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數控機床的發展

日期: 2009-12-23 21:47:46 瀏覽: 1228 來源: 學海網收集整理 作者: 未知

1, 國內外數控技術發展狀況
世界制造業在20世紀末的十幾年中經歷了幾次反復,曾一度幾乎快成為夕陽工業,所以美國人首先提出了要振興現代制造業。90年代的全世界數控機床制造業都經過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經過較大變動,從90年代初開始已出現明顯的回升,在全世界制造業形成新的技術更新浪潮。如德國機床行業從2000年至今已接受3個月以后的訂貨合同,生產任務飽滿。
20世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發明與應用,計算機及控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業發展的最重大的技術進步。自從1952年美國第1臺數控銑床問世至今已經歷了50個年頭。數控設備包括:車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機,形成龐大的數控制造設備家族,每年全世界的產量有10~20萬臺,產值上百億美元。
世界制造業在20世紀末的十幾年中經歷了幾次反復,曾一度幾乎快成為夕陽工業,所以美國人首先提出了要振興現代制造業。90年代的全世界數控機床制造業都經過重大改組。如美國、德國等幾大制造商都經過較大變動,從90年代初開始已出現明顯的回升,在全世界制造業形成新的技術更新浪潮。如德國機床行業從2000年至今已接受3個月以后的訂貨合同,生產任務飽滿。
我國數控機床制造業在80年代曾有過高速發展的階段,許多機床廠從傳統產品實現向數控化產品的轉型。但總的來說,技術水平不高,質量不佳,所以在90年代初期面臨國家經濟由計劃性經濟向市場經濟轉移調整,經歷了幾年最困難的蕭條時期,那時生產能力降到50%,庫存超過4個月。從1995年“九五”以后國家從擴大內需啟動機床市場,加強限制進口數控設備的審批,投資重點支持關鍵數控系統、設備、技術攻關,對數控設備生產起到了很大的促進作用,尤其是在1999年以后,國家向國防工業及關鍵民用工業部門投入大量技改資金,使數控設備制造市場一派繁榮。從2000年8月份的上海數控機床展覽會和2001年4月北京國際機床展覽會上,也可以看到多品種產品的繁榮景象。但也反映了下列問題:
(1) 低技術水平的產品競爭激烈,互相靠壓價促銷;
(2) 高技術水平、全功能產品主要靠進口;
(3) 配套的高質量功能部件、數控系統附件主要靠進口;
(4) 應用技術水平較低,聯網技術沒有完全推廣使用;
(5) 自行開發能力較差,相對有較高技術水平的產品主要靠引進圖紙、合資生產或進口件組裝。
當今世界工業國家數控機床的擁有量反映了這個國家的經濟能力和國防實力。目前我國是全世界機床擁有量最多的國家(近300萬臺),但我們的機床數控化率僅達到1.9%左右,這與西方工業國家一般能達到20%的差距太大。日本不到80萬臺的機床卻有近10倍于我國的制造能力。數控化率低,已有數控機床利用率、開動率低,這是發展我國21世紀制造業必須首先解決的最主要問題。每年我們國產全功能數控機床3000~4000臺,日本1年產5萬多臺數控機床,每年我們花十幾億美元進口7000~9000臺數控機床,即使這樣我國制造業也很難把行業中數控化率大幅度提上去。因此,國家計委、經貿委從“八五”、“九五”就提出數控化改造的方針,在“九五”期間,我協會也曾做過調研。當時提出數控化改造的設備可達8~10萬臺,需投入80~100億資金,但得到的經濟效益將是投入的5~10倍以上。因此,這兩年來承擔數控化改造的企業公司大量涌現,甚至還有美國公司加入。“十五”剛剛開始,國防科工委就明確提出了在軍工企業中投入6.8億元,用于對1.2~1.8萬臺機床的數控化改造。
數控技術經過50年的2個階段和6代的發展:
第1階段:硬件數控(NC)
第1代:1952年的電子管
第2代:1959年晶體管分離元件
第3代:1965年的小規模集成電路
第2階段:軟件數控(CNC)
第4代:1970年的小型計算機
第5代:1974年的微處理器
第6代:1990年基于個人PC機(PC-BASEO)
第6代的系統優點主要有:
(1) 元器件集成度高,可靠性好,性能高,可靠性已可達到5萬小時以上;
(2) 基于PC平臺,技術進步快,升級換代容易;
(3) 提供了開放式基礎,可供利用的軟、硬件資源豐富,使數控功能擴展到很寬的領域(如CAD、CAM、CAPP,連接網卡、聲卡、打印機、攝影機等);
(4) 對數控系統生產廠來說,提供了優良的開發環境,簡化了硬件。
目前,國際上最大的數控系統生產廠是日本FANUC公司,1年生產5萬套以上系統,占世界市場約40%左右,其次是德國的西門子公司約占15%以上,再次是德海德漢爾,西班牙發格,意大利菲地亞,法國的NUM,日本的三菱、安川。
國產數控系統廠家主要有華中數控、北京航天機床數控集團、北京凱恩帝、北京凱奇、沈陽藝天、廣州數控、南京新方達、成都廣泰等,國產數控生產廠家規模都較小,年產都還沒有超過300~400套。
近10年數控機床為適應加工技術發展,在以下幾個技術領域都有巨大進步。
(1) 高速化
由于高速加工技術普及,機床普遍提高各方面速度,車床主軸轉速由3000~4000r/min提高到8000~10000r/min,銑床和加工中心主軸轉速由4000~8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上快速移動速度由過去的10~20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同時要求提高運動部件起動的加速度,其已由過去一般機床的0.5G(重力加速度)提高到1.5~2G,最高可達15G,直線電機在機床上開始使用,主軸上大量采用內裝式主軸電機。
(2) 高精度化
數控機床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008mm左右,亞微米級機床達到0.0005mm左右,納米級機床達到0.005~0.01μm,最小分辨率為1nm(0.000001mm)的數控系統和機床已有產品。
數控中兩軸以上插補技術大大提高,納米級插補使兩軸聯動出的圓弧都可以達到1μ的圓度,插補前多程序段預讀,大大提高插補質量,并可進行自動拐角處理等。
(3) 復合加工、新結構機床大量出現
如5軸5面體復合加工機床,5軸5聯動加工各類異形零件。也派生出各新穎的機床結構,包括6軸虛擬軸機床,串并聯鉸鏈機床等。采用特殊機械結構,數控的特殊運算方式,特殊編程要求。
(4) 使用各種高效特殊功能的刀具使數控機床“如虎添翼”。如內冷鉆頭由于使高壓冷卻液直接冷卻鉆頭切削刃和排除切屑,在鉆深孔時大大提高效率。加工鋼件切削速度能達1000m/min,加工鋁件能達5000m/min。
(5) 數控機床的開放性和聯網管理,已是使用數控機床的基本要求,它不僅是提高數控機床開動率、生產率的必要手段,而且是企業合理化、最佳化利用這些制造手段的方法。因此,計算機集成制造、網絡制造、異地診斷、虛擬制造、異行工程等等各種新技術都在數控機床基礎上發展起來,這必然成為21世紀制造業發展的一個主要潮流。
2, 數控技術的發展趨勢
數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化,使制造業成為工業化的象征,而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大,他對國計民生的一些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展起著越來越重要的作用,因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看,其主要研究熱點有以下幾個方面〔1~8〕。
2.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢
