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國內數控機床技術的五大方向和三大差距

發布日期:2018-07-27 作者: 點擊:

圍繞質量、效率和工藝變革的要求,我國機械製造工藝裝備——主要是數控設備在技術層麵發生了深刻的變化。數控機床功能不斷豐富,采用了工序、工藝集中化和複合化技術;機床在結構布局和新材料應用方麵都有了新發展;數控技術在開放化、智能化、網絡化、高速高精化方麵取得了新發展。其目的都是為了提高生產效率,提高精度,保證質量和實現效益最大化。

不斷追求高質量和高效率是機械製造業研究的永恒主題和目標,是促進其工藝裝備發展的源動力。工藝要求和變革是機械製造工藝裝備技術發展創新和變革的根據和基礎。

國產數控機床走過了50年發展的漫長曆程,在近10年來得到了較快發展,特別是得到了政府的重視,設立了重大技術攻關專項,有效地促進了數控機床的發展。

目前,國產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(數控衝壓機床、數控激光加工機床、火焰切割機床等)、數控電加工機床、工業機器人、三坐標測量機等,種類基本齊全。2010年數控金屬切削機床保有量約為150萬台(其中進口超過40萬台),僅金屬切削機床的年產量就超過了16萬台、2011年1~10月份累計達到21.8萬台、全年可達到25萬台左右。國產品牌數控機床的數量和價值占國內市場50%以上。在代表先進技術水平的五軸聯動和複合加工中心、數控係統和其他配套技術產品方麵也都取得了新進展。本文主要圍繞數控技術發展與差距展開討論。


追求高生產率

為了追求機械製造的高生產率,促進數控設備向加工複合化(工序複合和工藝複合)、高速化、智能化、網絡化、工藝參數優化方向發展。

1複合化

數控機床複合加工,主要指工序集中化、複合化和工藝複合化。

1.1工序集中化、複合化

自從20世紀70年代末,隨著三聯動加工中心開始用於機械製造,開始進入機械加工工序集中化時代。20世紀80年代,我國自製的三聯動加工中心也開始在機械製造中得到應用,主要是用於箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實現鏜、銑、鑽、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展最快的時期。在此期間,自主開發了五軸聯動加工中心、車銑複合加工中心、車銑磨複合加工中心和磨削複合加工中心等。有的國內製造廠商已經能夠提供五軸聯動和多軸聯動複合加工中心等,但有一些是屬於重大專項攻關產品,有待進一步商品化和產業化。

1.1.1五軸聯動加工中心

國內生產五軸聯動加工中心的廠家正在不斷增加。

開發五軸聯動加工中心有2個關鍵核心部件技術難度較大,一個是雙擺角萬能加工頭;一個是雙軸回轉台(見圖2)。這2種部件國內廠商也已開發出來,但有待進一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用於大型機床,雙擺軸回轉台用於小型機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機,並裝有編碼器,以提高動態性能和精度。

雙擺角萬能加工頭技術難度更大一些。國內某廠商開發的一種直驅雙擺角萬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);

擺角範圍:A軸±110°、C軸±360°。

我國還沒有形成雙擺角萬能頭係列化商品,而國際上像德國CYTEC公司可以供應係列化商品。

1.1.2車銑複合加工中心

車銑複合加工中心既有在數控車床基礎上開發出來的,也有在立式加工中心基礎上開發出來的。

1.1.3車銑磨複合加工中心


1.1.4車銑磨齒輪加工複合中心

有的車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,甚至可以實現五軸聯動,用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。

1.1.5磨削複合加工中心


1.2工藝複合

工藝複合加工在國內還不多見。

據有關資料顯示,1台五軸聯動加工中心或多工序複合加工中心比三聯動加工中心能提高生產效率1倍以上。多軸聯動和複合加工不但能提高生產效率,而且減少了二次安裝誤差,提高了精度和質量。國內已經可以生產五軸聯動加工中心和多軸聯動複合加工中心,但有些屬重大攻關產品還有待進一步商品化和產業化。

2高速化

為實現數控加工高速化,傳動係統采用直驅技術,數控係統采用高速運算處理技術。

2.1直驅技術

為了提高生產效率,數控機床傳動部件逐步采用直驅技術。主軸采用電主軸直驅,進給采用直線電機驅動,回轉工作台采用力矩電機直驅,五軸聯動的擺角萬能頭采用力矩電機直驅等。

早在2000年以前,我國就開始了直驅技術的研究與開發。

目前,國外先進的電主軸單元轉速可達15000~100000r/min,一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機直驅的進給部件既要求速度高,還要求有高的加減速功能。快速移動速度可達60~200m/min,加速度達2g~10g;工作進給可高達60m/min以上,加速度達1g~2g。采用傳統的滾珠絲杠傳動的進給部件的進給速度為20~30m/min,加速度為0.1g~0.3g;一般情況下,進給速度為30m/min左右。直驅比用滾珠絲杠驅動的進給速度提高了1倍以上,從而減少了輔助時間,提高了生產效率。直線電機驅動技術有著廣闊的應用前景,但還需進一步降低成本和解決發熱問題。


2.2數控係統高速運算處理技術

高速直驅進給要求數控係統運算速度快,采樣周期短,具有足夠的超前路徑加(減)速優化程序段預處理能力。較先進的數控係統可預處理幾千和幾萬個程序段。在多軸聯動控製時可根據預處理緩衝區的G代碼進行加減速優化處理。為保證加工速度,第六代數控係統每秒可進行2000~10000次進給速度改變。

3智能化

為追求數控機床加工效率和加工質量,數控係統不但有自動編程、前饋控製、模糊控製、自學習控製、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等智能化功能,並有故障診斷專家係統,使自診斷和故障監控功能更趨於完善。伺服驅動係統智能化,能自動感知負載變化,自動優化調整參數。

