數(shù)控機床5.doc

- V -現(xiàn)代數(shù)控機床發(fā)展趨勢現(xiàn)代數(shù)控機床的發(fā)展與趨勢一 、引言現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)集機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光機電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展和應用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率必不可少的物質(zhì)手段，它的廣泛使用給機械制造業(yè)生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式帶來深刻的變化，它的關(guān)聯(lián)效益和輻射能力更是難以估計；數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。數(shù)控技術(shù)是國際商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成，發(fā)達國家把數(shù)控機床視為具有高技術(shù)附加值、高利潤的重要出口產(chǎn)品，世界貿(mào)易額逐年增加。大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。因此數(shù)控技術(shù)是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化是當今制造業(yè)的發(fā)展方向，機械制造的競爭其實質(zhì)是數(shù)控的競爭。摘要：本文主要論述了現(xiàn)代數(shù)控機床的發(fā)展趨勢及其一些特點，另外對于我國的現(xiàn)在所處的現(xiàn)狀和面臨的問題的一些思考。關(guān)鍵詞：趨勢、高速化、高精度化、功能復合化、控制智能化、我國發(fā)展現(xiàn)狀二、現(xiàn)代機床發(fā)展趨勢2.1 高速、高精密化20世紀90年代以來，歐、美、日各國數(shù)控機床特別是高速加工中心的開發(fā)應用新一代的高速數(shù)控機床，加快機床高速化的發(fā)展步伐。1、主軸轉(zhuǎn)速：高速主軸單元（內(nèi)裝式主軸電機），主軸轉(zhuǎn)速15000-100000r/min；2、高速且高加/減速度的進給運動部件快移速度60-120m/min，切削進給速度高達60m/min、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術(shù)水平。 3、運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運算速度的極大提高，使得當分辨率為0.1m時，在24m/mi以上；在分辨率為1m時，在100m/min（有的到200m/min）以上，4、換刀速度：目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右，高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設(shè)計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置，其刀到刀的換刀時間僅0.9s。5、采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質(zhì)量。小線段插補進給速度達到12m/min。6、隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要，近10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心的加工精度則從35m，提高到11.5m。2.2、高可靠性 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因為是商品，受性能價格比的約束。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)99%以上的話，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。MTBF大于3000小時，對于由不同數(shù)量的數(shù)控機床構(gòu)成的無人化工廠差別就大多了，我們只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10：1的話（數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于10萬小時。在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。2.3 數(shù)控機床設(shè)計CAD化數(shù)控機床的設(shè)計時一項要求較高、綜合性強、工作量打的工作、故應用CAD技術(shù)就更有必要、更迫切。1、 結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化任何一類機床都是若干基礎(chǔ)件、標準件和功能部件組成的，盡管在同一類機床中有規(guī)格大小和立、臥等形式之分，但大體上功能部件都是相似的。為便于發(fā)展同系列和跨系列變形品種，滿足用戶的市場需要，現(xiàn)在許多機床生產(chǎn)廠家都在發(fā)展自己產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。2、 數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新數(shù)控機床結(jié)構(gòu)技術(shù)重大突破突出表現(xiàn)是近年來已出現(xiàn)的所謂的6條“腿”結(jié)構(gòu)的加工中心，具有機械結(jié)構(gòu)簡單和運軌跡計算復雜化的特征，最顯著優(yōu)點是機床基本性能高，精度相當于坐標測量機，比傳統(tǒng)的加工中心高2-10倍。3、 數(shù)控機床功能多樣化隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的功能越來越多，具體體現(xiàn)在：A、 用戶界面圖形化B、 科學計算可視化C、 插補和補償方式多樣化D、 內(nèi)裝高性能數(shù)控系統(tǒng)E、 多媒體技術(shù)應用2.4智能化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，數(shù)控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1、為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應控制、工藝參數(shù)自動生成。2、高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電動機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。3、故障自診斷與自修復技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應用現(xiàn)代智能方法實現(xiàn)故障的快速準確定位；4、簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等。5、4M數(shù)控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現(xiàn)快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、機器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展，另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。 2.5開放性1、來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；2、戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充功能、提供硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應用要求。 2.6、復合化復合機床的含義是指在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鉆復合加工中心、車銑復合車削中心、銑鏜鉆車復合復合加工中心等；工序復合型機床如多面多軸聯(lián)動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調(diào)整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發(fā)展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結(jié)構(gòu)，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。