数控技术的发展趋势及数控化改造.doc

数控技术的发展趋势及数控化改造一、数控技术的发展趋势经历了从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，到当今活跃的第六代基于PC的数控技术。根据我国当前市场需求，数控系统按技术应用领域和复杂程度分为经济型、普及型和高级型三种。目前我国经济型数控系统已经占领了国内市场，并且出口。普及型数控系统能实现半闭环或闭环控制，价格比较便宜的数控系统，在数控车床、加工中心中有着广泛的应用。普及型数控系统于80年代初批量进行人市场，并且运行状况良好。高级型数控统是指具有世界先进水平的、能够实现多轴联动，采用交直流伺服电机驱动，分辨率较高(一般小于或等于0001ram)的闭环或半闭环的数控系统。这也是我们国家相比来说较薄弱的一块，在我国只能占到10%左右，主要还是依靠进口，而国外例如美国、日本等高档型数控机床一般在80%左右。可以看出差距还是很大的。目前国内外数控系统技术发展的总体趋势如下：1. 向开放式、基于PC的第六代方向发展: 在实现系统构成要素模块化的同时，要通过这些要素之间的标准化，将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从而方便地构成完整的系统。用信息技术将社会制造资源合理调配，逐步在机械制造业建立完善的虚拟化与网络化的先进制造体系，使机械制造业资源高效地被利用，达到降低成本、提高质量和缩短制造周期的目的。2.向高速化和高精度化发展: 目前最高水平是在分辨率为l u m时，最大快速进给速度可达240mmin。在程序段长度为1mm时，其最大进给速度达80mmin，并且进给加速度可达l-2g。主轴高速化的手段是采用电主轴(内装式主轴电动机)，即主轴电动机的转子轴就是主轴部件，从而可将主轴转速大大提高。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10um提高到5um，精密级加工中心从3-5um,提高到1-1.5um，并且超精密加工精度已开始进入纳米级，其加工精度一般小于10nm。目前，发达国家正致力于研制更高精度的超高速数控机床。3. 向驱动装置向交流、数字化方向发展: 在计算机的世界里，可以产生各种各样的信息，通过计算机把制造的物理过程虚拟化。现在的挑战是如何把这些信息从计算机“下载”到生产线上，在生产的过程中利用这些信息控制机械，使它生产出产品，这个全过程就是“数字制造”。CNC是生产的核心，它把各种专门技术集聚在一起，并与生产过程的信息相联系，成为生产系统的主导。因而，从广义上说NC也将变得更开放。4. 向增强通信功能，向网络化发展: 网络的任务主要是进行通信，共享信息。数控作为车间基本设备，它的通信范围为：(1)CN内部CNC装置与数字伺服间的通信(2)与上级主计算机的通信(3)与车间现场设备及IO装置通信(4)通过因特网与服务中心通信，传递维修数据5.数控系统在控制性能上向智能化发展:数控系统的智能化就是应用各种人工智能的方法和技术去控制制造过程。具有智能的数控系统可以更深入地解决加工中的技术问题，优质高效地完成加工任务。随着当今科学技术的发展，智能化已渗透到数控系统的各个方面。智能数控系统不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、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，而且人机界面更为友好，智能化的伺服系统能自动识别负载并自动优化调整参数，故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。这必将为数控机床带来更加美好的未来。6.可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交换不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计和虚拟样机技术等。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。7.并联机床 传统机床为串联结构，存在悬臂部件，不易获得高的结构刚度；另外，其组成环节多，结构复杂，限制了加工精度和速度的提高。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21 世纪的机床”，具有很大的开发潜力和广泛的应用前景。并联机床的主轴与机座之间采用并联结构。它没有滑台，没有导轨，而只用几根可自由伸缩的驱动杆带动主轴箱、带着刀具在空间运动，由计算机通过复杂的数学运算完成加工任务。并联机床具有承载能力强、响应速度快、精度高、机械结构简单、适应性好等优点，是一种“硬件”简单、“软件”复杂、技术附加值高的产品，因此，各国学术界和机床制造企业对并联机床的研究开发都非常重视，并先后推出多种结构形式的样机，为数控机床的发展开辟了新的领域。8. 向复合化和机器人化（虚拟轴机床): 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FAUNC公司，一年生产5万套以上系统，占世界市场约40%左右，其次是德国西门子公司约占15%以上，再次西班牙发格，意大利菲地亚，法国的NUM，日本的三菱、安川。2、 数控化改造的必要性（1）概括起来说，大家都知道，制造业是国名经济的命脉，机床可以说是工作母机，是制造装备的装备，也就是说机床技术的发展直接影响的国家的工业技术。与普通机床相比，总结一下，数控机床主要有如下特点：1.加工精度高，具有稳定的加工质量；2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；3.机床本身的精度高、刚性大,可选择适合的加工用量，生产率高（一般为普通机床的37倍）；4.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；5.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。因此，基于以上数控机床的特点将普通机床进行数控化改造已经是很有必要了。随着数控机床产量不断扩展，使得我国机床行业数控化率继续不断攀升，2010年。我国企业机床数控化比例极低，不到5%，但与发达国家70%左右的水平相比，仍然具有较大的提升空间。（2）从微观上说，数控机床比传统机床的优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1.可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2.可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6由以上五条派生的好处如降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。（3）从宏观上说，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。除此之外数控化改造还可以实现以下方面：1减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。2机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。4可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。三、机床与生产线的数控化改造的基础内容有以下几点：1.恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；2.是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；3.是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；4.是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。四、数控化改造中重要部分的选择与开发：1.伺服系统闭环伺服机构的位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，故可以获得比开环进给系统和半闭环控制系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标，但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。因而，该系统对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，故价格昂贵。但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。比如说对于凸轮曲面的加工，认为用此系统比较合适。对于其运动方式采用轮廓控制（同样对于齿轮凸轮的加工），所谓轮廓控制数控机床是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。主要可以加工复杂零件或者成型曲面。2.精度问题对于数控加工，精度肯定会有所提高，但也和机床的大小有关。很多国产数控机床没有补偿功能，这个必须进行改造。对这类机床，在某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙（因为丝杠和丝母之间肯定存在一定的间隙，所以在正转后变换成反转的时候，在一定的角度内，尽管丝杠转动，但是丝母还要等间隙消除（受力一侧的）以后才能带动工作台运动，这个间隙就是反向间隙，但是要反映在丝杠的旋转角度上）。在机械部分不变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再开始插补加工。对于中等规格数控车床和加工中心定位精度为0.008mm左右，重复定位精度0.005mm左右数控中两轴以上插补技术大大提高，纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到的圆度，插补前多程序段预读，大大提高插补质量，并可进行自动拐角处理等。比如铣床改造后实现了三坐标联动，机床精度各轴达到0.001mm，可完成高精度产品的加工。精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。3.产品生命周期管理（PLM）PLM是一种理念，即对产品从创建到使用，到最终报废等全生命周期的产品数据信息进行管理的理念。我觉得这是很好的一个设计或者改造的思路，易于实现最优化。4.电气部分 一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。保留的电气部分最佳化调整。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。5机床防护与维修效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。五总结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，对一些重要行（it、汽车、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。总之，数控技术已成为先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性