机床数控化改造必要性论文VIP

一、机床进行数控化改造的必要性 （ 1）数控机床： 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在 1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 数控（ 段（ 1952 1970年） 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处 理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 搭 成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（ C），简称为数控（ 随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即 1952年的第一代 959年的第二代 1965年的第三代 计算机数控（ 段（ 1970年现在） 到 1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（ 段（把计算机前面应有 的通用 两个字省略了）。到 1971年，美国 用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（ 又可称为中央处理单元（简称 到 1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是 通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了 1990年， 人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即 1970年的第四代 1974年的第五代 990年的第六代 C（国外称为 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即 ，而我国仍习惯称数控（ 控技术 随着 计算机、 微 电 子 、信息、自动控制、精 密 检测 及机械制造技术的 高 速发 展 ，机床数控技术有了 长 足 的进 步 。 近 几 年 一些相 关 技术的发 展 ，如刀具及 新材料 的发 展 ，主轴伺服和进给伺服、 超高 速切削等技术的发 展 ，以及对机械产品质量的要 求越 来 越高 等，加速了数控机床的发 展 。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域： (1)机械制造技术； (2)信息处理、加工、传输技术； (3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件技术等。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（ 车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。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能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（ 其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车 工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒 /辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料 “掏空 ”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10m，精密级加工中心则从 3 5m，提高到 1 且超精密加工精度已开始进入纳米级 ( 在可靠性方面，国外数控装置的 已达 6 000h 以上，伺服系统的 达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 目前 数控机床 正 朝着 高 速度、 高 精度、 高 工序集中度、 高复合 化和 高 可 靠 性等方向发 展 。 世界 数控技术及其装备发 展 趋势 主要体现 在以 下几 个方面。 高速高效高精度 高生 产 率 。由于数控装置及伺 服系统功能的 改 进，主轴转速和进给速度 大大提高 ，减 少 了切削时 间 和 非 切削时 间 。加工中心的进给速度 已达 到 80m/20m/给加速度 达 刀时 间小 于 1s。 高 加工精度。以 前 汽 车 零件精度的数量 级 通常为 10 m，对精密零件要 求 为 1 m， 随着 精密产品的出 现 ，对精度要 求提高 到 m，有些零件 甚至已达 到 m， 高 精密零件要 求提高 机床加工精度，包括采用 温 度补 偿 等。 微 机电加工，其加工零件尺寸 大小 一 般 在 1 下 ，表面 粗糙 度为 纳米 数量 级 ，要 求 数控系统能直接控制 纳米 机床。 柔性化 柔 性化包括两个方面的 柔 性 ： 一是数控系统本 身 的 柔 性，数控系统采用 模 块 化设计，功能 覆盖 面 大 ， 便 于不同用 户 的需 求；二 是 统的 柔 性，同一 据不同 生 产 流 程的要 求 ， 使 物料 流 和信息 流 自动进行动 态调整 ，从而最大限 度地发 挥 统的 效 能。 工艺复合化和多轴化 数控机床的工艺 复合 化，是指工件在一台机床上装 夹 后，通过自动换刀、 旋 转主轴 头 或 旋 转工作台等各种 措 施，完成多工序、多表面的 复合 加工。 已 经出 现 了集钻 、 镗 、 铣 功能于一 身 的数控机床，可完成 钻 、 镗 、 铣 、 扩 孔 、 铰 孔 、 攻 螺 纹 等多工序的 复合 数 控加工中心，以及 车 削加工中心， 钻 削、 磨 削加工中心，电 火花加工中心等。 此外 数控技术的进 步 也 提 供 了多轴控制和多轴 联 动控制功能。 实时智能化 早期 的实时系统通常 针 对相对简单的理 想环 境 ，其作用是如何 调 度任务，以 确 保任务在规定 期 限内 完成。而 人 工 智 能， 则 试 图用计算 模 型实 现人类 的各种 智 能行为。 科学 发 展 到 今 天 ，实时系统与 人 工 智 能 已 实 现 相 互 结 合 ， 人 工 智 能 正 向 着 具有实时响应的 更 加 复杂 的应用 领域 发 展 ，由 此 产 生 了实时 智 能控制这一 新 的 领域 。在数控技术 领域 ，实时 智 能控制的 研究 和应用 正 沿着 几 个主要分 支 发 展 ，如自 适 应控制、 模 糊 控制、 神 经 网 络 控制、 专家 控制、 学 习 控制、 前馈 控制等。 例如，在数控系统中配置编程 专家 系统、 故障 诊断 专家 系统、参数自动设定和刀具自动 管 理及补 偿 等自 适 应 调节 系统 ； 在 高 速加工时的 综 合 运动控制中 引 入 提前预测 和 预 算功能、动 态前馈 功能 ； 在 压力 、 温 度、位置、速度控制等方面采用 模 糊控制， 使 数控系统的控制性能 大大提高 ，从而 达 到最 佳 控制的 目 的。 结构新型化 20 世纪 90 年 代一种完全不同于 原 来数控机床结构的 新 型数控机床 被 开 发成功。这种 新 型数控机床 被 称为 “ 6条 腿” 的加工中心或称 虚拟 轴机床 (有的还称为 并联机床 )，它能在 没 有任何导轨和滑 台的 情况下 ，采用能够 伸缩 的 “ 6条 腿” (伺服轴 )支撑 并联 ， 并 与 安 装主轴 头 的上 平 台和 安 装工件的 下平 台相 连 。它可实 现 多坐标 联 动加工，其控制系统结构 复 杂，加工精度、加工 效率 较普通加工中心 高 210 倍 。这种数控机床的出 现 将给数控机床技术带来 重大变 革 和 创 新 。 编程技术自动化 随着 数控加工技术的 迅 速发 展 ，设备 类 型的 增 多，零件品种的 增 加以及零件形状的 日益 复杂 ， 迫 切需要速度快、精度 高 的编程，以 便 于对加工过程的直 观 检 查 。为 弥 补 手 工编程和 言 编程的不 足 ， 近年 来 开 发出多种自动编程系统，如图形 交 互 式 编程系统、数字化自动编 程系统、 会话式 自动编程系统、 语音 数控编程系统等，其中图形 交 互 式 编程系统的应用 越 来 越广泛 。图形 交 互 式 编程系统是以计算机辅助设计 ( 件为基础， 首先 形成零件的图形 文 件，然后 再 调 用数控编程 模 块 ，自动编制加工程序，同时可动 态显 示刀具的加工轨 迹 。