隨著現(xiàn)代機械加工要求的不斷提高，大量的多軸聯(lián)動數(shù)控機床越來越受到各大企業(yè)的歡迎。在2005年中國國際機床展覽會（CIMT2005）上，國內(nèi)外制造商展出了形式各異的多軸加工機床（包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等）以及可實現(xiàn)45軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動高速銑削中心等。2.7、驅(qū)動并聯(lián)化并聯(lián)運動機床克服了傳統(tǒng)機床串聯(lián)機構(gòu)移動部件質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業(yè)自由度偏低、設(shè)備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷，在機床主軸（一般為動平臺）與機座（一般為靜平臺）之間采用多桿并聯(lián)聯(lián)接機構(gòu)驅(qū)動，通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平臺獲得相應自由度的運動，可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動數(shù)控加工、裝配和測量多種功能，更能滿足復雜特種零件的加工，具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。并聯(lián)機床作為一種新型的加工設(shè)備，已成為當前機床技術(shù)的一個重要研究方向，受到了國際機床行業(yè)的高度重視，被認為是“自發(fā)明數(shù)控技術(shù)以來在機床行業(yè)中最有意義的進步”和“21世紀新一代數(shù)控加工設(shè)備”。 2.8、極端化（大型化和微型化）國防、航空、航天事業(yè)的發(fā)展和能源等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)裝備的大型化需要大型且性能良好的數(shù)控機床的支撐。而超精密加工技術(shù)和微納米技術(shù)是21世紀的戰(zhàn)略技術(shù)，需發(fā)展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備，所以微型機床包括微切削加工（車、銑、磨）機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。2.9、數(shù)控標準的建立：國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649(STEP-NC)，以提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。標準化的編程語言，既方便用戶使用，又降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗。2.10、信息交互網(wǎng)絡化對于面臨激烈競爭的企業(yè)來說，使數(shù)控機床具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享，又能實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程監(jiān)視、控制、培訓、教學、管理，還可實現(xiàn)數(shù)控裝備的數(shù)字化服務（數(shù)控機床故障的遠程診斷、維護等）。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔（e-Tower）的外部設(shè)備，包括計算機、手機、機外和機內(nèi)攝像頭等，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線幫助排除故障等功能，是獨立的、自主管理的制造單元。2.11、新型功能部件為了提高數(shù)控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：1、電主軸：高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成，具有體積小、轉(zhuǎn)速高、可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點，在各種新型數(shù)控機床中已經(jīng)獲得廣泛的應用；2、電動機：近年來，直線電動機的應用日益廣泛，雖然其價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關(guān)鍵技術(shù)的應用，機械傳動結(jié)構(gòu)得到簡化，機床的動態(tài)性能有了提高。如：西門子公司生產(chǎn)的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯(lián)機床以及動態(tài)性能和運動精度要求高的機床等；德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅(qū)動均采用兩個直線電動機；3、珠絲桿：電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成，可以大大簡化數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)，具有傳動環(huán)節(jié)少、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點。2.12、過程綠色化隨著日趨嚴格的環(huán)境與資源約束，制造加工的綠色化越來越重要，而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此，近年來不用或少用冷卻液、實現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機床不斷出現(xiàn)，并在不斷發(fā)展當中。在21世紀，綠色制造的大趨勢將使各種節(jié)能環(huán)保機床加速發(fā)展，占領(lǐng)更多的世界市場。2.13、媒體技術(shù)的應用多媒體技術(shù)集計算機、聲像和通信技術(shù)于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力，因此也對用戶界面提出了圖形化的要求。合理的人性化的用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現(xiàn)。除此以外，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域應用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，應用于實時監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等，因此有著重大的應用價值。三、我國數(shù)控機床發(fā)展現(xiàn)狀及思考我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù) 控產(chǎn)業(yè)取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，19982004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3% 34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主 機消費高達94.6億美元，但進出口逆差嚴重，國產(chǎn)機床市場占有率連年下降，1999年是33.6%，2003年僅占 27.7%。1999年機床進口額為8.78億美元(7624臺)，2003年達27.1億美元(23320臺)，相當于同年國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)值的2.7 倍。國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看 出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控 系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。 我們應看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓服務力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。不斷加強技術(shù)創(chuàng)新是提高國產(chǎn)數(shù)控機床水平的關(guān)鍵，但是仍然要認清我們的現(xiàn)狀：制造水平與管理手段依然落后，服務水平與能力欠缺也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床占有率的一個重要因素。因此要加大數(shù)控專業(yè)人才的培養(yǎng)力度。 四、結(jié)語目前，數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化