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國內數控機床技術(shù)的五大方向和三大差距

發(fā)布日期:2018-07-27 作者: 點(diǎn)擊:

圍繞質(zhì)量、效率和工藝變革的要求,我國機械制造工藝裝備——主要是數控設備在技術(shù)層面發(fā)生了深刻的變化。數控機床功能不斷豐富,采用了工序、工藝集中化和復合化技術(shù);機床在結構布局和新材料應用方面都有了新發(fā)展;數控技術(shù)在開(kāi)放化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、高速高精化方面取得了新發(fā)展。其目的都是為了提高生產(chǎn)效率,提高精度,保證質(zhì)量和實(shí)現效益最大化。

不斷追求高質(zhì)量和高效率是機械制造業(yè)研究的永恒主題和目標,是促進(jìn)其工藝裝備發(fā)展的源動(dòng)力。工藝要求和變革是機械制造工藝裝備技術(shù)發(fā)展創(chuàng )新和變革的根據和基礎。

國產(chǎn)數控機床走過(guò)了50年發(fā)展的漫長(cháng)歷程,在近10年來(lái)得到了較快發(fā)展,特別是得到了政府的重視,設立了重大技術(shù)攻關(guān)專(zhuān)項,有效地促進(jìn)了數控機床的發(fā)展。

目前,國產(chǎn)數控機床可供品種達1500多種,覆蓋了數控金屬切削機床、數控板材加工機床(數控沖壓機床、數控激光加工機床、火焰切割機床等)、數控電加工機床、工業(yè)機器人、三坐標測量機等,種類(lèi)基本齊全。2010年數控金屬切削機床保有量約為150萬(wàn)臺(其中進(jìn)口超過(guò)40萬(wàn)臺),僅金屬切削機床的年產(chǎn)量就超過(guò)了16萬(wàn)臺、2011年1~10月份累計達到21.8萬(wàn)臺、全年可達到25萬(wàn)臺左右。國產(chǎn)品牌數控機床的數量和價(jià)值占國內市場(chǎng)50%以上。在代表先進(jìn)技術(shù)水平的五軸聯(lián)動(dòng)和復合加工中心、數控系統和其他配套技術(shù)產(chǎn)品方面也都取得了新進(jìn)展。本文主要圍繞數控技術(shù)發(fā)展與差距展開(kāi)討論。


追求高生產(chǎn)率

為了追求機械制造的高生產(chǎn)率,促進(jìn)數控設備向加工復合化(工序復合和工藝復合)、高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、工藝參數優(yōu)化方向發(fā)展。

1復合化

數控機床復合加工,主要指工序集中化、復合化和工藝復合化。

1.1工序集中化、復合化

自從20世紀70年代末,隨著(zhù)三聯(lián)動(dòng)加工中心開(kāi)始用于機械制造,開(kāi)始進(jìn)入機械加工工序集中化時(shí)代。20世紀80年代,我國自制的三聯(lián)動(dòng)加工中心也開(kāi)始在機械制造中得到應用,主要是用于箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實(shí)現鏜、銑、鉆、攻絲等多道工序,提高了加工效率和精度。

2000~2011年是我國數控機床發(fā)展最快的時(shí)期。在此期間,自主開(kāi)發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、車(chē)銑復合加工中心、車(chē)銑磨復合加工中心和磨削復合加工中心等。有的國內制造廠(chǎng)商已經(jīng)能夠提供五軸聯(lián)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)復合加工中心等,但有一些是屬于重大專(zhuān)項攻關(guān)產(chǎn)品,有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

1.1.1五軸聯(lián)動(dòng)加工中心

國內生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的廠(chǎng)家正在不斷增加。

開(kāi)發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有2個(gè)關(guān)鍵核心部件技術(shù)難度較大,一個(gè)是雙擺角萬(wàn)能加工頭;一個(gè)是雙軸回轉臺(見(jiàn)圖2)。這2種部件國內廠(chǎng)商也已開(kāi)發(fā)出來(lái),但有待進(jìn)一步的完善和商品化。雙擺角萬(wàn)能加工頭用于大型機床,雙擺軸回轉臺用于小型機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機,并裝有編碼器,以提高動(dòng)態(tài)性能和精度。

雙擺角萬(wàn)能加工頭技術(shù)難度更大一些。國內某廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的一種直驅雙擺角萬(wàn)能頭的主要參數如下:

額度扭矩:A軸500~1000Nm(可選)、C軸660~2000Nm(可選);

定位精度:±2“、±2.5”、±3“、±5”(可選);

絕對編碼器分辨率:26位、29位(可選);

擺角范圍:A軸±110°、C軸±360°。

我國還沒(méi)有形成雙擺角萬(wàn)能頭系列化商品,而國際上像德國CYTEC公司可以供應系列化商品。

1.1.2車(chē)銑復合加工中心

車(chē)銑復合加工中心既有在數控車(chē)床基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的,也有在立式加工中心基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

1.1.3車(chē)銑磨復合加工中心


1.1.4車(chē)銑磨齒輪加工復合中心

有的車(chē)削中心在回轉刀架上安裝了第二主軸和砂輪軸。在第二主軸上也可安裝齒輪刀具加工軸齒輪和蝸輪,甚至可以實(shí)現五軸聯(lián)動(dòng),用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。

1.1.5磨削復合加工中心


1.2工藝復合

工藝復合加工在國內還不多見(jiàn)。

據有關(guān)資料顯示,1臺五軸聯(lián)動(dòng)加工中心或多工序復合加工中心比三聯(lián)動(dòng)加工中心能提高生產(chǎn)效率1倍以上。多軸聯(lián)動(dòng)和復合加工不但能提高生產(chǎn)效率,而且減少了二次安裝誤差,提高了精度和質(zhì)量。國內已經(jīng)可以生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心和多軸聯(lián)動(dòng)復合加工中心,但有些屬重大攻關(guān)產(chǎn)品還有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

2高速化

為實(shí)現數控加工高速化,傳動(dòng)系統采用直驅技術(shù),數控系統采用高速運算處理技術(shù)。

2.1直驅技術(shù)

為了提高生產(chǎn)效率,數控機床傳動(dòng)部件逐步采用直驅技術(shù)。主軸采用電主軸直驅?zhuān)M(jìn)給采用直線(xiàn)電機驅動(dòng),回轉工作臺采用力矩電機直驅?zhuān)遢S聯(lián)動(dòng)的擺角萬(wàn)能頭采用力矩電機直驅等。

早在2000年以前,我國就開(kāi)始了直驅技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

目前,國外先進(jìn)的電主軸單元轉速可達15000~100000r/min,一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線(xiàn)電機直驅的進(jìn)給部件既要求速度高,還要求有高的加減速功能??焖僖苿?dòng)速度可達60~200m/min,加速度達2g~10g;工作進(jìn)給可高達60m/min以上,加速度達1g~2g。采用傳統的滾珠絲杠傳動(dòng)的進(jìn)給部件的進(jìn)給速度為20~30m/min,加速度為0.1g~0.3g;一般情況下,進(jìn)給速度為30m/min左右。直驅比用滾珠絲杠驅動(dòng)的進(jìn)給速度提高了1倍以上,從而減少了輔助時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。直線(xiàn)電機驅動(dòng)技術(shù)有著(zhù)廣闊的應用前景,但還需進(jìn)一步降低成本和解決發(fā)熱問(wèn)題。


2.2數控系統高速運算處理技術(shù)

高速直驅進(jìn)給要求數控系統運算速度快,采樣周期短,具有足夠的超前路徑加(減)速優(yōu)化程序段預處理能力。較先進(jìn)的數控系統可預處理幾千和幾萬(wàn)個(gè)程序段。在多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)可根據預處理緩沖區的G代碼進(jìn)行加減速優(yōu)化處理。為保證加工速度,第六代數控系統每秒可進(jìn)行2000~10000次進(jìn)給速度改變。

3智能化

為追求數控機床加工效率和加工質(zhì)量,數控系統不但有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、自學(xué)習控制、工藝參數自動(dòng)生成、三維刀具補償、運動(dòng)參數動(dòng)態(tài)補償等智能化功能,并有故障診斷專(zhuān)家系統,使自診斷和故障監控功能更趨于完善。伺服驅動(dòng)系統智能化,能自動(dòng)感知負載變化,自動(dòng)優(yōu)化調整參數。

國產(chǎn)數控系統正在努力朝智能化方向發(fā)展,引入了一些智能化技術(shù)。


4開(kāi)放化和網(wǎng)絡(luò )化

數控裝置的開(kāi)放化可以更容易地實(shí)現智能化網(wǎng)絡(luò )化制造,有效地促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。

