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數控機床技術的發展趨勢是什麼

發布時間: 2021-02-14 09:58:24

1. 數控系統與數控機床技術發展趨勢是什麼

一、數控系統發展趨勢
從1952年美國麻省理工學院研製出首台試驗性數控系統,到現在已走過了46年歷程。數控系統由當初的電子管式起步,經歷了以下幾個發展階段:
分立式晶體管式--小規模集成電路式--大規模集成電路式--小型計算機式--超大規模集成電路--微機式的數控系統。到80年代,總體發展趨勢是:數控裝置由NC向CNC發展;廣泛採用32位CPU組成多微處理器系統;提高系統的集成度,縮小體積,採用模塊化結構,便於裁剪、擴展和功能升級,滿足不同類型數控機床的需要;驅動裝置向交流、數字化方向發展;CNC裝置向人工智慧化方向發展;採用新型的自動編程系統;增強通信功能;數控系統可靠性不斷提高。總之,數控機床技術不斷發展,功能越來越完善,使用越來越方便,可靠性越來越高,性能價格比也越來越高。到1990年,全世界數控系統專業生產廠家年產數控系統約13萬台套。國外數控系統技術發展的總體發展趨勢是:
1、新一代數控系統採用開放式體系結構
進入90年代以來,由於計算機技術的飛速發展,推動數控機床技術更快的更新換代。世界上許多數控系統生產廠家利用PC機豐富的軟硬體資源開發開放式體系結構的新一代數控系統。開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性,並向智能化、網路化方向大大發展。近幾年許多國家紛紛研究開發這種系統,如美國科學製造中心(NCMS)與*共同領導的「下一代工作站/機床控制器體系結構」NGC,歐共體的「自動化系統中開放式體系結構」OSACA,日本的OSEC計劃等。開發研究成果已得到應用,如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產的加工中心、數控銑床、數控車床等產品中採用了開放式體系結構的A2100系統。開放式體系結構可以大量採用通用微機的先進技術,如多媒體技術,實現聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數控系統繼續向高集成度方向發展,每個晶元上可以集成更多個晶體管,使系統體積更小,更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優勢,實現故障自動排除;增強通信功能,提高進線、聯網能力。開放式體系結構的新一代數控系統,其硬體、軟體和匯流排規范都是對外開放的,由於有充足的軟、硬體資源可供利用,不僅使數控系統製造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持,而且也為用戶的二次開發帶來極大方便,促進了數控系統多檔次、多品種的開發和廣泛應用,既可通過升檔或剪裁構成各種檔次的數控系統,又可通過擴展構成不同類型數控機床的數控系統,開發生產周期大大縮短。這種數控系統可隨CPU升級而升級,結構上不必變動。
2、新一代數控系統控制性能大大提高
數控系統在控制性能上向智能化發展。隨著人工智慧在計算機領域的滲透和發展,數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經網路的控制機理,不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等功能,而且人機界面極為友好,並具有故障診斷專家系統使自診斷和故障監控功能更趨完善。伺服系統智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置,能自動識別負載並自動優化調整參數。直線電機驅動系統已實用化。
總之,新一代數控系統技術水平大大提高,促進了數控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發展,使柔性自動化加工技術水平不斷提高。
二、數控機床發展趨勢
為了滿足市場和科學技術發展的需要,為了達到現代製造技術對數控技術提出的更高的要求,當前,世界數控技術及其裝備發展趨勢主要體現在以下幾個方面:
1、高速、高效、高精度、高可靠性
要提高加工效率,首先必須提高切削和進給速度,同時,還要縮短加工時間;要確保加工質量,必須提高機床部件運動軌跡的精度,而可靠性則是上述目標的基本保證。為此,必須要有高性能的數控裝置作保證。
(1)高速、高效
機床向高速化方向發展,可充分發揮現代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且還可提高零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對製造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。
新一代數控機床(含加工中心)只有通過高速化大幅度縮短切削工時才可能進一步提高其生產率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數控機床特別是高速加工中心的開發應用緊密相關。90年代以來,歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控機床,加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元(電主軸,轉速15000-100000r/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60~120m/min,切削進給速度高達60m/min)、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破,達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具,大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(含監控系統)和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決,應不失時機地開發應用新一代高速數控機床。