效率、質量是先進制造技術的體。高速、高精加工技術可極大地提高效率,提高產品的質量和檔次,縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一,國際生產工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業領域,年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一;在航空和宇航工業領域,其加工的零部件多為薄壁和薄筋,剛度很差,材料為鋁或鋁合金,只有在高切削速度和切削力很小的情況下,才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝,使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會情況來看,高速加工中心進給速度可達80m/min,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min,快速為100m/min,加速度達2g,主軸轉速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件,只用30min,而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h,在普通銑床加工需8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面,近10年來,普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面,國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上,伺服系統的MTBF值達到30000h以上,表現出非常高的可靠性。
為了實現高速、高精加工,與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發展,應用領域進一步擴大。
2.2 5軸聯動加工bsp;
采用5軸聯動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認為,1臺5軸聯動機床的效率可以等于2臺3軸聯動機床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時,5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因,其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍,加之編程技術難度較大,制約了5軸聯動機床的發展。
當前由于電主軸的出現,使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低,數控系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床(含5面加工機床)的發展。
在EMO2001展會上,新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭,可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現,還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次裝夾下5面加工和5軸聯動加工,可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。
2.3 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢
21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統,智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化,如加工過程的自適應控制,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;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;還有智能診斷、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。
為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的產業化生產存在的問題。目前許多國家對開放式數控系統進行研究,如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Op
和復合加工機床en System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller),中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。所謂開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結構對象(數控功能),形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中,快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統,形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數控系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、數控系統功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。
網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求,也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機,如在EMO2001展中,日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生產控制中心,簡稱CPC);日本大隈(Okuma)機床公司展出“IT plaza”(信息技術廣場,簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環境,簡稱OME)等,反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。
2.4 重視新技術標準、規范的建立
2.4.1 關于數控系統設計開發規范
如前所述,開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應國紛紛實施戰略發展計劃,并進行開放式體系結構數控系統規范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規范的制定,預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數控系統的規范框架的研究和制定。
2.4.2 關于數控標準
數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準,即采用G,M代碼描述如何(how)加工,其本質特征是面向加工過程,顯然,他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制,能夠描述產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,乃至各個工業領域產品信息的標準化。
STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命,對于數控技術的發展乃至整個制造業,將產生深遠的影響。首先,STEP-NC提出一種嶄新的制造理念,傳統的制造理念中,NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下,NC程序可以分散在互聯網上,這正是數控技術開放式、網絡化發展的方向。其次,STEP-NC數控系統還可大大減少加工圖紙(約75%)、加工程序編制時間(約35%)和加工時間(約50%)。