國產數控係統正在努力朝智能化方向發展,引入了一些智能化技術。


4開放化和網絡化

數控裝置的開放化可以更容易地實現智能化網絡化製造,有效地促進生產效率的提高。

4.1開放化

開放式數控裝置是指硬件、軟件和總線對用戶是開放的。開放式數控裝置最主要的優點是具有更好的通用性、靈活性、適應性和可擴展性,可以滿足用戶二次開發的要求。

4.1.1NC和CNC概念及開放化

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為NC裝置;由計算機硬件和軟件共同組成的數控裝置被稱為CNC數控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎,軟件是整個CNC運行和功能實現的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。

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

CNC軟件分為管理軟件和控製軟件2種。管理軟件用於管理零件程序的輸入輸出、刀具位置係統參數、零件程序顯示、機床狀態故障診斷及報警等。控製軟件由譯碼、插補、運算、刀具補償、速度控製、位置控製等軟件組成。

現代開放式數控裝置主要是在PC機平台上開發的CNC數控裝置。

4.1.2標準與規範

能否實現數控裝置的開放化與建立技術標準和規範密切相關。數控技術誕生50多年來,信息交換都是基於ISO6983標準,即采用G、M代碼描述如何加工。顯然,該標準越來越不能滿足現代數控技術高速發展的要求。

歐美和日本等國家在20世紀90年代就開始研究製定了開放式數控裝置的體係結構規範(OMAC、OSACA、OSEC),開發了開放式數控裝置並作為發展戰略。我國於2000年也開始研究並製定了開放式數控裝置規範框架,但還很不完善。

4.2網絡化

網絡化有利於信息共享和提高生產效率。有資料介紹在多品種小批量生產中,1台數控機床用於切削的時間隻占機動時間的25%~35%,聯成網絡後,可以提高到60%~65%。

數控的網絡化技術,主要是指數控係統與外部的其他控製係統或上位機進行網絡連接和網絡控製。數控係統首先麵向企業內部局域網,然後再經因特網向企業外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網絡可使企業與企業之間進行跨地區協同設計、協同製造、信息共享、遠程監控、遠程診斷和服務等。網絡能為製造提供完整的生產數據信息,可以通過網絡將加工程序傳給遠方的機床進行加工,也可遠程診斷並發出指令調整。網絡使各地分散數控機床聯係在一起,互相協調,統一優化調整,使產品加工不局限於一個工廠內而實現社會化生產。

我國的機械製造企業信息化集成的發展也比較快,實現了車間級和企業級信息網絡集成。數控的網絡化發展前景廣闊,但真正實現跨企業、跨地區的信息化網路還有很長的路要走。

5優化工藝參數提高效率

數控加工采用的工藝參數是否合理,對於提高生產效率和保證加工質量非常重要,必須逐步進行優化並建立工藝數據庫。

優化工藝參數有2種方法。一種是通過實際試切來選擇合理的工藝參數,費時、費力、費材料;另一種方法是應用力學動態優化仿真方法,比第一種方法省時、省力、省材料,同樣可以獲得較合理的工藝參數。在生產實踐中,還可以對這些參數進行合理的調整。

航空行業是數控機床的大用戶,對優化工藝參數、建立工藝數據庫,並應用到生產實踐中有急切的需求。因此,由政府支持組織北京航空航天大學和中航工業北京航空製造工程研究所開展優化工藝參數技術攻關。以上單位開發了一整套工藝參數力學動態優化仿真、預測和數字化軟硬件係統,建立了優化工藝參數數據庫,形成了優化高速切削工藝參數手冊,從根本上實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量。這是一項意義重大而又深遠的工作。

我國數控設備生產企業也應該提供這方麵的技術和服務。采用工藝優化參數不但可以提高生產效率和提高加工質量,而且對節省材料、節能減排,實現綠色製造有著重要意義。

追求高精度高質量

追求數控機床加工工件的高精度和高質量。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,以保證實現高精度;同時數控係統、伺服驅動係統、傳動係統和測量傳感器等也必須具有高分辨率、高精度的性能,才能滿足加工工件高精度、高質量的要求。

1結構布局

為了實現功能和提高剛性,數控車床、車削中心、立式加工中心、臥式加工中心、龍門加工中心、車銑複合加工中心等在結構布局方麵發生了深刻變化。


2采用新材料提高剛性

用於數控機床的優質新材料的開發與應用,有利於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、天然花崗岩石材等也有用於數控設備的情況。重視新型材料的開發與應用,必然使機床結構設計和性能發生變革。

3高精度插補數控係統

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位發展到現在的64位,其頻率也從原來的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發展進一步提高了運算速度和分辨率(0.1μm、0.01μm)。國產數控係統開始采用64位CPU,可實現微米級精度插補,但與國外先進數控係統相比還有距離。

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

結束語

隻有組成數控設備的各種部件(包括軟硬件)技術都卓越,整體綜合性能才能卓越,才能實現加工的高生產率、高精度、高質量。而且,每個部件都有保證生產效率和質量的功能,隻是貢獻率不同而已。本文隻介紹了數控技術發展的幾個重要方麵,不夠全麵。

要特別強調的是,今後要特別重視新工藝的研究與創新,從而促進數控產品的創新;要特別重視數控加工工藝參數的優化和建立數據庫的工作,以提高生產效率和加工質量。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的智能化網絡化技術的開發與應用,其前景廣闊。

以上強調的4個特別,政府應大力支持,數控設備生產企業和機械製造企業應特別重視,要不懈地努力工作,使我國數控機床技術發展從跟隨變為領跑。


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關鍵詞:臥式鏜銑床,數控龍門加工中心,高性能臥式加工中心

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