依靠快速、准確的數字量傳遞技術對高性能的機床執行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理,由於採用了新型刀具,車削和銑削的切削速度已達到5000米~8000米/分以上;主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬轉/分)以上;工作台的移動速度:(進給速度),在解析度為1微米時,在100米/分(有的到200米/分)以上,在解析度為0.1微米時,在24米/分以上;自動換刀速度在1秒以內;小線段插補進給速度達到12米/分。根據高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發展,高速直線電機的推廣應用,開發出一批高速、高效的高速響應的數控機床以滿足汽車、農機等行業的需求。還由於新產品更新換代周期加快,模具、航空、軍事等工業的加工零件不但復雜而且品種增多。
(2)高精度
從精密加工發展到超精密加工(特高精度加工),是世界各工業強國致力發展的方向。其精度從微米級到亞微米級,乃至納米級(<10nm),其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削(車、銑)、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工(三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等)。隨著現代科學技術的發展,對超精密加工技術不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現,更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝,發展新型超精密加工機床,完善現代超精密加工技術,以適應現代科技的發展。
當前,機械加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了一倍,達到5微米;精密加工精度提高了兩個數量級,超精密加工精度進入納米級(0.001微米),主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米,加工圓度為0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
精密化是為了適應高新技術發展的需要,也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性,減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發展和對機電產品性能與質量要求的提高,機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要,近10多年來,普通級數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm,提高到±1~1.5μm。
(3)高可靠性
是指數控系統的可靠性要高於被控設備的可靠性在一個數量級以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是適度可靠,因為是商品,受性能價格比的約束。對於每天工作兩班的無人工廠而言,如果要求在16小時內連續正常工作,無故障率P(t)=99%以上的話,則數控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大於3000小時。MTBF大於3000小時,對於由不同數量的數控機床構成的無人化工廠差別就大多了,我們只對一台數控機床而言,如主機與數控系統的失效率之比為10:1的話(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統的MTBF就要大於33333.3小時,而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大於10萬小時。
當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上,驅動裝置達30000小時以上。
2、模塊化、智能化、柔性化和集成化
(1)模塊化、專門化與個性化
機床結構模塊化,數控功能專門化,機床性能價格比顯著提高並加快優化。為了適應數控機床多品種、小批量的特點,機床結構模塊化,數控功能專門化,機床性能價格比顯著提高並加快優化。個性化是近幾年來特別明顯的發展趨勢。
(2)智能化
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方面的智能化,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;
--智能診斷、智能監控方面的內容,方便系統的診斷及維修等。
(3)柔性化和集成化
數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是:從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立製造島、FA)、體(CIMS、分布式網路集成製造系統)的方向發展,另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是製造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段,是各國製造業發展的主流趨勢,是先進製造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提,以易於聯網和集成為目標;注重加強單元技術的開拓、完善;CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展;數控機床及其構成柔性製造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯結,向信息集成方向發展;網路系統向開放、集成和智能化方向發展。

