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我国數控機床未来发展的十二种大趋势
时间:2016-09-19 13:22:04 点击:次
目前,的發展日新月異,高速化、高精度化、複合化、智能化、開放化、並聯驅動化、網絡化、極端化、綠色化已成爲數控发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国,主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势,而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状,应该抓住机会不断发展,努力发展自己的先进技术,加大技术创新与人才培训力度,提高企业综合服务能力,努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现數控機床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变,实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变 
   
  1、高速化 
   
  隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用,對的高速化要求越來越高。 
   
  (1)转速:機床采用(内装式主軸电机),主軸最高转速达200000r/min; 

  (2)進給率:在分辨率爲0.01μm時,最大進給率達到240m/min且可獲得複雜型面的精確加工; 
   
  (3)運算速度:微處理器的迅速發展爲向高速、高精度方向发展提供了保障,开发出CPU已发展到32位以及64位的數控系統,频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高,使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度; 
   
  (4)換刀速度:目前國外先進的交換時間普遍已在1s左右,高的已達0.5s。德國Chiron公司將设计成篮子样式,以主軸为轴心,刀具在圆周布置,其刀到刀的换刀时间仅0.9s。 
   
  2、高精度化 
   
  數控機床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度,機床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 
   
  (1)提高CNC系統控制精度:采用高速插補技術,以微小程序段實現連續進給,使CNC控制單位精細化,並采用高分辨率位置檢測裝置,提高位置檢測精度(日本已開發裝有106脈沖/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機,其位置檢測精度可達到0.01μm/脈沖),位置采用前饋控制與非線性控制等方法; 
   
  (2)采用誤差補償技術:采用反向間隙補償、絲杆螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術,對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明,綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%~80%; 
   
  (3)采用网格检查和提高加工中心的运动轨迹精度,并通过仿真预测機床的加工精度,以保证機床的定位精度和重复定位精度,使其性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并保证零件的加工质量。 
   
  3、功能複合化 
   
  复合機床的含义是指在一台機床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型機床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——等;工序复合型機床如多面多轴联动加工的复合機床和双主軸车削中心等。采用复合機床进行加工,减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差,提高了零件加工精度,缩短了产品制造周期,提高了生产效率和制造商的市场反应能力,相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 
   
  加工过程的复合化也导致了機床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构,该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高,大量的多轴联动數控機床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际览会(CIMT2005)上,国内外制造商展出了形式各异的多轴加工機床(包括双主軸、双刀架、9轴控制等)以及可实现4~5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 
   
  4、控制智能化 
   
  随着人工智能技术的发展,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求,數控機床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面: 
   
  (1)加工过程自适应控制技术:通过监测加工过程中的切削力、主軸和进给电机的功率、电流、电压等信息,利用传统的或现代的算法进行识别,以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及機床加工的稳定性状态,并根据这些状态实时调整加工参数(主軸转速、进给速度)和加工指令,使设备处于最佳运行状态,以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性; 
   
  (2)加工參數的智能優化與選擇:將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規律,用現代智能方法,構造基于專家系統或基于模型的“加工參數的智能優化與選擇器”,利用它獲得優化的加工參數,從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生産准備時間的目的; 
   
  (3)智能故障自診斷與自修複技術:根據已有的故障信息,應用現代智能方法實現故障的快速准確定位;
   
  (4)智能故障回放和故障仿真技术:能够完整记录系统的各种信息,对數控機床发生的各种错误和事故进行回放和仿真,用以确定错误引起的原因,找出解决问题的办法,积累生产经验; 
   
  (5)智能化交流伺服驱动装置:能自动识别负载,并自动调整参数的智能化伺服系統,包括智能主軸交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量,并自动对控制系统参数进行优化和调整,使驱动系统获得最佳运行; 
   
  (6)智能4M數控系統:在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径,将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中,实现信息共享,促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 
   
  5、德體系開放化 
   
  (1)向未來技術開放:由于軟硬件接口都遵循公認的標准協議,只需少量的重新設計和調整,新一代的通用軟硬件資源就可能被現有系統所采納、吸收和兼容,這就意味著系統的開發費用將大大降低而系統性能與可靠性將不斷改善並處于長生命周期; 
   
  (2)向用戶特殊要求開放:更新産品、擴充功能、提供硬軟件産品的各種組合以滿足特殊應用要求; 
   
