数控设备的现状及发展趋势论文.doc

1 数控设备的现状及发展趋数控设备的现状及发展趋 势势 系别系别 机电系机电系 班级班级 B090202 姓名姓名 张瑞张瑞 学号学号 B09020233 2 数控设备的现状及发展趋势 摘要 从20世纪中叶数控技术出现以来 数控机床给机械制造业带来了革命的变 化 数控加工具有如下特点 加工柔性好 加工精度高 生产率高 减轻操作 者劳动强度 改善劳动条件 有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高 数控机床是一种高度机电一体化的产品 适用于加工多品种小批量零件 结构 较复杂 精度要求较高的零件 需要频繁改型的零件 价格昂贵不允许报废的 关键零件 要求精密复制的零件 需要缩短生产周期的急需零件以及要求100 检验的零件 数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展 的重要装备 进入21世纪 我国经济与国际全面接轨 进入了一个蓬勃发展的新时期 机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机 也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力 加速推进数控机床 的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键 随着制造业对数控机床的大量 需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步 数控机床的应用范围还在不 断扩大 并且不断发展以更适应生产加工的需要 本文从数控系统的市场化需 求和本身系统两方面入手简要介绍了数控装备及加工技术的现状与未来 关键词 数控装备 加工技术 现状与发展趋 3 第一章 前言 1 1 背景 目前 中国机床工业厂多人众 2000 年 金切机床制造厂约 358 家 20 6 万 人 成形机床制造厂 191 家 约 6 5 万人 共计 549 家 27 1 万人 其中生产数 控金切机床的约 150 家 生产数控成形机床的约 30 家 共计约 180 家 占厂家 总数的 1 3 2001 年金切机床产量 19 2 万台 内数控金切机床 17 521 台 约占 9 总的来说 数控机床产量不断增长 2001 年为 1991 年的 3 6 倍 进口量增 长较快 达 29 倍 出口量有所增加 但数目较小 为 4 8 倍 数控机床消费量 增加较快 达 7 9 倍 产量满足不了社会发展的需求 从金额上看 2001 年数控机床进口 17 679 台 计 14 1 亿美元 出口 2 509 台 计 0 44 亿美元 进口额为出口额之 32 倍 进口大 出口小 中国发展数控机床存在的主要问题 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 在 1958 1979 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 台湾省共 11 国 地区 引进数控机床先进技术和合作 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 在 20 余年间 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 国外先进元部件 数控系统配套 开始能自行设计及制造高速 高性能 五面 或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 缺乏象日本 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 1 2 数控加工及其优势 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的 4 机电一体化产品 其技术范围复盖很多领域 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 计算 机对传统机械制造产业的渗透 完全改变了制造业 制造业不但成为工业化的象征 而 且由于信息技术的渗透 使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地 1 2 1 加工效率高 利用数字化的控制手段可以加工复杂的曲面 而加工过程是由计算机控制 所以零件的互换性强 加工的速度快 1 2 2 加工精度高 同传统的加工设备相比 数控系统优化了传动装置 提高分辨率 减少了人为 误差 因此加工的效率可以得到很大的提高 1 2 3 劳动强度低 由于采用了自动控制方式 也就是说加工的全部过程是由数控系统完成 不象传统加工手段那样烦琐 操作者在数控机床工作时 只需要监视设备的运 行状态 所以劳动强度很低 1 2 4 适应能力强 数控加工系统就象计算机一样 可以通过调整部分参数达到修改或改变其 运作方式 因此加工的范围可以得到很大的扩展 1 2 5 工作环境好 数控加工机床是机械控制 强电控制 弱电控制为一体高科技产物 对机 床的运行温度 湿度及环境都有较高的要求 1 2 6 就业容易 待遇高 由于我国处于数控加工技术的大力发展阶段 大量的数控机床和先进的加 工手段的快速引进 却没有大量熟练数控技术操作的人员参与 因此造成该行 业严重缺乏人才 第二章 数控机床自身系统的发展 2 1 数控机床产业的发展现状 据初步统计 近年来数控机床产量持续地以年均增长超过 30 的速度快速 增长 2004 年其产量达 52000 台以上 同比年增长 40 数控机床的消费量 约 74000 台 同比年增长 32 在数控机床的技术水平方面 由于市场需求的 拉动 中高档数控机床的开发也取得了较大的进展 在五轴联动 复合加工 高速加工 超精加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破 并形成了一 批中档数控机床产业化基地 但是 另一方面进口的数控机床数量也在逐年同步增加 而且进口数控 机床消费额的增长趋势更快 2004 年数控机床的进口数量同比年增长 