2. 當今世界數控技術的發展趨勢有哪些

1、數控技術逐漸趨向高速化發展[2]
隨著高速加工技術的普及.數控機床在運行方面的速度也在不斷提高,經調查,車床主軸的轉速在幾年前是3000—4000r/min,近年來已經發展到8000—10000r/rain,提高了一倍之多。而且在速度提高的同時.還注重加速度的提高.重力加速度由過去的0.5G提高到了如今的1.5-2.0G,提高了三到四倍左右。
2、五軸聯動加工和復合加工機床快速發展[3]
採用五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,不僅粗糙度低,而且效率也大幅度提高。一般認為,1台五軸聯動機床的效率可以等於2台三軸聯動機床,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,五軸聯動加工可比三軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因五軸聯動數控系統、主機結構復雜等原因,其價格要比三軸聯動數控機床高出數倍,加之編程技術難度較大,制約了五軸聯動機床的發展。當前由於電主軸的出現,使得實現五軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化,其製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五軸聯動機床和復合加工機床(含5面加工機床)的發展。
3、高柔性化
柔性是指數控設備適應加工對象變化的能力。數控機床發展至今,對加工對象的變化有很強的適應能力,並在提高單機柔性化的同時,朝著單元柔性化和系統柔性化方向發展。在數控機床上增加不同容量的刀具庫和自動換刀機械手,增加第二主軸和交換工作台裝置,或配以工業機器人和自動運輸小車,以組成新的加工中心、柔性製造單元(FMC)或柔性製造系統(FMS)。如出現了PLC控制的可調組合機床,數控多軸加工中心,換刀換箱式加工中心,數控三坐標動力單元等具有柔性的高效加工設備和介於傳統自動線與FMS之間的柔性製造線(FTL)。
4、生產系統智能化
生產系統智能化是製造技術的發展方向由於市場多變和用戶個性化要求增多,很多工業產品都是多品種、小批量生產模式,即使是大批量和平的汽車工業,也要經常變換型號。因此,製造商為降低生產成本,對機床的柔性、自動化程度要求越來越高。
5、綠色製造更加普及
在EM02005展會上,與機床配套的環保產品很多,各類冷卻潤滑劑都有綠色標記,空氣、油霧、煙霧等濾清裝置性能改進,過濾效果更好。干切削工藝得到推廣,展會上演示干切的也不少。總之是製造系統的環保要求日趨嚴格,環保技術和環保產品增多。
6、數控系統開放化
長期以來,數控系統都是在專有設計的基礎上完成的,是一種封閉式的系統。這種封閉體系結構已經不能適應現代化生產的變革,不適應未來車間面向任務和定單的生產模式。因此,開放式數控系統應運而生。開放式數控系統具有模塊化、標准化、平台無關性、可二次開發、適應網路操作等特點,它面向機床廠家和最終用戶,使其可以自由地選擇數控裝置、驅動裝置、伺服電機等數控系統的各個構成要素,並可方便地將自己的技術訣竅和特殊應用集成到控制系統中,快速組成不同品種、不同檔次的數控系統。目前開放式數控技術的研究和開發方興未艾,已成為數控機床不可逆轉的發展趨勢。美國、歐洲、日本都在進行開放式數控技術的研究,並制定出各自的開放式體系結構。但由於技術等方面的限制,要在短期內完全實現這種理想的開放式體系結構,還有不少困難。目前開放式數控的一個具體表現就是發展基於PC的數控系統,也就是第6代數控系統。以PC為平台的數控可共享PC迅猛發展的眾多成果,為數控系統的標准化、模塊化和開放化奠定了硬體基礎。數控系統的PC化正成為開放式數控系統一個潮流,代表了數控技術發展的主要方向。
7、小型化
蓬勃發展的機電一體化技術對CNC裝置提出了小型化的要求,以便將機、電裝置揉合為~體。目前許多CNC裝置採用最新的大規模集成電路(LSI),新型TFT彩色液晶薄型顯示器和表卣安裝技術,實現三維立體裝配,消除了整個控制邏輯機架。如同本FUNAC的18i$N2li系列CNC裝置採用高密度352球門陣列(BGA)、專用LSISH多品片模塊(MCM)微處理器技術,兩項產品都是一個單電路卡,安裝在乎板顯示器背後,整個CNC裝置縮小成一塊控制板。這類CNC裝置將控制器尺寸縮小了75%,成功地把具有8軸控制功能的CNC印刷電路板凝縮為只有一張名片火小,並把它安裝在液品顯示器的背面,成為世界上最薄的CNC控制器。
8、機床產品的模塊化發展更加突出
為滿足用戶日益增多的個性化要求,各製造廠把產品的模塊化設計作為一個有效措施。在EM02005展會上的許多產品都呈現模塊化檔勢。機床的許多功能部件也已經標准化,甚至Magerle公司的磨削中心也是模塊結構,可按具體工件的磨削工藝過程擴裝相應部件,准確重構一台適用的磨床。機床的模塊化昭示著可重構生產系統有了堅實基礎,必將得到快速發展。

3. 簡述數控機床的發展趨勢

引言
從20世紀中葉數控技術出現以來,數控機床給機械製造業帶來了革命性的變化。數控加工具有如下特點:加工柔性好,加工精度高,生產率高,減輕操作者勞動強度、改善勞動條件,有利於生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品,適用於加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、要求精密復制的零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經濟和國防建設發展的重要裝備。

