維建模、工藝與程序設計、后置處理都是在加工數據準備階段完成的工作。控制系統(tǒng)是驅動數控機床執(zhí)行指令、實現(xiàn)運動的核心。

控制系統(tǒng)的硬件主要由總線、CPU、電源、存儲器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數據輸入、輸出接口等組成。

目前，比較先進且常用的控制系統(tǒng)主要是德國西門子（SIEMENS）、日本發(fā)那科（FANUC）、德國海德漢（HEIDENHAIN）的數控系統(tǒng)，我國自主研制的數控系統(tǒng)主要有華中數控系統(tǒng)、廣州數控系統(tǒng)、大連光洋數控系統(tǒng)等。在高端數控機床上（如五軸數控機床）主要采用的還是國外控制系統(tǒng)，國產數控系統(tǒng)主要集中用在中低端數控機床中，近年來國產數控系統(tǒng)也開始進入俄羅斯數控裝備市場。國產數控系統(tǒng)在系統(tǒng)功能、控制精度、運行穩(wěn)定性等方面與國外先進數控系統(tǒng)尚存在一定的差距，主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)的插補運算及處理模塊方面。

控制系統(tǒng)包含多個模塊，其中插補模塊發(fā)揮了非常重要的作用，其性能主要取決于插補算法，表現(xiàn)為利用一種數學方法在理論模型的已知點間插入一些中間點，這些中間點的坐標位置主要依據理論模型的外形輪轂、加工精度、加工工藝等方面的要求來計算。數控系統(tǒng)中運動控制和加工路徑都需要依靠這些中間點的坐標位置。插補算法的優(yōu)劣決定了這些中間點計算所需要時間以及中間點坐標值的精度，從而間接影響到數控系統(tǒng)的加工效率和加工精度。數控系統(tǒng)通過插補器來完成插補功能。在數控加工的過程中，首先依據零件理論數模和加工工藝文件完成數控加工程序編制，然后將加工程序導入到數控系統(tǒng)中。通過編譯和預處理后，按照加工要求對插補算法參數進行設定，利用插補算法計算得到刀位點坐標等數據。運動控制系統(tǒng)根據獲得的坐標數據協(xié)調控制各運動軸的位移和旋轉，從而得到所要求的刀具位置、姿態(tài)以及運動軌跡，完成預期的工件外形輪廓加工。目前插補算法主要包含經典插補技術、參數曲線插補技術與智能插補技術。

圖1 數控加工的主要流程Fig.1 Main process of CNC machining

（1）經典插補算法。

這類算法主要是針對直線、圓弧、拋物線、螺旋線的插補，插補的方法有脈沖增量插補和數據采樣插補兩種，經典插補算法已經十分成熟，但近年來也有針對這類方法的改進性研究[6]。

（2）參數曲線插補算法。

參數化曲線被國際標準化組織規(guī)定為CAD/CAM的數據交換標準，針對參數化曲線的插補研究是當前的一個研究熱點，目前主要有兩種參數化曲線的插補研究工作:B樣條曲線插補和NURBS曲線插補。其中，NURBS插補算法更具優(yōu)良特性,是當前運動控制技術的一個研究熱點。在實際的控制系統(tǒng)中有FANUC、Siemens、三菱等的部分數控系統(tǒng)支持這種插補運算。然而高速、高精度的NURBS插補技術還有很多問題急需研究（如插補計算的穩(wěn)定性問題、插補計算時延問題、插補精度與插補速度的矛盾問題）。運動控制系統(tǒng)的NURBS插補和數控機床的插補又不完全相同，運動控制系統(tǒng)應用對象廣泛，針對不同的控制對象,插補算法又有不同的要求。插補算法的適應性問題是運動控制系統(tǒng)插補所特有的問題[6]。

（3）智能插補算法。

由于神經網絡技術的發(fā)展，利用基于三層前向神經網絡的插補算法也有報道。神經網絡是近年發(fā)展起來的一門新興學科。由于它具有逼近任意非線性函數的能力,使得采用神經網絡進行非線性輪廓插補成為可能。神經網絡具有并行處理的特點，能大幅度縮短插補周期,提高插補精度，且由于其插補時間與曲線表達式無關，使其對非線性輪廓，尤其對高次參數方程的插補表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性[6]。但是它尚處于起步階段，極少有真正的工業(yè)應用。

