normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">编者按：未来的机床将会实现哪些突破？未来的数控加工技术将会怎样发展？本期“看技术”我们采撷了关于未来机床及其工艺技术的设想、研发、试验和应用，以飨读者。
虚拟数控机床
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">在实际零件加工之前，在虚拟环境中考虑机床运动学、动力学、数控系统、空间精度、切削力、主轴转矩/功率、加工误差等，实现对加工过程的仿真和优化，从而可以正确、经济和高效地加工出首件合格零件。虚拟加工的本质可以认为是对数控加工过程进行几何仿真和力学仿真，并在两个仿真的基础上优化数控加工切削参数和过程。CAM仿真软件、虚拟机床和切削过程动力学是虚拟加工的重要支持工具。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">NC程序几何仿真——主要解决刀具干涉、碰撞检查、NC编程错误导致的尺寸路径误差等，也可从几何运动方面进行NC程序的部分优化；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">机床结构特性仿真——机床结构动力学、静力学和整体性能（整机、进给和主轴驱动）仿真；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">加工动力学仿真——考虑机床动力学和切削过程扰动情况下的轨迹生成、插补、进给等仿真；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">加工过程优化——对各种不同切削条件下的切削力、转矩、功率、振动、生成表面等进行计算和仿真，经过迭代比较进行切削参数和加工工艺的优化。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">采用CAM仿真软件对NC程序进行走刀轨迹仿真校验、干涉校验等的几何仿真软件已商品化，并在国内制造企业大量应用。当前，虚拟数控加工研究的重点是对切削过程中“机床+工件+工艺（切削过程）”系统中的力学仿真问题。
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数字伺服驱动技术
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">传统的模拟伺服由于受温度、放大系数的影响，各轴的插补精度一致性相对较差，在任意两轴加工圆时会出现椭圆度误差。数字伺服很好地解决了这一问题。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">数字伺服控制以DSP作为硬件依托，采用软件方式实现伺服的位置环、速度环和电流环的控制。所以可以根据不同的负载状况，通过调整参数很方便地实现自适应。德国Andron公司的最新产品是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式数控系统。它采用两个Inter处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信，采用串行实时通信接口SERCOS和皮米级插补技术。数字伺服驱动技术借助SERCOS接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度（可达到ns级）。
机床主体均匀温度场的控制措施
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">在现代数控机床上为控制机床的局部发热，均衡机床各部分温度与室温的一致性、均匀性可以采取一系列措施。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">（1）主轴部件是主要发热源，所以主轴的前轴承部件都配置冷却水套，与机外恒温油箱连接，重点冷却前主轴轴承座（或主轴箱体）的温度，与室温相近。一些高速电主轴内通入常温压缩空气，带走主轴内部热量，控制主轴部件温升。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">（2）采用中空的滚珠丝杠，通入恒温冷却液，有效冷却滚珠丝杠高速旋转中发热，这一技术尤其在龙门机床长丝杠上取得了较好的稳定精度的作用。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">（3）采用供给大量恒温流体来稳定机床构件（立柱、床身等）的温度场均匀，控制局部热变形。例如在龙门机床长床身中通风调节各局部温度变化。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">在一些高精度机床上，床身导轨和立柱导轨后面都有液体流动的通道，在工作中恒温液体从这些通道中通过循环，控制整机均匀温度场。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">（4）采用三维温度补偿软件，修正加工精度。机床由冷态工作到热态过程中，工作精度有一定变化，如主轴、Y轴导轨等均会出现一定量的误差。这些误差随着主变量（温度）的变化会产生有规律的相应误差变化，例如当主轴端面温度上升5℃时，一般会使主轴抬头0.015~0.02mm。因此，在机床关键部件贴上温度传感器测定温升量并输入到数控系统，由试验测定数据的补偿软件计算出在Z轴上的补偿修正量，输入Z轴坐标系进行修正，提高机床精度。这种补偿软件也可对X、Y、Z多轴进行补偿，大大改善原有的机床精度。这一补偿技术已较成功地应用于高精度三坐标测量机的温度场补偿，以前三测机只能用于20℃±1℃条件下精密测量，现在对X、Y、Z三轴和工件上各加上两个温度传感器（共7~8个），经过多维数字模型的软件处理，能在20℃±5~6℃的环境下实施精确测量。
