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我国数控机床行业技术发展趋势分析


   近几年来,数控机床技术在实用化和产业化等方面取得可喜的成绩,主要表现在以下几个方面。

    (1)复合化。

    复合化加工通过增加机床的功能,减少工件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间,从而提高机床生产率。复合化加工还可以减少辅助程序,减少夹具和加工机床数量,对降低整体加工和机床维护费用也有利。复合化包含工序复合化和功能复合化。数控机床复合化发展的趋势是尽可能将零件所有的工序集中在一台机床上加工。复合加工的另一领域是与非刀具切削的复合,例如切削加工与激光加工技术的复合。

    随着数控机床技术进步,复合加工技术日趋成熟,包括铣——车复合加工、车——镗——钻——齿轮加工等复合加工、车磨复合加工、成形复合加工、特种复合加工等,复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,复合加工机床发展正呈现多样化的态势。

    (2)智能化。

    智能化加工是一种基于知识处理理论和技术的加工方式,发展智能加工的目的是要解决加工过程中众多不确定性的、要求人工干预才能解决的问题。计算机软硬件技术的发展,人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。

    数控加工智能化趋势有两个方面:一方面是采用自适应控制技术,以提高加工质量和效率。把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来,使系统的运行达到最优。其主要的追求目标是:保护刀具和工件,适应材料的变化,改善尺寸控制,提高加工精度,保持稳定的质量,寻求最高的生产率和最低的成本消耗,简化零件程序的编制,降低对操作人员经验和熟练程度的要求等;另一方面是在现代数控机床上装备有多种监控和检测装置,对工件、刀具等进行监测,实时监视加工的全部过程,发现工件尺寸超差、刀具磨损或崩刃破损,便立即报警,并给予补偿或调换刀具。在故障诊断中,除了采用专家系统外,还将模糊数学、神经网络应用其中,取得了良好的效果。

    (3)高柔性化。

    柔性是指机床适应加工对象变化的能力。提高数控机床柔性化正朝着两个方向努力:一是提高数控机床的单机柔性化,二是向单元柔性化和系统柔性化发展。

    机器人使柔性化组合效率更高,机器人与主机的柔性化组合使得柔性更加灵活、功能进一步扩展、加工效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床等组成多种形式的柔性生产线,并以开始应用。

    (4)高精度化。

    精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性,减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。目前数控机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm),有些品种已达到0.01um左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工,精度可稳定达到0.05um左右,形状精度可达到0.01um左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001um),主轴回转精度要求达到0.01-0.05um,加工圆度为0.1um,加工表面粗糙度Ra=0.003um等。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制、温度和振动等动态误差补偿技术,提高机床加工的几何精度,降低形位误差、表面粗糙度等,从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。

    (5)多功能化。

    现代数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式,因此在一台数控机床上可以同时进行零件加工和程序编制。同时为了适应自动化技术的不断发展,适应工厂自动化越来越大的要求,为了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中,机床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。一般的数控系统都具有RS-232C和RS-422高速远距离串行接口,通过网卡连成局域网,可以实现几台数控机床之间的数据通信,也可以直接对几台数控机床进行控制。如SIMMENS公司的Sinumeric850/880系统设置有SINEC H1网络接口和MAP网络接口,通过网络接口可将数据系统连接到SINMENS的SINEC H1网络和MAP工业局域网络中。FANUC公司的FANUC15系统也配置了类似的网络接口,为了便于接入工业局域网,还可配置MAP 3.0接口板。

    (6)性能可靠化。

    由于现代机床CNC系统的模块化、标准化、通用化和系列化,便于组织批量生产,有利于保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路,采用专用芯片及混合式集成电路,提高了集成度,减少了元器件的数量,降低了功耗,从而提高了可靠性。通过完善的故障诊断功能,实现对系统内软硬件及外部设备的故障诊断和报警。利用报警提示及时排除故障;利用容错技术,对重要部件采用“冗余”设计来实现故障自恢复;利用监控检测技术,对发生超程、刀具损坏、过热、干扰、断电等各种意外自动进行相应保护,从而保证数控机床可靠的工作。当前国外数控装置的平均无故障运行时间(MTBF)以达到6000小时以上,驱动装置达30000小时以上,可靠性大为增强。

    (7)插补和补偿方式多样化。

    目前数控机床已可实现多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补、样条插补等。同时还可实习多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

    (8)微型化。

    随着微型技术在科研、军事领域的应用需求日益增大,微型机械与微机电系统的研究已成为必然趋势。目前工业发达国家在数控系统微型化上已经取得了许多成果。日本Fanuc公司生产的加工加工微型零件的ROBOnanoui五轴联动加工中心以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀可加工出直径为1mm的人脸浮雕;精微塑性成型加工技术成功地制造出多种微型器件,例如螺纹直径为20-50um的微小螺丝;日本还研发出重量约34kg,体积为625mm×490mm×380mm的微型机械制造厂。

    (9)满足用户需求多元化。

    用户界面是数控系统和用户之间对话的接口,由于用户需求不同,故开发用户界面工作量极大,成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。柔性的用户界面极大地方便了非专业用户的使用,人们可以通过窗口和菜单进行操作,便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。同时实现了科学计算可视化,这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要的意义。在数控技术领域,可视化技术可用于CAD/CAM,在自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示方面给用户带来了极大的方便。多媒体技术的广泛应用,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息能力,可以做到信息处理综合化、智能化,在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产参数监测等方面有着重大应用价值。