其特 点 是速度快、精度 高 、直 观 性好、 使 用简 便 ， 已 成为 国内外 先 进的 件所采用的数控编程方法。 目前 常用的图形 交 互 式软 件有 、 集成化 数控系统采用 高 度集成 化 芯片 ，可 提高 数控系统的集成度和 软 、 硬 件运行速度，应用 平 板 显 示技术可 提高显 示 器 性能。 平 板 显 示 器 (有 科 技 含 量 高 、质量小 、体 积 小 、功 耗 低 、 便 于 携 带等 优点 ，可实 现超大 规 模显 示，成为与 示 器抗 衡 的 新兴 显 示 器 ，是 21 世纪 显 示 器 主 流 。它应用 先 进 封 装和 互 连 技术，将 半 导体和表面 安 装技术 融 于一体 ,通过 提高 集成电 路 密度， 减小 互 连长 度和数量来 降低 产品 价格 、 改 进性能、 减小 组件尺寸、 提高 系统的可 靠 性。 开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成的 总 线 式 、 模 块 化、 开 放 、 嵌 入 式 体系结构， 便 于 裁 减 、 扩展 和 升级 ，可组成不 同 档次 、不同 类 型、不同集成程度的数控系统。 闭环 控制 模式 是 针 对传统数控系统 仅 有的 专 用型 封 闭式开环 控制 模式提 出的。由于制造过程是一个有多 变 量控制和加工工艺 综 合 作用的 复杂 过程，包括 诸 如加工尺寸、形状、振 动、 噪声 、 温 度和 热 变 形等各种 变 化 因素 ， 因此 ，要实 现 加工过程的多 目 标 优化， 必须 采用多 变 量的 闭环 控制，在实时加工过程中动 态调整 加工过程 变 量。在加工过程中采用 开 放 式 通用型实时动 态 全 闭环 控制 模式 ， 易 于将计算机实时 智 能技术、多 媒 体技术、 网 络 技术、 服控制、自 适 应控制、动 态 数据管 理及动 态 刀具补 偿 、动 态 仿真 等 高 新 技术 融 于一体，构成 严 密的制造过程 闭环控制体系，从而实 现 集成化、 智 能化、 网 络 化。 控技术和装备发展趋势及对策 发展趋势表现为一下几点 : 1 高速化 （ 1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/ （ 2）进给率：在分辨率为 大进给率达到 240m/ （ 3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出 2位以及 64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为 4 240m/ （ 4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1的已达 国 主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅 2 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 （ 1）提高 用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有 106脉冲 /转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到 冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （ 2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少 60% 80%； （ 3）采用网格解码器检查 和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 3 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合 加工中心、车铣复合 车削中心、铣镗钻车复合 复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少 了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国 加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。 在 2005年中国国际机床展 览会（ ，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、 9轴控制等）以及可实现 4 5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。 4 控制智能化 随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面： （ 1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机 床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性； （ 2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的 “加工参数的智能优化与选择器 ”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的； （ 3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快 速准确定位； （ 4）智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验； （ 5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行； （ 6）智能 4制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检 测和快速响应的有效途径，将测量（ 建模（ 加工（ 机器操作（ 者（即 4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。 5 体系开放化 （ 1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； （ 2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求； （ 3）数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的 以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。 6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固 定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是 “自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步 ”和 “21世纪新一 代数控加工设备 ”。 7 极端化（大型化和微型化） 国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是 21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 8 信息交互网络化 对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅 通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程诊断、维护等）。例如，日本 外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。 9 新型功能部件 为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。 具有代表性的新型功能部件包括： （ 1）高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用； （ 2）直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于