2 驅動系統(tǒng)

現(xiàn)代數控加工領域向著高精度、高速度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的驅動方式已經顯現(xiàn)出技術瓶頸，在定位精度、啟停加速度、大扭矩驅動方面都無法滿足需求。為了解決這一困境，各研究機構及廠商展開廣泛的研究，推出一系列先進驅動器件及系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的主軸頭采取電機通過皮帶、齒輪箱或者聯(lián)軸器的方式驅動主軸頭的轉動，這樣的方式限制了主軸的轉速和體積，在性能上難以滿足目前高速、高精度、高復雜度的零件加工需求，電主軸是近年來快速發(fā)展并不斷帶來新突破的功能部件之一。電主軸是高頻主軸的簡稱，根據它的結構特點也會被稱作直接傳動主軸，主要表現(xiàn)為主軸電機單元內部安裝，不通過傳動系統(tǒng)傳輸動力，以此保證零距離的機床主傳動鏈。由于傳動方式的特點，該結構具有機械效率高，外形緊湊等特點，同時可以獲得極高的轉速且控制精度高、共振小、運行平穩(wěn)，在先進機床中得到了大量使用。

在數控機床中，各運動軸的移動一般都采取旋轉電機加滾珠絲杠副的方式驅動，但是這種驅動方式存在一些局限性：（1）旋轉電機加滾珠絲杠副的直線驅動方式存在著多個彈性環(huán)節(jié)，當整個系統(tǒng)在高速運動時會變形，導致剛度下降，同時彈性變形使系統(tǒng)的階次變高，系統(tǒng)的魯棒性降低，從而使伺服性能下降。而且，彈性變形是數控機床產生機械諧振的根源；（2）中間傳動環(huán)節(jié)的存在，增加了運動體的慣量，使得位移和速度的動態(tài)響應能力較差；（3）存在間隙死區(qū)，由于運動部件摩擦、誤差積累等因素，使進給速度和加速度受到限制；（4）運轉平穩(wěn)性較差，在高速運動下噪聲大且容易發(fā)熱；（5）由于傳動方式存在摩擦，精度保持壽命相對短。1993年德國第一次將直線電機用在數控機床上面，取得了極好的效果，從此直線電機開始廣泛地出現(xiàn)在數控機床中。直線電機的原理如圖2所示，可以簡單理解為回轉電機通過徑向剖開，沿圓周展開成直線。

圖2 直線電機原理Fig.2 Theory of linear motor

直線電機具有許多獨特的優(yōu)勢：（1） 快速響應性。主要表現(xiàn)在縮短動力傳遞路徑，減少機械傳遞件，將動態(tài)響應時間較大的機械傳遞改為更加敏捷的電氣控制，大幅度提升控制系統(tǒng)的動態(tài)響應能力；（2）結構簡單,直線電機只有一個運動部件且驅動力不需要通過接觸傳遞，可以做到幾乎無磨損使用，延長使用壽命，可靠度高；（3）傳動剛性高、推力平穩(wěn)。由于縮短動力傳遞路徑，系統(tǒng)彈性變形減小，提升了整體剛性，優(yōu)化了傳遞效率；（4）精度高、重復定位準確，相對伺服回轉電機和滾珠絲杠副組合的重復定位精度提高7～10倍；（5）移動速度快，加速度大，最大速度可達90～180m/min，最大加速度可達 1～10g；（6）行程不受限制，可定制各種位移距離。但是目前直線電機在部分領域相對旋轉電機加滾珠絲桿副還是有一些差距，主要表現(xiàn)在重載時的散熱和壽命的問題，同時直線電機相對而言成本也比較高昂，對于經濟型數控機床仍然沒法普及。

3 整機結構

為了適應高速、高精度加工的要求，近年提出了整機結構創(chuàng)新、布局優(yōu)化的要求。傳統(tǒng)的數控機床都是采取的單側驅動的模式。根據基本力學知識，如果在構件的單邊施加驅動，會破壞力學平衡、產生振動，影響加工精度和表面粗糙度。但是如果在重心兩端平均施加驅動，就可以理想的改善這種情況，這即為重心驅動技術。重心驅動與非重心驅動原理對比圖如圖3所示。