進入21世紀,我國經濟與國際全面接軌,進入了一個蓬勃發展的新時期。機床製造業既面臨著機械製造業需求水平提升而引發的製造裝備發展的良機,也遭遇到加入世界貿易組織後激烈的國際市場競爭的壓力,加速推進數控機床的發展是解決機床製造業持續發展的一個關鍵。隨著製造業對數控機床的大量需求以及計算機技術和現代設計技術的飛速進步,數控機床的應用范圍還在不斷擴大,並且不斷發展以更適應生產加工的需要。本文簡要分析了數控機床高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、網路化、多軸化、綠色化等發展趨勢,並提出了我國數控機床發展中存在的一些問題。

數控機床的發展趨勢
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,對數控機床加工的高速化要求越來越高。
2、主軸轉速:機床採用電主軸(內裝式主軸電機),主軸最高轉速達200000r/min;
進給率:在解析度為0.01μm時,最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工;
3、運算速度:微處理器的迅速發展為數控系統向高速、高精度方向發展提供了保障,開發出CPU已發展到32位以及64位的數控系統,頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由於運算速度的極大提高,使得當解析度為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24~240m/min的進給速度;
4、換刀速度:目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右,高的已達0.5s。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式,以主軸為軸心,刀具在圓周布置,其刀到刀的換刀時間僅0.9s。

5、高精度化
數控機床精度的要求現在已經不局限於靜態的幾何精度,機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。
6、提高CNC系統控制精度:採用高速插補技術,以微小程序段實現連續進給,使CNC控制單位精細化,並採用高解析度位置檢測裝置,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),位置伺服系統採用前饋控制與非線性控制等方法;
7、採用誤差補償技術:採用反向間隙補償、絲桿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%;

採用網格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度,並通過模擬預測機床的加工精度,以保證機床的定位精度和重復定位精度,使其性能長期穩定,能夠在不同運行條件下完成多種加工任務,並保證零件的加工質量。

1、功能復合化
復合機床的含義是指在一台機床上實現或盡可能完成從毛坯至成品的多種要素加工。根據其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。工藝復合型機床如鏜銑鑽復合——加工中心、車銑復合——車削中心、銑鏜鑽車復合——復合加工中心等;工序復合型機床如多面多軸聯動加工的復合機床和雙主軸車削中心等。採用復合機床進行加工,減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差,提高了零件加工精度,縮短了產品製造周期,提高了生產效率和製造商的市場反應能力,相對於傳統的工序分散的生產方法具有明顯的優勢。
加工過程的復合化也導致了機床向模塊化、多軸化發展。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構,該加工中心能夠完成車削、銑削、鑽削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序,可完成復雜零件的全部加工。隨著現代機械加工要求的不斷提高,大量的多軸聯動數控機床越來越受到各大企業的歡迎。
在2005年中國國際機床展覽會(CIMT2005)上,國內外製造商展出了形式各異的多軸加工機床(包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等)以及可實現4~5軸聯動的五軸高速門式加工中心、五軸聯動高速銑削中心等。

2、控制智能化
隨著人工智慧技術的發展,為了滿足製造業生產柔性化、製造自動化的發展需求,數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方面:
加工過程自適應控制技術:通過監測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息,利用傳統的或現代的演算法進行識別,以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態及機床加工的穩定性狀態,並根據這些狀態實時調整加工參數(主軸轉速、進給速度)和加工指令,使設備處於最佳運行狀態,以提高加工精度、降低加工表面粗糙度並提高設備運行的安全性;
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,構造基於專家系統或基於模型的「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、縮短生產准備時間的目的;
智能故障自診斷與自修復技術: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;
智能故障回放和故障模擬技術:能夠完整記錄系統的各種信息,對數控機床發生的各種錯誤和事故進行回放和模擬,用以確定錯誤引起的原因,找出解決問題的辦法,積累生產經驗;
智能化交流伺服驅動裝置:能自動識別負載,並自動調整參數的智能化伺服系統,包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量,並自動對控制系統參數進行優化和調整,使驅動系統獲得最佳運行;
智能4M數控系統:在製造過程中,加工、檢測一體化是實現快速製造、快速檢測和快速響應的有效途徑,將測量(Measurement)、建模(Modelling)、加工 (Manufacturing)、機器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一個系統中,實現信息共享,促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化。