4.1開(kāi)放化

開(kāi)放式數控裝置是指硬件、軟件和總線(xiàn)對用戶(hù)是開(kāi)放的。開(kāi)放式數控裝置最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有更好的通用性、靈活性、適應性和可擴展性,可以滿(mǎn)足用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的要求。

4.1.1NC和CNC概念及開(kāi)放化

目前,數控裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路組成的數控裝置被稱(chēng)為NC裝置;由計算機硬件和軟件共同組成的數控裝置被稱(chēng)為CNC數控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎,軟件是整個(gè)CNC運行和功能實(shí)現的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。

CNC數控裝置硬件除具有CPU、EPROM、RAM外,還有位置控制器、手動(dòng)輸入(MDA)接口、顯示(CRT)接口和PLC接口等,因此CNC數控裝置是一專(zhuān)用計算機。

CNC軟件分為管理軟件和控制軟件2種。管理軟件用于管理零件程序的輸入輸出、刀具位置系統參數、零件程序顯示、機床狀態(tài)故障診斷及報警等??刂栖浖勺g碼、插補、運算、刀具補償、速度控制、位置控制等軟件組成。

現代開(kāi)放式數控裝置主要是在PC機平臺上開(kāi)發(fā)的CNC數控裝置。

4.1.2標準與規范

能否實(shí)現數控裝置的開(kāi)放化與建立技術(shù)標準和規范密切相關(guān)。數控技術(shù)誕生50多年來(lái),信息交換都是基于ISO6983標準,即采用G、M代碼描述如何加工。顯然,該標準越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代數控技術(shù)高速發(fā)展的要求。

歐美和日本等國家在20世紀90年代就開(kāi)始研究制定了開(kāi)放式數控裝置的體系結構規范(OMAC、OSACA、OSEC),開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式數控裝置并作為發(fā)展戰略。我國于2000年也開(kāi)始研究并制定了開(kāi)放式數控裝置規范框架,但還很不完善。

4.2網(wǎng)絡(luò )化

網(wǎng)絡(luò )化有利于信息共享和提高生產(chǎn)效率。有資料介紹在多品種小批量生產(chǎn)中,1臺數控機床用于切削的時(shí)間只占機動(dòng)時(shí)間的25%~35%,聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )后,可以提高到60%~65%。

數控的網(wǎng)絡(luò )化技術(shù),主要是指數控系統與外部的其他控制系統或上位機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接和網(wǎng)絡(luò )控制。數控系統首先面向企業(yè)內部局域網(wǎng),然后再經(jīng)因特網(wǎng)向企業(yè)外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網(wǎng)絡(luò )可使企業(yè)與企業(yè)之間進(jìn)行跨地區協(xié)同設計、協(xié)同制造、信息共享、遠程監控、遠程診斷和服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò )能為制造提供完整的生產(chǎn)數據信息,可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將加工程序傳給遠方的機床進(jìn)行加工,也可遠程診斷并發(fā)出指令調整。網(wǎng)絡(luò )使各地分散數控機床聯(lián)系在一起,互相協(xié)調,統一優(yōu)化調整,使產(chǎn)品加工不局限于一個(gè)工廠(chǎng)內而實(shí)現社會(huì )化生產(chǎn)。

我國的機械制造企業(yè)信息化集成的發(fā)展也比較快,實(shí)現了車(chē)間級和企業(yè)級信息網(wǎng)絡(luò )集成。數控的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展前景廣闊,但真正實(shí)現跨企業(yè)、跨地區的信息化網(wǎng)路還有很長(cháng)的路要走。

5優(yōu)化工藝參數提高效率

數控加工采用的工藝參數是否合理,對于提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量非常重要,必須逐步進(jìn)行優(yōu)化并建立工藝數據庫。

優(yōu)化工藝參數有2種方法。一種是通過(guò)實(shí)際試切來(lái)選擇合理的工藝參數,費時(shí)、費力、費材料;另一種方法是應用力學(xué)動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真方法,比第一種方法省時(shí)、省力、省材料,同樣可以獲得較合理的工藝參數。在生產(chǎn)實(shí)踐中,還可以對這些參數進(jìn)行合理的調整。

