数控机床的发展趋势

数控机床的发展趋势【内容摘要】随着科学技术的发展、世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。如今数控机床正在不断采用最新技术成果，朝着高速化、多功能化、智能化、数控系统小型化、数控编程自动化、更高可靠性等方向发展。【关键词】：数控技术发展趋势机械制造智能功能从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。一、性能的发展方向1、高速度、高精度化高速化是指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。高精度是指数控机床能够达到的分辨率、定位精度、重复定位精度等。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争力。近年来，电主轴、直线电机以及新型刀具的应用，使数控机床的加工速度得到了极大的提高，车削和铣削速度已达到5000~8000m/min以上；主轴转数在30000r/min(有的高达100000r/min)以上；进给速度在分辨率为1um时，达到100m/min(有的到200m/min)以上；分辨率为0.1um时，达到24m/min以上；自动换刀速度在1s以内；小时段插补进给速度达到12m/min。加工精度方面，普通机床的加工精度已经由10um提高到5um，紧密级加工中心则由3~5um提高到1~1.5um，而超精密加工精度已经开始进入纳米级（0.001um）。2、更高的可靠性数控机床的可靠性，特别是在长时间无人操作下运行的可靠性更是人们关注的问题。现代数控系统的平均无故障时间（MTBF）可达到10000~36000h。在提高数控系统可靠性方面，目前采用的主要措施有：①采用大规模或超大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元、器件的数量，精简外部连线并降低功耗。②建立数控系统和数控机床设计、试制到批址生产的一整套质量保证体系和保障措施。如严格筛选元器件，采用防干扰电源，输入/输出光电隔离，数控系统模块化、通用化和标准化。③增强故障自诊断、恢复和自保护功能。当出现元器件失效、编程及操作错误导致数控系统故障时，及时进行硬件和软件故障诊断.自动显示出现故障的部位及类型、以便快速排除故障。目前有一些数控系统已具有故障预报和自恢复功能。④采用硬件功能软件化.以适应各种控制功能的要求，最大限度地减少元器件的数量和种类。3、高柔性化、功能集成化采用柔性自动化设备或系统，是提高加工精度和效率、缩短生产周期、适应市场变化和提高竞争能力的有效手段。数控机床在提高单机柔性的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展，如出现了数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心等具有柔性化的高效加工设备，诞生了由多台数控机床组成底层加工设备的柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell,FMC）、柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem,FMS)以及柔性生产线（FlexibleManufacturingLine，FML）。现代数控机床的自动换刀、自动工作台交换等已成为基本功能。随着数控机床向着柔性化、无人化的方向发展，功能集成化更多地体现在：工件自动装卸，工件自动定位，工件自动检测与补偿，集钻、车、铣、镗和磨等工序为一体的“万能加工中心”。４、智能化智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。二、功能的发展方向１、人机界面的友好现代数控机床具有丰富的显示功能，多数系统都具有实时图形显示，PLC梯形图显示和多窗口的其他显示功能。丰富的编程功能，像会话式自动编程功能、图形输入自动编程功能，有的还具有CAD/CAM功能。方便的操作，有引导对话方式帮助你很快熟悉操作，设有自动工作手动参与功能。根据加工的要求，各系统都设了多种方便于编程的固定循环。伺服系统数据和波形的显示，伺服系统参数的自动设定。系统具有多种管理功能，刀具及其寿命的管理、故障记录、工作记录等。PLC程序编制方法增加，目前有梯形图编程（LadderLanguageProgram）方法、步进顺序流程图编程（StepSequenceProgram）方法。现在越来越广泛地用C语言编写PLC程序。帮助功能，系统不但显示报警内容，而且能指出解决问题的方法。２、数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机（离线）编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便，另外也出现了实物示教编程等。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，即利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据计算和后置处理，自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。３、插补和补偿方式的多样化插补对加工质量、生产效率、数控系统的性能影响很大，完善的插补原理可在源头上克服数控系统的原理误差。如何建立高效、合理的插补模型一直是人们关注的焦点，它可极大地降低数控系统的制造成本，提高加工精度。补偿方式的自适应系统（AdaptiveControl,AC）可在加工过程中自动调整工件因余量不同、材质与硬度的不均匀、刀具的磨损、温度的变化、切削的波动等造成的对加工精度的影响，制造出高质量的产品。4、内嵌式高性能的PLC(ProgrammableLogicController)在CNC系统中内嵌高性能的PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线帮助功能。编程工具中包含用于加工机床的标准PLC用户程序，用户可直接在其基础上进行编辑修改，能方便快捷地进行应用程序开发。三、体系结构的发展方向１、小型化、多样化机电一体化设备种类的不断增多以及运动控制技术的进步和普及，进一步扩大了对数系统的需求，同时提出了CNC系统小型化和多样化发展的要求，以便将数控系统嵌入到机电装置中。为了满足这一要求，国际上出现了三维安装方法，将电子元器件高密度安装，大大缩小了体积空间；在显示部件方面，普遍采用新型薄膜技术（TFT）的彩色液晶显示器；同时，推广应用软PLC，使CNC与PLC有机地结合成一体。２、开放式20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界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.开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家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。开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随CPU升级而升级，而结构可以保持不变。３、网络化数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/工ntranet技术。随着网络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，又称“e一制造”，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。数控系统的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展，现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线((FMC.FITS.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。柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时注重加强单元技术的开拓、完善，数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD.CAM.CAPP.MIS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。四、结束语数控机床是当代机械制造业的主流装备，是市场热门商品，部分高档数控机床仍然被当成战略物资在国际市场上受到禁运与限制.我国数控机床的发展经历了30余年的跌宕起伏，己经由成长期进入成熟期。某些至今仍受到禁运的数控五轴联动产品技术，我国都己陆续掌握，如数控五轴联动的重型落地镬铣床、龙门式铣IT床、加工中心等，十年来已一一推向市场。CIMT2010展会上，展出了五轴联动机床50多台，包括航空航天、造船、冶矿工业用的重型龙门移动式及各种类型数控五轴联动IT铣床和加工中心。今后我国要加速发展数控机床产业，既要深入总结过往的经验教训，切实改善存在的问题，又要认真学习国外的先进经验，沿正确的道路前进。必须狠抓根本，坚持“以人为本”，加速提高人员素质、培养各种专家人才，从根本上改变目前低效、落后的状态。重视培才、选才、用才，建立学习型企业，树立企业文化，加速培育新人，培训在职人员，建立师徒相传制度，举办各种技术讲座、训练班和专题讨论会，甚至聘请外国专家、顾问等，尽力提高数控的技术水平。参考文献[1]百度百科：http：//baike.baidu.com[2]赵玉刚、宋现春主编的《数控技术》机械工业出版社2009.[3]欧彦江、李虹霖主编的《机床数控技术》上海科学技术出版社2009.[4]周哲波主编的《机床数控技术与应用》中国矿业大学出版社2009.[5]陈廉清主编的《数控技术》机械工业出版社2008.[6]王爱玲主编的《数控加工技术新篇》电子工业出版社2008.