30 而 5 进口消费额的增长却达 52 从而导致国产数控机床在国内市场消费额总额所 占比例已不足 30 之所以出现这一现象 其主要原因在于国内市场对技术和 附加值高的高效精密和高性能大重型数控机床需求增长 要依靠进口解决 国内外数控机床主要技术指标差距很大 从上世纪 80 年代起 我国机床制造业的发展虽有起伏 但对数控技术和 数控机床一直给予较大的关注 已具有较强的市场竞争力 但由上表可以看到 在中 高档数控机床方面 与国外一些先进技术与产品仍存在较大差距 效率 精度和可靠性等方面均有明显差距 相当欧洲在上世纪 90 年代中期水平 大 部分处于技术跟踪阶段 第三章 我国数控机床的发展趋势 数控机床以其卓越的柔性自动化的性能 优异而稳定的精度 灵捷而多样 化的功能引起世人瞩目 它开创了机械产品向机电一体化发展的先河 成为先 进制造技术中的一项核心技术 数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进 步提供了条件 当今的市场 国际合作的格局逐渐形成 产品竞争日趋激烈 高效率 高精度加工手段的需求在不断升级 用户的个性化要求日趋强烈 专 业化 专用化 高科技的机床越来越得到用户的青睐 3 1 体系结构的发展趋势 3 1 1 开放性 1 向未来技术开放 2 向用户特殊要求开放 3 数控标准的建立 3 1 2 运动并联化 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 3 1 3 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 6 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 3 1 4 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 Mazak 公司 推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔 e Tower 的外部设备 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 3 1 5 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 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 但由于负载变化扰动 热变形补偿 隔磁和防护等关键技术 的应用 机械传动结构得到简化 机床的动态性能有了提高 如 西门子公司 生产的 1FN1 系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床 加工中心 磨床 并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等 德国 EX CELL O 公司的 XHC 卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机 3 电滚珠丝杆 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成 可以大大 简化数控机床的结构 具有传动环节少 结构紧凑等一系列优点 3 1 6 高可靠性 数控机床与传统机床相比 增加了数控系统和相应的监控装置等 应用了 大量的电气 液压和机电装置 易于导致出现失效的概率增大 工业电网电压 的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利 而数控机床加工的零件型面较为 复杂 加工周期长 要求平均无故障时间在 2 万小时以上 为了保证数控机床 有高的可靠性 就要精心设计系统 严格制造和明确可靠性目标以及通过维修 分析故障模式并找出薄弱环节 国外数控系统平均无故障时间在 7 10 万小时 以上 国产数控系统平均无故障时间仅为 10000 小时左右 国外整机平均无故 7 障工作时间达 800 小时以上 而国内最高只有 300 小时 3 7 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束 制造加工的绿色化越来越重要 而中国 的资源 环境问题尤为突出 因此 近年来不用或少用冷却液 实现干切削 半干切削节能环保的机床不断出现 并在不断发展当中 在 21 世纪 绿色制造 的大趋势将使各种节能环保机床加速发展 占领更多的世界市场 第四章 当前数控机床的主要发展体现 4 1 高速 高效 机床向高速化方向发展 不但可大幅度提高加工效率 降低加工成本 而 且还可提高零件的表面加工质量和精度 超高速加工技术对制造业实现高效 优质 低成本生产有广泛的适用性 20 世纪 90 年代以来 欧 美 日各国争 相开发应用新一代高速数控机床 加快机床高速化发展步伐 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 为开发应用新一代高速数控机床提供了技 术基础 目前 在超高速加工中 车削和铣削的切削速度已达到 5000 8000m min 以上 主轴转数在 30000 转 分 有的高达 10 万 r min 以上 工作台的移动速度 进给速度 在分辨率为 1 微米时 在 100m min 有的到 200m min 以上 在分辨率为 0 1 m 时 在 24m min 以上 自动换刀速度在 1 秒以内 小线段插补进给速度达到 12m min 4 2 高精度 从精密加工发展到超精密加工 是世界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 lt 10nm 其应用范围日趋广泛 当前 在机械加工高精度的要求下 普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m 精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 甚至更高 超精密加工精度进入纳米级 0 001m 主轴回转精度要求达到 0 01 0 