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智能机床的特征
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">美国是智能加工技术及智能机床的倡导者和发起者。早在上世纪80年代美国就提出研究发展“自适应控制”机床，但由于许多自动化环节（如自动检测、自动调节、自动监控与补偿等）没有解决，进展较慢。随后，美国国家标准技术研究所制造工程实验室开展了智能机床、加工过程预测和智能化开发结构控制3项计划的研究。该项目的参与者包括美国制造技术协会（AMT）、国家国防制造与加工中心（NCDMM）、国家制造科学中心（NCMS）、国家先进制造联合会（NACFAM）、国家工具与加工联合会（NTMA）、制造工程师协会（SME）、GE以及TechSolve公司等政府部门、研究机构和机床厂商，并于2004年3月推出了智能加工平台计划（SMPI）的技术路线图，智能机床以及后来发展的智能加工系统（SMS）一直沿着SMPI规划的方向发展。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">目前对智能机床上没有规范、确切的定义。SMPI认为，智能化机床至少应具备以下特征：
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">1．知晓自身的加工能力/条件，并且能与操作人员交流、共享这些信息；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">2．能够自动监测和优化自身的运行状况；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">3．可以评定产品/输出的质量；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">4．具备自学习与提高的能力；
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">5．符合通用的标准，机器之间能够无障碍地进行交流。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">与普通数控机床或加工中心的主要区别在于，智能机床除了具有数控功能外，还具有感知、推理、决策、学习等智能功能。为了实现上述功能，需要对材料去除过程和工艺系统性能进行客观、科学的理解和表述。就机床本身来说，主要集中于机床性能描述及表征、加工过程优化与控制以及机床运行状态监测3个方面，其核心问题在于开发系统动力学以及全局优化的工具和方法。
智能刀具监控技术
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">刀具失效是引起加工过程中断的首要因素。从二十世纪50年代开始，人们就已经开始对金属切削过程尤其是刀具的破损进行研究和监控。实践表明，切削中实施刀具的有效监控可以减少机床故障停机70%，提高生产率10%~60%，提高机床利用率50%以上。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">实现刀具磨损和破损的自动监控是完善机床智能化发展不可缺少的部分。现代数控加工技术的特点是生产率高、稳定性好、灵活性强，依靠人工监视刀具的磨损已远远不能满足智能化程度日益提高的要求。进入本世纪以来，高速处理器、数字化控制、前馈控制和现场总线技术被广泛使用，由于信息处理功能的提高和传感器技术的发展，刀具加工过程中实施监控所需的数据采集预处理已经成为可能。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">在刀具监控手段和方法方面，主要有切削力监控、声发射监控、振动监控及电机功率监控等测试手段，涉及的技术主要包括智能传感器技术、模式识别、模糊技术、专家系统及人工神经网络等。模糊模式识别在模式识别技术中是比较新颖的方法，可以根据刀具状态信号来识别刀具的磨损情况，利用模糊关系矩阵来描述刀具状态与信号特征之间的关系，国内外都已进行了这些方面的研究，且都取得了一定成功。
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并联机床的技术优势
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">并联机床以空间并联机构为基础，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联机床以珩架杆系结构取代传统机床的悬臂梁和两支点梁结构来承载切削力和部件重力。具有刚度高、动态性能好、模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">并联机床最明显的优势是其珩架结构带来的良好的刚度特性，另一个优点是其模块化结构。比如典型的6自由度Stewart机构是由6个完全相同的连杆分支支撑运动平台。分支的模块化特点使机床的设计加工等多方面得以简化。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">此外，并联机床珩架结构的特点使机床具有良好的刚度重量比，单位刚度的机构本体重量得以大大减小，可大量节省钢材，在当今全球资源环境日益紧张的形势下意义重大。
normal style="TEXT-INDENT: 21pt; mso-char-indent-count: 2.0">与传统机床不同，并联机床的刀具轨迹是“虚轴”运动的结果，“实轴”（杆件）需要按照一定的运动学解算规律进行运动才能得到要求的“虚轴”轨迹，因此并联机床从运动机理上就是“多轴联动”的，这也是并联机床与传统机床相比所具有的一个优势。并联机床可以方便地实现空间复杂轨迹的运动，用于模具等复杂零件的加工。
