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數控機床的發展趨勢 2016年12月13日

1.數控系統發展趨勢

从1952年美国麻省理工学院研制出 台试验性数控系统,到现在已走过了46年历程。数控系统由当初的电子管式起步,经历了以下几个发展阶段:

分立式晶体管式——小规模集成电路式——大规模集成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数控系统。到80年代,总体发展趋势是:数控装置由NC向CNC发展;广泛采用32位CPU组成多微处理器系统;提高系统的集成度,缩小体积,采用模块化结构,便于裁剪、扩展和功能升级,满足不同类型數控機床的需要;驱动装置向交流、数字化方向发展;CNC装置向人工智能化方向发展;采用新型的自动编程系统;增强通信功能;数控系统可靠性不断提高。总之,數控機床技术不断发展,功能越来越完善,使用越来越方便,可靠性越来越高,性能价格比也越来越高。到1990年,全 数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台套。国外数控系统技术发展的总体发展趋势是:

●新一代數控系統采用開放式體系結構

进入90年代以来,由于计算机技术的飞速发展,推动數控機床技术更快的更新换代。 上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统數控機床的發展趨勢數控機床的發展趨勢。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智能化、网络化方向大大发展。近几年许多 纷纷研究开发这种系统,如美国科学制造中心(NCMS)与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC,欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA,日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到应用,如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术,如多媒体技术,实现声控自动编程、图形扫描自动编程等數控機床的發展趨勢文章數控機床的發展趨勢出自http://www.gkstk.com/article/wk-78500000722245.html,轉載請保留此鏈接!。數控系統繼續向高集成度方向發展,每個芯片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,其硬件、軟件和總線規範都是對外開放的,由于有充足的軟、硬件資源可供利用,不僅使數控系統制造商和用戶進行的系統集成得到有力的支持,而且也爲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,開發生産周期大大縮短。這種數控系統可隨CPU升級而升級,結構上不必變動

●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數控機床的發展趨勢數控機床。隨著人工智能在計算機領域的滲透和發展,數控系統引入了自適應控制、模糊系統和神經網絡的控制機理,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,而且人機界面極爲友好,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。

总之,新一代数控系统技术水平大大提高,促进了數控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展,使柔性自动化加工技术水平不断提高。

2.數控機床发展趋势

为了满足市场和科学技术发展的需要,为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求,当前, 数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面:

(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迹的精度,而可靠性則是上述目標的基本保證。爲此,必須要有高性能的數控裝置作保證。

●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。超高速加工技術對制造業實現高效、優質、低成本生産有廣泛的適用性。

新一代數控機床(含加工中心)只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速數控機床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速數控機床,加快机床高速化发展步伐數控機床的發展趨勢數控機床的發展趨勢。高速主轴单元(电主轴,转速15000-100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,应不失时机地开发应用新一代高速數控機床。

依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理,由于采用了新型刀具,车削和铣削的切削速度已达到5000米~8000米/分以上;主轴转数在30000转/分(有的高达10万转/分)以上;工作台的移动速度:(进给速度),在分辨率为1微米时,在100米/分(有的到200米/分)以上,在分辨率为0.1微米时,在24米/分以上;自动换刀速度在1秒以内;小线段插补进给速度达到12米/分。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展,高速直线电机的推广应用,开发出一批高速、高效的高速响应的數控機床以满足汽车、农机等行业的需求數控機床的發展趨勢文章數控機床的發展趨勢出自http://www.gkstk.com/article/wk-78500000722245.html,轉載請保留此鏈接!。還由于新産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複雜而且品種增多。

●高精度

从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工),是 各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级(<10nm),其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展,对超精密加工技术不断提出了新的要求

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數控機床的發展趨勢數控機床


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,加工圓度爲0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

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。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要,近10多年来,普通级數控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm,提高到±1~1.5μm。

●高可靠性

是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品,受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,无故障率P(t)=99%以上的话,则數控機床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时,对于由不同数量的數控機床构成的无人化工厂差别就大多了,我们只对一台數控機床而言,如主机与数控系统的失效率之比为10:1的话(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

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

●模塊化、專門化與個性化

机床结构模块化,数控功能专门化,机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应數控機床多品种、小批量的特点,机床结构模块化,数控功能专门化,机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

●智能化

智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:

a.爲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;

b.爲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;

c.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;

d.智能診斷、智能監控方面的內容,方便系統的診斷及維修等。

●柔性化和集成化

數控機床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提,以易于联网和集成为目标;注重加强单元技术的开拓、完善;CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展;數控機床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展;网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

(3)開放性

为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求, *重要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开放式的数控系统,例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

(4)出現新一代數控加工工藝與裝備

a.爲適應制造自動化的發展,向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備,要求數字控制制造系統不僅能完成通常的加工功能,而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭(有時帶坐標變換)、自動誤差補償、自動診斷、進線和聯網等功能,廣泛地應用機器人、物流系統;

b.FMC,FMSWeb-based制造及無圖紙制造技術;

c.围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型數控機床实用化。这种虚拟轴數控機床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性,开拓了數控機床发展的新领域;

d.以計算機輔助管理和工程數據庫、因特網等爲主體的制造信息支持技術和智能化決策系統。對機械加工中海量信息進行存儲和實時處理。應用數字化

e.由于采用了神經網絡控制技術、模糊控制技術、數字化網絡技術,機械加工向虛擬制造的方向發展。


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