数控机床发展研究.doc

数控机床发展研究 摘 要：随着科学技术的发展和工艺水平的提高以及先进刀具的大量出现和使用，要求机床具有能够进行高效率、高精度和高光洁度的加工性能。事实证明，机床的加工性能又与其结构密切相关，通过改善机床的动态特性，可以提高机床的抗振性能、加工精度和效率，提高机床的使用寿命和可靠性，降低机床的机械噪声。 关键词：数控机床；发展；研究 引言 车床主要用于加工轴、盘、套等其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。数控车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。其外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。数控车床按照主轴位置可分为卧式车床和立式车床两大类。立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，有一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。数控立车主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 1.国内数控机床的发展概况 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套条件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国等国家引进数控机床先进技术并合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。1998-2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2015年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控，系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。在改革开放后的30年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括： 缺乏日本机电法、机信法那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作：元部件和数控系统不配套：企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。1999年，我们国家机械加工设备数控化率是5-8%，目前预计是20-30%之间。 1.1我国数控技术、数控机床产品与世界先进水平存在差距 国内数控系统及伺服和驱动技术比世界先进水平落后lO-15年；设计手段及设计工具落后8-10年：元器件应用水平落后6-8年；在基础零件供应及工艺过程可靠性保障等方面都存在很大差距。 1.2国产数控机床产品与国外同类产品的差距 造成国产数控机床市场占有率逐年下降的直接原因是我国数控机床整机的开发能力远低于世界先进水平。主要体现在：产品开发和交货周期长；产品性能、机床质量和可靠性较差；数控机床外观质量落后于国外产品，价格优势逐渐丧失；国产数控系统和数控机床没有形成占市场主导地位的名牌产品等。总之，人才匮乏、手段老化、缺少创新已严重制约了我国数控机床产业的发展。 1.3数控系统与世界先进水平的差距 尽管我国数控技术的攻关项目相对集中在数控系统的研发和产业化方面，数控系统仍然是数控机床发展的最大“瓶颈”。国产机床产品的市场被国际厂商夺去；科技攻关成果的技术水平与国外先进水平差距仍然很大；虽然我国自主开发的数控系统没有跟着国外的系统走，但数控技术的发展缺少共同的软件规范和支撑平台，因此离系列化、产业化还有距离。 1.4我国数控技术及装备发展体制上存在问题 国内数控装备的性能、质量和性能价格比在市场竞争中难以与国外产品抗衡；资金环境方面，由于数控机床厂家都正经历着向市场经济转型的艰难过程，经济效益差，流动资金短缺：人才环境方面，数控产业的优秀人才和其它高新技术产业一样也出现了向国外、外资企业、独资企业流失的趋势，造成了数控技术人才的匮乏；企业环境方面，由于国有企业转型尚未完成，企业经营机制落后，导致企业运转效率低下，使得数控机床生产企业难以适应市场经济发展；这是影响企业发展的最根本的因素。 2.国外数控机床的研究概况 市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，而决定机床产品竞争力的指标是产品的上市时间（Time）、产品质量（Quality）、成本（Cost）、创新能力（creation）和服务（service）。用户在追求高质量产品的同时，会更多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式，最大限度地利用虚拟设计手段，以提高产品的质量和性能，降低成本，并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和用户的变化，利用有利时机快速抢占市场。美国制造业在20世纪50至60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素，而在70年代竞争力的第一要素为降低生产成本，80年代为提高产品质量，90年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含量，采用先进的设计技术和手段，以加快设计速度，提高设计质量，增强竞争力。机床虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。 目前，世界上加工中心的发展总趋势是提高性能、降低价格、网络化发展、满足用户不断提高劳动生产率的需求。总而言之，市场和用户对加工中心提出了越来越高的要求，如何加速培养人才、加强科研开发、紧密合作是满足市场需求的关键。由于加工中心具有很多优点，它能实现自动换刀（ATC）、自动换工件（AWC），能实现铣、钻、镗、攻丝甚至磨削工序等的复合，还具有多轴联动、加工任意曲面并可代替钻床、铣床、镗床等的功能，因此对于复杂零件的加工，加工中心的“特长”可以得到充分发挥，其数量和使用范围得以不断增加和扩大。对于汽车、飞机、模具及其它装备制造业等用途广泛，在21世纪机械加工行业中，加工中心的发展前景将更为广阔。 国外发达国家数控机床发展的成功经验是：在掌握数控关键技术后，要在政府的支持下，在科研开发上进行扶持，直接给企业提供科研贷款，限制进口机床产品，保护本国机床工业整体利益，企业要大力开拓市场，提高产品竞争力。为了加速振兴我国的机床制造业，当前宜加强以下五方面的研究和发展工作： （1）以高速化为先导，提高数控机床的综合性能。 （2）加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐，推进纳米级精度机床工程的规划和实施。 （2）加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化。 （4）对于中大批量生产、发展快速重组制造系统和可重构机床将是一个合理的解决方案。