目前,歐美國家非常重視STEP-NC的研究,歐洲發起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1~2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球范圍內制造業數據交換軟件的開發者,他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級模型(Super Model),其目標是用統一的規范描述所有加工過程。目前這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數控系統的原型樣機上進行了驗證。
2. 5 柔性化 包含兩方面:數控系統本身的柔性,數控系統采用模塊化設計,功能覆蓋面大,可裁剪性強,便于滿足不同用戶的需求;群控系統的柔性,同一群控系統能依據不同生產流程的要求,使物料流和信息流自動進行動態調整,從而最大限度地發揮群控系統的效能。
2. 6 工藝復合性和多軸化 以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工,正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后,通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施,完成多工序、多表面的復合加工。數控技術軸,西門子880系統控制軸數可達24軸。(4)實時智能化 早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境,其作用是如何調度任務,以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。科學技術發展到今天,實時系統和人工智能相互結合,人工智能正向著具有實時響應的、更現實的領域發展,而實時系統也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發展,由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數控技術領域,實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發展:自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數控系統中配備編程專家系統、故障診斷專家系統、參數自動設定和刀具自動管理及補償等自適應調節系統,在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態前饋功能,在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使數控系統的控制性能大大提高,從而達到最佳控制的目的。
2.7 功能發展方向
(1)用戶界面圖形化 用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同,因而開發用戶界面的工作量極大,用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前INTERNET、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形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。
(2)科學計算可視化 科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據,使信息交流不再局限于用文字和語言表達,而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合,進一步拓寬了應用領域,如無圖紙設計、虛擬樣機技術等,這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域,可視化技術可用于CAD/CAM,如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。
(3)插補和補償方式多樣化 多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。
(4)內裝高性能PLC 數控系統內裝高性能PLC控制模塊,可直接用梯形圖或高級語言編程,具有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序實例,用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改,從而方便地建立自己的應用程序。
(5)多媒體技術應用 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。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,在實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。
2 .8 體系結構的發展
(1)集成化 采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片,可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術,可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點,可實現超大尺寸顯示,成為和CRT抗衡的新興顯示技術,是21世紀顯示技術的主流。應用先進封裝和互連技術,將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格,改進性能,減小組件尺寸,提高系統的可靠性。
(2)模塊化 硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求,將基本模塊,如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊,作成標準的系列化產品,通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減,構成不同檔次的數控系統。
(3)網絡化 機床聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯網,可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行,不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。
(4)通用型開放式閉環控制模式 采用通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構,便于裁剪、擴展和升級,可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統。閉環控制模式是針對傳統的數控系統僅有的專用型單機封閉式開環控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程,包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素,因此,要實現加工過程的多目標優化,必須采用多變量的閉環控制,在實時加工過程中動態調整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態全閉環控制模式,易于將計算機實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態數據管理及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體,構成嚴密的制造過程閉環控制體系,從而實現集成化、智能化、網絡化。

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