3、體系開放化
向未來技術開放:由於軟硬體介面都遵循公認的標准協議,只需少量的重新設計和調整,新一代的通用軟硬體資源就可能被現有系統所採納、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於長生命周期;
向用戶特殊要求開放:更新產品、擴充功能、提供硬軟體產品的各種組合以滿足特殊應用要求;
數控標準的建立:國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標准ISO14649(STEP-NC),以提供一種不依賴於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,從而實現整個製造過程乃至各個工業領域產品信息的標准化。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。

4、驅動並聯化
並聯運動機床克服了傳統機床串聯機構移動部件質量大、系統剛度低、刀具只能沿固定導軌進給、作業自由度偏低、設備加工靈活性和機動性不夠等固有缺陷,在機床主軸(一般為動平台)與機座(一般為靜平台)之間採用多桿並聯聯接機構驅動,通過控制桿系中桿的長度使桿系支撐的平台獲得相應自由度的運動,可實現多坐標聯動數控加工、裝配和測量多種功能,更能滿足復雜特種零件的加工,具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優點。
並聯機床作為一種新型的加工設備,已成為當前機床技術的一個重要研究方向,受到了國際機床行業的高度重視,被認為是「自發明數控技術以來在機床行業中最有意義的進步」和「21世紀新一代數控加工設備」。

5、端化(大型化和微型化)
國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技術,需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型製造工藝和裝備,所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。

6、信息交互網路化
對於面臨激烈競爭的企業來說,使數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能,以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻是非常重要的。既可以實現網路資源共享,又能實現數控機床的遠程監視、控制、培訓、教學、管理,還可實現數控裝備的數字化服務(數控機床故障的遠程診斷、維護等)。例如,日本Mazak公司推出新一代的加工中心配備了一個稱為信息塔(e-Tower)的外部設備,包括計算機、手機、機外和機內攝像頭等,能夠實現語音、圖形、視像和文本的通信故障報警顯示、在線幫助排除故障等功能,是獨立的、自主管理的製造單元。

7、新型功能部件
為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應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括:
高頻電主軸:高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成,具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優點,在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用;
直線電動機:近年來,直線電動機的應用日益廣泛,雖然其價格高於傳統的伺服系統,但由於負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用,機械傳動結構得到簡化,機床的動態性能有了提高。如:西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用於高速銑床、加工中心、磨床、並聯機床以及動態性能和運動精度要求高的機床等;德國EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驅動均採用兩個直線電動機;

電滾珠絲桿:電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成,可以大大簡化數控機床的結構,具有傳動環節少、結構緊湊等一系列優點。

8、高可靠性
數控機床與傳統機床相比,增加了數控系統和相應的監控裝置等,應用了大量的電氣、液壓和機電裝置,易於導致出現失效的概率增大;工業電網電壓的波動和干擾對數控機床的可靠性極為不利,而數控機床加工的零件型面較為復雜,加工周期長,要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性,就要精心設計系統、嚴格製造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式並找出薄弱環節。國外數控系統平均無故障時間在7~10萬小時以上,國產數控系統平均無故障時間僅為10000小時左右,國外整機平均無故障工作時間達800小時以上,而國內最高只有300小時。

9、加工過程綠色化
隨著日趨嚴格的環境與資源約束,製造加工的綠色化越來越重要,而中國的資源、環境問題尤為突出。因此,近年來不用或少用冷卻液、實現干切削、半干切削節能環保的機床不斷出現,並在不斷發展當中。在21世紀,綠色製造的大趨勢將使各種節能環保機床加速發展,佔領更多的世界市場。

10、多媒體技術的應用
多媒體技術集計算機、聲像和通信技術於一體,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,便於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、圖形動態跟蹤和模擬、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,應用於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,因此有著重大的應用價值。

