数控机床及工装的发展与创新设计

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1、。。帅。酬way。㈣⋯c。。№帅。T。。I国产数匦M泼展之路数控机床及工装的发展与刨新设计李清，王家齐，王焱(中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024)【摘要】在现代数控加工中，由于被加工件的精度要求以及复杂度不断提高，传统加工系统无法满足使用需求，为解决这一问题，数字控制系统的核心算法以及驱动系统得到了快速发展，一些创新机构也应用到了数控机床的整机结构设计中。这些解决措施大幅提升了被加工件的精度和表面质量，促进了市场上一系列新型数控机床的出现，如复合机床、镜像铣削机床等，与之配合的新型加工工装技术也取得了相应的突破

2、。关键词：数控机床；控制系统；驱动系统；先进机床；工装系统DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．06．047李清北京航空制造工程研究所在读研究生．主要研究方向为数控加工设备和加工工装系统。数控机床是现代机械制造业的关键基础装备，其发展很大程度上体现了一个国家机械制造业的现代化水平，也关系到一个国家的工业战略地位和综合实力。对于航空制造领域，机床装备是航空复杂结构件高效精密加工的重要工具，是促进航空科学技术和工业发展的战略性基础，其性能体现了国家先进制造技术的综合水平[1-21。正是因为上述原因，

3、世界各国均非常重视高档数控机床的研发，从20世纪80年代起西方发达国家就已将五轴联动加工机床应用于工业生产。近年来我国在五轴联动数控机床的研发也得到迅速发展，诸如沈阳机床集团、北京第一机床厂、济南第二机床厂、秦川发展等企业均推出了系列化的数控机床产品。数控机床的出现和发展经历了一个较为漫长的时期。早期的机床多为原始的人力手工操作，已经无法满足被加工件精度要求的提高及外形复杂度的变化。1949年，麻省理工学院应美国空军的委托，开始针对直升机螺旋桨研制数值控制。1952年，麻省理工学院通过和Parsons公司合作研制出首台数控机

4、床，从此，机械加工进入了一个新的领域。我国的数控机床发展时间也比较早，1958年2月，第一台数控机床在沈阳第一机床厂试制成功。这是一台2轴的车床，由程序配电器控制，由哈尔滨工业大学研制。同年9月，第一台真正意义上的数控铣床由清华大学和铣床研究所合作研发完成，并在北京第一机床厂试制成功。数控加工设备是一个国家高端机械制造的基础，我国在多年的发展中已经具有了低端和中端的数控机床研发生产能力，但是高端数控机床与国外存在着较大的差距。2006年，国家科技部发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，同期国务院发

5、布《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》确定的16个重大专项，将“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件”列为重点支持发展领域。2009年5月，国家发改委颁布《装备制造业技术进步和技术改造投资方向(2009—2011年)》将高速、精密加工2016年第6期·航空制造技术47钐论坛FORUM中心及五轴联动龙门加工中心作为国家重点扶持发展的产品[3-5]。现代飞机要求具有优异的飞行性能、较长的服役寿命、合理的制造与使用成本等，其结构设计与制造目标是满足低能耗、长寿命、高可靠性、低成本要求，使得现代飞机从气动外形、材料

6、体系、零件结构形式上都发生了重大变化。例如，现代飞机机体材料以复合材料、钛合金和高性能铝合金为主体(尤其是复合材料用量得到大幅提升)，为飞机的减重、耐腐蚀、长寿命需求提供了基本保证；机体零件结构向大型化、整体化、结构功能一体化等方向发展，这些变化要求产品的制造手段向高效化、精确化、数字化方向发展，数控机床成为现代飞机零件制造过程中必不可少的基础手段。针对飞机复杂结构件，为控制零件的质量误差、尺寸精度、壁厚尺寸，满足零件的设计要求和装配协调要求，提升零件的制造精度是目前航空领域极为关注的核心问题。实现零件制造精度的提升，一方面

7、要依靠数控机床来满足高精度加工的需求；另一方面也需要高性能的工装(高精度定位、高效率装夹)来保证加工过程中整个工艺系统的稳定性和可靠性。由于现代飞机存在大量复杂结构件的加工需求，而传统的通用型定位工装不能很好地胜任工作。最初，为了解决这一问题，普遍使用专用工装，但随着技术的进步和对绿色制造的要求，模块化工装的使用逐步提升比重，并且在未来的使用中会占据更加重要的地位。其中，模块化工装最主要的两个组成部分是可重构工装和柔性工装。数控机床的关键技术基础机床在它的整个发展过程中，由最原始的手工操作控制到现在的数字化控制，驱动方式也由

8、人力、畜力或者水动力到现在的伺服电机。这48航空制造技术·2016年第6期些变化带来了人类加工水平的大幅提升，机床加工水平提升最主要的两点就是控制系统和驱动系统。目前，高速、高精、复合、多轴联动和智能化是面向航空制造领域数控机床的基本特征，高刚性大阻尼机床结构、高速大功率精密主轴、高速大推