日本的森精機制作所2006年首次提出了重心驅動技術，并且成功地應用在他們最新的數控機床中。實際使用證明，重心驅動不管在加工精度、表面粗糙度、提高刀具壽命等方面都優(yōu)于普通的驅動方式。通過森精機制作所的試驗可得到重心驅動與普通非重心驅動振動對比圖如圖4所示。

但是由于重心驅動技術結構復雜，需要考慮的因素繁多，導致成本比價高，一般只用在中高端機床上。

數控機床研發(fā)方向

圖3 重心驅動與非重心驅動原理對比圖Fig.3 Theory comparison chart of DCG and non-DCG

圖4 重心驅動與非重心驅動振動對比圖Fig.4 Vibration comparison chart of DCG and non-DCG

數控機床是支撐先進制造技術領先發(fā)展的主要基礎，先進制造理念的不斷發(fā)展和完善，推動了數控機床結構的變化和相關技術的不斷發(fā)展。目前，高性能數控機床的主要特征可以概括為：高精度、高剛度、多軸聯(lián)動、高速主軸、高動態(tài)響應、智能化控制，由此帶來了數控機床整體結構形式的變化，近年來，數控機床變化主要體現(xiàn)在復合加工、虛擬設備、鏡像銑削等方面。

1 復合機床

復合機床實現(xiàn)了一次裝夾、多種加工的要求。復合加工機床是將車、銑、磨等多種不同類型的加工工序集中到一臺機床上,只需要將工件進行一次裝夾定位，然后通過數控系統(tǒng)控制不同的主軸和進給部件對工件進行聯(lián)動加工,在復合機床中完成傳統(tǒng)需要多臺機床加工的復雜零部件加工。典型復合機床如圖5所示。

圖5 車銑復合機床Fig.5 Turning-milling machine tool

復合加工機床在主軸轉速和加工精度方面并不具備優(yōu)勢，其優(yōu)勢表現(xiàn)在工件只需要進行一次定位裝夾，這樣可大幅度降低多次裝夾造成的基準偏差,可顯著提升復雜工件的加工精度。同時由于多種加工工序集中在一臺機床上，減少了所需機床的臺數和占地面積,簡化了物流系統(tǒng),縮短了整個工藝流程,降低工藝局限性對產品設計的約束。

2 虛擬機床

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，廣大機床廠商提出了“虛擬機床”的概念，通過對數控機床的加工過程進行模擬仿真，使用專門的軟件分析加工過程中刀位軌跡、是否有過切、欠切、干涉和碰撞，同時通過對數控加工過程建模分析，得出在不同加工工藝情況下工件表面溫度變化、加工刀具磨損情況及主軸頭負載情況等相關信息。以“虛擬機床”得出數據為基礎，可以在實際加工以前對工藝流程和加工方法進行優(yōu)化，可以大幅度提高加工效率并且顯著降低加工成本。

3 鏡像銑削機床

針對大飛機蒙皮加工及綠色制造理念的需求，法國杜菲（DUFIEUX）公司提出鏡像銑系統(tǒng)（MMS），MMS關鍵技術是在銑頭相對蒙皮的對稱面加上一個隨動的支撐頭，工作原理如圖6所示。

圖6 鏡像銑原理圖Fig.6 Theory of mirroring milling machines

通過支撐頭的作用，保證被加工蒙皮的剛性，通過降低蒙皮因為刀具導致的共振來提高蒙皮表面的加工精度和表面粗糙度。鏡像銑系統(tǒng)主要用來替代傳統(tǒng)的化銑和龍門銑，配立柱真空吸盤柔性夾持系統(tǒng)，通過杜菲公司的驗證，鏡像銑相對化銑加工時間和加工成本都降低一半，并且被加工件具有更好的質量。但是由于鏡像銑系統(tǒng)的復雜性，目前全球只有空客和我國的洪都航空使用了這種系統(tǒng)。

先進工裝系統(tǒng)