航空行業(yè)是數控機床的大用戶(hù),對優(yōu)化工藝參數、建立工藝數據庫,并應用到生產(chǎn)實(shí)踐中有急切的需求。因此,由政府支持組織北京航空航天大學(xué)和中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開(kāi)展優(yōu)化工藝參數技術(shù)攻關(guān)。以上單位開(kāi)發(fā)了一整套工藝參數力學(xué)動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真、預測和數字化軟硬件系統,建立了優(yōu)化工藝參數數據庫,形成了優(yōu)化高速切削工藝參數手冊,從根本上實(shí)現了工藝參數選擇從試切到仿真的跨越,提高了加工效率和質(zhì)量。這是一項意義重大而又深遠的工作。

我國數控設備生產(chǎn)企業(yè)也應該提供這方面的技術(shù)和服務(wù)。采用工藝優(yōu)化參數不但可以提高生產(chǎn)效率和提高加工質(zhì)量,而且對節省材料、節能減排,實(shí)現綠色制造有著(zhù)重要意義。

追求高精度高質(zhì)量

追求數控機床加工工件的高精度和高質(zhì)量。首先數控機床本身必須具有這樣的性能。為此,數控機床在結構和布局上,在材料選用上必須考慮到提高剛性和承載能力,以保證實(shí)現高精度;同時(shí)數控系統、伺服驅動(dòng)系統、傳動(dòng)系統和測量傳感器等也必須具有高分辨率、高精度的性能,才能滿(mǎn)足加工工件高精度、高質(zhì)量的要求。

1結構布局

為了實(shí)現功能和提高剛性,數控車(chē)床、車(chē)削中心、立式加工中心、臥式加工中心、龍門(mén)加工中心、車(chē)銑復合加工中心等在結構布局方面發(fā)生了深刻變化。


2采用新材料提高剛性

用于數控機床的優(yōu)質(zhì)新材料的開(kāi)發(fā)與應用,有利于提高數控機床整體剛性和精度,非常重要。

蜂窩狀材料、水泥材料、天然花崗巖石材等也有用于數控設備的情況。重視新型材料的開(kāi)發(fā)與應用,必然使機床結構設計和性能發(fā)生變革。

3高精度插補數控系統

高位數CPU(64位)在數控裝置上的應用,高速納米級插補運算、高分辨率伺服等功能為提高數控機床精度做出重要貢獻。

在數控機床上應用的CPU,從20世紀80年代的16位發(fā)展到現在的64位,其頻率也從原來(lái)的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發(fā)展進(jìn)一步提高了運算速度和分辨率(0.1μm、0.01μm)。國產(chǎn)數控系統開(kāi)始采用64位CPU,可實(shí)現微米級精度插補,但與國外先進(jìn)數控系統相比還有距離。

實(shí)現納米級精度插補,伺服驅動(dòng)系統控制分辨率和響應能力是非常關(guān)鍵的。為此,在驅動(dòng)單元之中伺服電機軸上安裝高精度傳感器(16×106線(xiàn)/轉),在閉環(huán)系統中采用高分辨率(1μm)的光柵尺,可使小型數控機床的運動(dòng)部件定位精度達到2~3μm。一般情況下,國產(chǎn)小型數控機床還達不到這樣的水平。

結束語(yǔ)

只有組成數控設備的各種部件(包括軟硬件)技術(shù)都卓越,整體綜合性能才能卓越,才能實(shí)現加工的高生產(chǎn)率、高精度、高質(zhì)量。而且,每個(gè)部件都有保證生產(chǎn)效率和質(zhì)量的功能,只是貢獻率不同而已。本文只介紹了數控技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)重要方面,不夠全面。

要特別強調的是,今后要特別重視新工藝的研究與創(chuàng )新,從而促進(jìn)數控產(chǎn)品的創(chuàng )新;要特別重視數控加工工藝參數的優(yōu)化和建立數據庫的工作,以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。要特別重視新材料的研究與應用,以提高數控機床性能;要特別重視數控技術(shù)的智能化網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用,其前景廣闊。

以上強調的4個(gè)特別,政府應大力支持,數控設備生產(chǎn)企業(yè)和機械制造企業(yè)應特別重視,要不懈地努力工作,使我國數控機床技術(shù)發(fā)展從跟隨變?yōu)轭I(lǐng)跑。


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