  (3)數控標准的建立:國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標准ISO14649(STEP-NC),以提供一種不依賴于具體系統的中性機制,能夠描述産品整個生命周期內的統一數據模型,從而實現整個制造過程乃至各個工業領域産品信息的標准化。標准化的編程語言,既方便用戶使用,又降低了和操作效率直接有關的勞動消耗。 
   
  6、驅動並聯化 
   
  并联运动機床克服了传统機床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,在機床主軸(一般为动)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动,通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工,具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。并联機床作为一种新型的加工设备,已成为当前機床技术的一个重要研究方向,受到了国际機床行业的高度重视,被认为是“自发明数控技术以来在機床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。 
   
  7、極端化(大型化和微型化) 
   
  国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术,需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备,所以微型機床包括微切削加工(车、铣、磨)機床、微、微和微型等的需求量正在逐漸增大。 
   
  8、信息交互網絡化 
   
  对于面临激烈竞争的企业来说,使數控機床具有双向、高速的联网通讯功能,以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享,又能实现數控機床的远程监视、控制、培训、教学、管理,还可实现数控装备的数字化服务(數控機床故障的远程诊断、维护等)。例如,日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备,包括计算机、手机、机外和机内摄像头等,能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能,是独立的、自主管理的制造单元。 
   
  9、新型功能部件 
   
  为了提高數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应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括: 
   
  (1)高频电主軸:高频电主軸是高频电动机与主軸部件的集成,具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点,在各种新型數控機床中已经获得广泛的应用; 
   
  (2)直线电动机:近年来,直线电动机的应用日益广泛,虽然其价格高于传统的伺服系統,但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用,机械传动结构得到简化,機床的动态性能有了提高。如:西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速、加工中心、、并联機床以及动态性能和运动精度要求高的機床等;德国EX-CELL-O公司的XHC三向驅動均采用兩個直線電動機; 
   
  (3)电滚珠丝杆:电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成,可以大大简化數控機床的结构,具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。 
   
  10、高可靠性 
   
  數控機床与传统機床相比,增加了數控系統和相应的监控装置等,应用了大量的电气、液压和机电装置,易于导致出现失效的概率增大;工业电网电压的波动和干扰对數控機床的可靠性极为不利,而數控機床加工的零件型面较为复杂,加工周期长,要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证數控機床有高的可靠性,就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外數控系統平均无故障时间在7~10万小时以上,国产數控系統平均无故障时间仅为10000小时左右,国外整机平均无故障工作时间达800小时以上,而国内最高只有300小时。 
   
  11、加工過程綠色化 
   
  随着日趋严格的环境与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的资源、环境问题尤为突出。因此,近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的機床不断出现,并在不断发展当中。在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保機床加速发展,占领更多的世界市场。 
   
  12、多媒體技術的應用 
   
  多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體,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、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。除此以外,在數控技術領域應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化,應用于實時監控系統和生産現場設備的故障診斷、生産過程參數監測等,因此有著重大的應用價值。 
   
  国产數控機床缺乏核心技术,从高性能數控系統到关键功能部件基本都依赖进口,即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌,但其产品的功能、性能的可靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产數控機床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术,但缺乏对機床结构与精度、可靠性、人性化设计等基础性技术的研究,忽视了自主开发能力的培育,国产數控機床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距,同样难以得到大多数用户的认可。 
   
  一些国产數控機床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高,加工手段基本以普通機床与低效刀具为主,装配调试完全靠手工,加工质量在生产进度的紧逼下不能得到稳定与提高。另外很多国产數控機床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式,工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外機床制造商能做到每周装调出产品,而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术改造和管理水平的提升。 
   
  由于數控機床产业发展迅速,一部分企业不顾长远利益,对提高自身的综合服务水平不够重视,甚至对服务缺乏真正的理解,只注重推销而不注重售前与售后服务。有些企业派出的人员对生产的數控機床缺乏足够了解,不会使用或使用不好數控機床,更不能指导用户使用好機床;有的对先进高效刀具缺乏基本了解,不能提供较好的工艺解决方案,用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手,帮助用户进行设备选型,推荐先进工艺与工辅具,配备专业的培训人员和良好的培训环境,帮助用户发挥機床的最大效益、加工出高质量的最终产品,这样才能逐步得到用户的认同,提高国产數控機床的市场占有率。

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