在采用數控機床進行產品零件加工過程中，工裝系統(tǒng)是極其重要的部分，它在一定程度上決定了被加工件的精度和質量?，F(xiàn)代航空產品零件的結構和外形都比較復雜，特別是大型復雜結構零件，普通標準化的工裝無法勝任工件的定位裝夾工作。為了滿足工藝基準協(xié)調、工件變形控制、加工質量穩(wěn)定控制等的關鍵技術要求，傳統(tǒng)解決方案是制作專用工裝。近年來，航空領域產品零件具有多品種、小批量生產特點，使用專用工裝會大大提升成本和加工時間。為了解決這一問題，人們提出了可重構工裝和柔性工裝的新型解決方案。

表1 典型可重構工裝

圖7 蒙皮壁板柔性加持工裝Fig.7 Flexible tooling of skin panel

基于框架結構的模塊工裝系統(tǒng)一種適用于大型產品定位夾持的可重構工裝技術方案，它由螺栓組裝的連接盒與方形梁搭建而成，利用摩擦力固定，所有的零件都是具有一定尺寸規(guī)格的標準件，可以通過拆裝實現(xiàn)重用[6]。使用這種方式可以實現(xiàn)工裝的模塊化設計，大大提升了工裝的設計、安裝及工作效率。通過使用可重構工裝，對于不同的被加工件，模塊化的框架結構以組合的方式實現(xiàn)定位，替代傳統(tǒng)數控機床上使用的固定標準化工裝系統(tǒng)，保證對于被加工件的準確配合。典型可重構工裝的示意圖如表1所示。

作為一種新型工裝，可重構工裝展現(xiàn)了優(yōu)良的效率和環(huán)保性，但是由于是組合型工裝，相對于傳統(tǒng)的一體式工裝有著穩(wěn)定性較差的缺點。在未來的研究方向中，提高可重構工裝的穩(wěn)定性將是非常重要的方面。

柔性工裝主要用來替代傳統(tǒng)的專用曲面工裝，如飛機蒙皮加工工裝。柔性工裝通過多個陣列支撐頭頂端的真空吸附盤或者其他裝夾設備來固定被加工件，同時支撐頭具有X、Y、Z3個方向的自由度，可以在空間貼合被加工件的表面，保證被加工件的穩(wěn)定性。柔性工裝在加工中的使用如圖7所示。

柔性工裝通常都會與其他工裝混合使用以獲得更好的經濟性。比如在鏡像銑系統(tǒng)里面，通過柔性工裝固定蒙皮周邊，然后再依靠動態(tài)支撐頭與加工刀具隨動來保證加工質量。柔性工裝在現(xiàn)在數控加工領域有著廣泛的使用，同時它的靈活性使它還有很大的挖掘潛力。

結束語

數控機床作為人類歷史上最偉大的發(fā)明之一，已經具有百年歷史了，它推動著人類工業(yè)技術的前進，同時電子設備的進步、信息技術的革命也給它帶來了質的飛躍。如今物聯(lián)網的提出、綠色制造的推行又給了數控機床一個發(fā)展的契機，通過虛擬人機關系優(yōu)化設計的數控機床具有更友善的操作方式，智能化設備的融入使自動化加工成為可能。這些技術的推進讓數控機床無論從結構形式，還是綜合性能和加工精度方面都發(fā)生了巨大的變化，具有多軸聯(lián)動、高速切削、復合加工等功能的數控機床滿足航空航天、船舶汽車等高新技術領域中高精度、復雜結構、難切削材料零件的制造需求，新的數控機床結構也不斷出現(xiàn)（如并聯(lián)機床、鏡像銑削機床、柔性與智能加工系統(tǒng)等），有效地支撐了復雜產品技術的發(fā)展。

縱觀機床多年的發(fā)展史，具有一個普遍的特征,都是產品結構變化和制造理念變革的需求驅動了數控機床的發(fā)展。在我國產業(yè)結構改革的今天，智能制造、精密制造的提出創(chuàng)造了一個良好的契機來推動機床技術的革新。隨著我國工業(yè)技術的進步，對先進機床的需求會更加的迫切，國產數控機床將會迎來更好的發(fā)展。

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