05 m 加工圆度为 0 1m 加工表面粗糙度 Ra 0 003 微米等 这些机床一般都采用矢 量控制的变频驱动电主轴 电机与主轴一体化 主轴径向跳动小于 2 m 轴向 窜动小于 1 m 轴系不平衡度达到 G0 4 级 高速高精加工机床的进给驱动 主 要有 quot 回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠 quot 和 quot 直线电机直接驱动 quot 两种类型 8 此外 新兴的并联机床也易于实现高速进给 滚珠丝杠由于工艺成熟 应 用广泛 不仅精度能达到较高 ISO34081 级 而且实现高速化的成本也相对 较低 所以迄今仍为许多高速加工机床所采用 当前使用滚珠丝杠驱动的高速 加工机床最大移动速度 90m min 加速度 1 5g 滚珠丝杠属机械传动 在传动 过程中不可避免存在弹性变形 摩擦和反向间隙 相应地造成运动滞后和其它 非线性误差 为了排除这些误差对加工精度的影响 1993 年开始在机床上应用 直线电机直接驱动 由于是没有中间环节的 quot 零传动 quot 不仅运动惯量 小 系统刚度大 响应快 可以达到很高的速度和加速度 而且其行程长度理 论上不受限制 定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平 是高速高精加工机床特别是中 大型机床较理想的驱动方式 目前使用直线电 机的高速高精加工机床最大快移速度已达 208 m min 加速度 2g 并且还有发 展余地 4 3 高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展 数控机床的高可靠性已经成为数控系统 制造商和数控机床制造商追求的目标 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 无故障率在 P t 99 以上 则数控机床 的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于 3000 小时 我们只对一台数控机床 而言 如主机与数控系统的失效率之比为 10 1 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 当前国外数控装置的 MTBF 值已达 6000 小时以上 驱动装置达 30000 小时以上 但是 可以看到距理想的目标还 有差距 4 4 复合化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运 上下料 安装调整 换刀和主轴的升 降速上 为了尽可能降低这些无用时间 人们希望将不同的 加工功能整合在同一台机床上 因此 复合功能的机床成为近年来发展很快的 机种 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后 机床便能按 照数控加工程序 自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工 以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车 铣 钻 镗 磨 攻丝 铰孔和 扩孔等多种加工工序 就棱体类零件而言 加工中心便是最典型的进行同一类 工艺方法多工序复合加工的机床 事实证明 机床复合加工能提高加工精度和 加工效率 节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期 数控机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 9 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 数控机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 4 5 多轴化 随着 5 轴联动数控系统和编程软件的普及 5 轴联动控制的加工中心和数 控铣床已经成为当前的一个开发热点 由于在加工自由曲面时 5 轴联动控制 对球头铣刀的数控编程比较简单 并且能使球头铣刀在铣削 3 维曲面的过程中 始终保持合理的切速 从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率 而在 3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削 因 此 5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和 竞争的焦点 最近 国外还在研究 6 轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心 虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄 但加工效率太低一时尚难实用化 4 6 智能化 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向 智能加工是一种基于神经网 络控制 模糊控制 数字化网络技术和理论的加工 它是要在加工过程中模拟 人类专家的智能活动 以解决加工过程许多不确定性的 要由人工干预才能解 决的问题 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 为追求加工效率和加 工质量的智能化 如自适应控制 工艺参数自动生成 为提高驱动性能及使用 连接方便的智能化 如前馈控制 电机参数的自适应运算 自动识别负载自动 选定模型 自整定等 简化编程 简化操作的智能化 如智能化的自动编程 智能化的人机界面等 智能诊断 智能监控 方便系统的诊断及维修等 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 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 10 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