4. 數控技術的發展趨勢

數控技術的應用不但給傳統製造業帶來了革命性的變化,使製造業成為工業化的象徵,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.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢
效率、質量是先進製造技術的主體。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大現代製造技術之一,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。採用大型整體鋁合金坯料「掏空」的方法來製造機翼、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,世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經採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60000r/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*1000r/mm和1g。
在加工精度方面,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,並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。
2.五軸聯動加工和復合加工機床快速發展
採用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台5軸聯動機床的效率可以等於2台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。
當前由於電主軸的出現,使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化,其製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面加工機床採用復合主軸頭,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軸加工可在同一台機床上實現,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。
3.智能化、開放式、網路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體的產業化生產存在的問題。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(Open 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台上,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,並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。開放式數控系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平台、數控系統功能庫以及數控系統功能軟體開發工具等是當前研究的核心。
網路化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網路化將極大地滿足生產線、製造系統、製造企業對信息集成的需求,也是實現新的製造模式如敏捷製造、虛擬企業、全球製造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統製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「CyberProction 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(開放製造環境,簡稱OME)等,反映了數控機床加工向網路化方向發展的趨勢。
4.重視新技術標准、規范的建立
(1)關於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、適應性、擴展性,美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃,並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)關於數控標准
數控標準是製造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生後的50年間的信息交換都是基於ISO6983標准,即採用G,M代碼描述如何(how)加工,其本質特徵是面向加工過程,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系統標准ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴於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,從而實現整個製造過程,乃至各個工業領域產品信息的標准化。STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命,對於數控技術的發展乃至整個製造業,將產生深遠的影響。首先,STEP-NC提出一種嶄新的製造理念,傳統的製造理念中,NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標准下,NC程序可以分散在互聯網上,這正是數控技術開放式、網路化發展的方向。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%)。
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公司是全球范圍內製造業數據交換軟體的開發者,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。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。

5. 機床技術都有哪些發展趨勢

機床技術十四大發展趨勢:
1、機床的高速化
隨著汽車、航空航天等工業輕合金材料的廣泛應用,高速加工已成為製造技術的重要發展趨勢。高速加工具有縮短加工時間、提高加工精度和表面質量等優點,在模具製造等領域的應用也日益廣泛。機床的高速化需要新的數控系統、高速電主軸和高速伺服進給驅動,以及機床結構的優化和輕量化。高速加工不僅是設備本身,而是機床、刀具、刀柄、夾具和數控編程技術,以及人員素質的集成。高速化的最終目的是化,機床僅是實現的關鍵之一,絕非全部,生產效率和效益在「刀尖」上。
2、機床的精密化
按照加工精度,機床可分為普通機床、精密機床和超精機床,加工精度大約每8年提高一倍。數控機床的定位精度即將告別微米時代而進入亞微米時代,超精密數控機床正在向納米進軍。在未來10年,精密化與高速化、智能化和微型化匯合而成新一代機床。機床的精密化不僅是汽車、電子、醫療器械等工業的迫切需求,還直接關繫到航空航天、導彈衛星、新型武器等國防工業的現代化。
3、從工序復合到完整加工
70年代出現的加工中心開多工序集成之先河,現已發展到完整加工,即在一台機床上完成復雜零件的全部加工工序。完整加工通過工藝過程集成,一次裝卡就把一個零件加工過程全部完成。由於減少裝卡次數,提高了加工精度,易於保證過程的高可靠性和實現零缺陷生產。此外,完整加工縮短了加工過程鏈和輔助時間,減少了機床台數,簡化了物料流,提高了生產設備的柔性,生產總佔地面積小,使投資更加有效。
4、機床的信息化
機床信息化的典型案例是Mazak410H,該機床配備有信息塔,實現了工作地的自主管理。信息塔具有語音、文本和視像等通訊功能。與生產計劃調度系統聯網,下載工作指令和加工程序。工件試切時,可在屏幕上觀察加工過程。信息塔實時反映機床工作狀態和加工進度,並可以通過手機查詢。信息塔同時進行工作地數據統計分析和刀具壽命管理,以及故障報警顯示、在線幫助排除。機床操作許可權需經指紋確認。
5、機床的智能化-測量、監控和補償
機床智能化包括在線測量、監控和補償。數控機床的位置檢測及其閉環控制就是簡單的應用案例。為了進一步提高加工精度,機床的圓周運動精度和刀頭點的空間位置,可以通過球桿儀和激光測量後,輸入數控系統加以補償。未來的數控機床將會配備各種微型感測器,以監控切削力、振動、熱變形等所產生的誤差,並自動加以補償或調整機床工作狀態,以提高機床的工作精度和穩定性。
6、機床的微型化
隨著納米技術和微機電系統的迅速進展,開發加工微型零件的機床已經提到日程上來了。微型機床同時具有高速和精密的特點,最小的微型機床可以放在掌心之中,一個微型工廠可以放在手提箱中。操作者通過手柄和監視屏幕控制整個工廠的運作。
7、新的並聯機構原理
傳統機床是按笛卡爾坐標將沿3個坐標軸線的移動X、Y、Z和繞3個坐標軸線轉動A、B、C依次串聯疊加,形成所需的刀具運動軌跡。並聯運動機床是採用各種類型的桿機構在空間移轉主軸部件,形成所需的刀具運動軌跡。並聯運動機床具有結構簡單緊湊、剛度高、動態性能好等一系列優點,應用前景廣闊。
8、新的工藝過程
除了金屬切削和鍛壓成形外,新的加工工藝方法和過程層出不窮,機床的概念正在變化。激光加工領域日益擴大,除激光切割、激光焊接外,激光孔加工、激光三維加工、激光熱處理、激光直接金屬製造等應用日益廣泛。電加工、超聲波加工、疊層銑削、快速成型技術、三維列印技術各顯神通。
9、新結構和新材料
機床高速化和精密化要求機床的結構簡化和輕量化,以減少機床部件運動慣量對加工精度的負面影響,大幅度提高機床的動態性能。例如,藉助有限元分析對機床構件進行拓撲優化,設計箱中箱結構,以及採用空心焊接結構或鉛合金材料已經開始從實驗室走向實用。
10、新的設計方法和手段
我國機床設計和開發手段要盡快從甩圖板的二維CAD向三維CAD過渡。三維建模和模擬是現代設計的基礎,是企業技術優勢的源泉。在此三維設計基礎上進行CAD/CAM/CAE/PDM的集成,加快新產品的開發速度,保證新產品的順利投產,並逐步實現產品生命周期管理。
11、直接驅動技術
在傳統機床中,電動機和機床部件是藉助耦合元件,如皮帶、齒輪和聯軸節等加以連接,實現部件所需的移動或旋轉,機和電是分家的。直接驅動技術是將電動機與機械部件集成為一體,成為機電一體化的功能部件,如直線電動機、電主軸、電滾珠絲桿和力矩電動機等。直接驅動技術簡化了機床結構,提高了機床的剛度和動態性能,運動速度和加工精度。
12、開放式數控系統
數控系統的開放是大勢所趨。目前開放式數控系統有三種形式:1)全開放系統,即基於微機的數控系統,以微機作為平台,採用實時操作系統,開發數控系統的各種功能,通過伺服卡傳送數據,控制坐標軸電動機的運動。2)嵌入系統,即CNC+PC,CNC控制坐標軸電動機的運動,PC作為人機界面和網路通信。3)融合系統,在CNC的基礎上增加PC主板,提供鍵盤操作,提高人機界面功能,如Siemens840Di和Fanuc210i。
13、可重組製造系統
隨著產品更新換代速度的加快,專用機床的可重構性和製造系統的可重組性日益重要。通過數控加工單元和功能部件的模塊化,可以對製造系統進行快速重組和配置,以適應變型產品的生產需要。機械、電氣和電子、液和氣、以及控制軟體的介面規范化和標准化是實現可重組性的關鍵。
為了加快新機床的開發速度和質量,在設計階段藉助虛擬現實技術,可以在機床還沒有製造出來以前,就能夠評價機床設計的正確性和使用性能,在早期發現設計過程的各種失誤,減少損失,提高新機床開發的質量。

6. 數控機床的發展趨勢是什麼

數控技術的應用不但給傳統製造業帶來了革命性的變化,使製造業成為工業化的象徵,而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大,它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。當前數控車床呈現以下發展趨勢。
1高速、高精密化
高速、精密是機床發展永恆的目標。隨著科學技術突飛猛進的發展,機電產品更新換代速度加快,對零件加工的精度和表面質量的要求也愈來愈高。為滿足這個復雜多變市場的需求,當前機床正向高速切削、干切削和准干切削方向發展,加工精度也在不斷地提高。另一方面,電主軸和直線電機的成功應用,陶瓷滾珠軸承、高精度大導程空心內冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導軌副等機床功能部件的面市,也為機床向高速、精密發展創造了條件。數控車床採用電主軸,取消了皮帶、帶輪和齒輪等環節,大大減少了主傳動的轉動慣量,提高了主軸動態響應速度和工作精度,徹底解決了主軸高速運轉時皮帶和帶輪等傳動的振動和雜訊問題。採用電主軸結構可使主軸轉速達到10000r/min以上。直線電機驅動速度高,加減速特性好,有優越的響應特性和跟隨精度。用直線電機作伺服驅動,省去了滾珠絲杠這一中間傳動環節,消除了傳動間隙(包括反向間隙),運動慣量小,系統剛性好,在高速下能精密定位,從而極大地提高了伺服精度。直線滾動導軌副,由於其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦,磨損小,發熱可忽略不計,有非常好的熱穩定性,提高了全程的定位精度和重復定位精度。通過直線電機和直線滾動導軌副的應用,可使機床的快速移動速度由原來的10~20m/min提高到60~80m/min,甚至高達120m/min。
2高可靠性
數控機床的可靠性是數控機床產品質量的一項關鍵性指標。數控機床能否發揮其高性能、高精度和高效率,並獲得良好的效益,關鍵取決於其可靠性的高低。
3數控車床設計CAD化、結構設計模塊化
隨著計算機應用的普及及軟體技術的發展,CAD技術得到了廣泛發展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作,更重要的是可以進行設計方案選擇和大件整機的靜、動態特性分析、計算、預測及優化設計,可以對整機各工作部件進行動態模擬模擬。在模塊化的基礎上在設計階段就可以看出產品的三維幾何模型和逼真的色彩。採用CAD,還可以大大提高工作效率,提高設計的一次成功率,從而縮短試制周期,降低設計成本,提高市場競爭能力。通過對機床部件進行模塊化設計,不僅能減少重復性勞動,而且可以快速響應市場,縮短產品開發設計周期。
4功能復合化
功能復合化的目的是進一步提高機床的生產效率,使用於非加工輔助時間減至最少。通過功能的復合化,可以擴大機床的使用范圍、提高效率,實現一機多用、一機多能,即一台數控車床既可以實現車削功能,也可以實現銑削加工;或在以銑為主的機床上也可以實現磨削加工。寶雞機床廠已經研製成功的CX25Y數控車銑復合中心,該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸,可以實現平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸採用內藏式電主軸結構,通過數控系統可直接實現主、副主軸轉速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工,極大地提高了效率。
5智能化、網路化、柔性化和集成化
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面的智能化,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、智能監控等方面的內容,以方便系統的診斷及維修等。網路化數控裝備是近年來機床發展的一個熱點。數控裝備的網路化將極大地滿足生產線、製造系統、製造企業對信息集成的需求,也是實現新的製造模式,如敏捷製造、虛擬企業、全球製造的基礎單元。數控機床向柔性自動化系統發展的趨勢是:從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立製造島、FA)、體(CIMS、分布式網路集成製造系統)的方向發展,另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是製造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段,是各國製造業發展的主流趨勢,是先進製造領域的基礎技術。其重點是以提高系統的可靠性、實用化為前提,以易於聯網和集成為目標,注重加強單元技術的開拓和完善。CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展。數控機床及其構成柔性製造系統能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯結,向信息集成方向發展。網路系統向開放、集成和智能化方向發展。

7. 數控機床的發展方向是什麼了

當今,數控機床正不斷吸收最新技術成就,朝著高可靠性、高柔性化、高精度化、高速度化、多功能復合化、製造系統自動化及設計CAD化和宜人化等方向發展。

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