数控机床的发展历程和趋势 PPT课件

数控机床的发展历程和趋势 主讲 张明 时间 2012 3 15 1 Contents 结束语 2 一 数控机床的发展历程 数控机床 NumericalControlMachineTools 是用数字代码形式的信息 程序指令 控制刀具按给定的工作程序 运动速度和轨迹进行自动加工的机床 简称数控机床 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的 其过程大致如下 1948年 美国帕森斯公司接受美国空军委托 研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备 由于样板形状复杂多样 精度要求高 一般加工设备难以适应 于是提出采用数字脉冲控制机床的设想 1949年 该公司与美国麻省理工学院 MIT 开始共同研究 并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床 当时的数控装置采用电子管元件 1959年 数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板 出现带自动换刀装置的数控机床 称为加工中心 MCMachiningCenter 使数控装置进入了第二代 3 一 数控机床的发展历程 1965年 出现了第三代的集成电路数控装置 不仅体积小 功率消耗少 且可靠性提高 价格进一步下降 促进了数控机床品种和产量的发展 60年代末 先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统 简称DNC 又称群控系统 采用小型计算机控制的计算机数控系统 简称CNC 使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代 1974年 研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置 简称MNC 这是第五代数控系统 20世纪80年代初 随着计算机软 硬件技术的发展 出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置 数控装置愈趋小型化 可以直接安装在机床上 数控机床的自动化程度进一步提高 具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能 20世纪90年代后期 出现了PC CNC智能数控系统 即以PC机为控制系统的硬件部分 在PC机上安装NC软件系统 此种方式系统维护方便 易于实现智能化 网络化制造 4 一 数控机床的发展历程 1959 1965 数控机床 1952 电子管 晶体管 小型集成电路 1970 小型计算机 1974 微型计算机 1990 PC CNC 5 一 数控机床的发展历程 更高水平发展 2000年开始 产业化成熟阶段 1990 1999年 发展应用阶段 1980 1989年 起动阶段 1952 1979年 智能化 网络化 敏捷制造 虚拟制造 柔性单元 柔性系统 自动化工厂开始应用 数控系统微处理器运算速度快速提高 功能不断完善 可靠性进一步提高 监控 检测 换刀 外围设备得到了应用 先后经历电子管 晶体管 小集成电路 大规模集成电路 小型计算机 微处理器等 6 二 数控机床的发展趋势 7 2 1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CNC系统标准ISO14649 STEP NC 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 8 2 2控制软件化 现在 实际用于工业现场的数控系统主要有以下四种类型 分别代表了数控技术的不同发展阶段 对不同类型的数控系统进行分析后发现 数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展 而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势 传统数控系统 如FANUC0系统 MITSUBISHIM50系统 SINUMERIK810M T G系统等 这是一种专用的封闭体系结构的数控系统 目前 这类系统还是占领了制造业的大部分市场 但由于开放体系结构数控系统的发展 传统数控系统的市场正在受到挑战 已逐渐减小 PC嵌入NC 结构的开放式数控系统 如FANUC18i 16i系统 SINUMERIK840D系统 Num1060系统 AB9 360等数控系统 这是一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品 它具有一定的开放性 但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统 用户无法介入数控系统的核心 这类系统结构复杂 功能强大 价格昂贵 9 2 2控制软件化 NC嵌入PC 结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制卡和PC机共同构成 这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU 具有很强的运动控制和PLC控制能力 它本身就是一个数控系统 可以单独使用 它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统 因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域 如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC NC数控系统 日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等 SOFT型开放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统 它提供给用户最大的选择和灵活性 它的CNC软件全部装在计算机中 而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I O之间的标准化通用接口 就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样 用户可以在WINDOWSNT平台上 利用开放的CNC内核 开发所需的各种功能 构成各种类型的高性能数控系统 与前几种数控系统相比 SOFT型开放式数控系统具有最高的性能价格比 因而最有生命力 通过软件智能替代复杂的硬件 正在成为当代数控系统发展的重要趋势 其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC 德国PowerAutomation公司的PA8000NT等 10 2 3高可靠度 随着数控机床网络化应用的日趋广泛 数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标 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 我们只对某一台数控机床而言 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 如果对整条生产线而言 可靠性要求还要更高 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 11 2 3高可靠度 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 国外整机平均无故障工作时间达800小时以上 而国内最高只有300小时 12 2 4高速化 随着汽车 国防 航空 航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用 对数控机床加工的高速化要求越来越高 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 min 2 进给率 在分辨率为0 01 m时 最大进给率达到240m min且可获得复杂型面的精确加工 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CPU已发展到32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0 1 m 0 01 m时仍能获得高达24 240m min的进给速度 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1s左右 高的已达0 5s 德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式 以主轴为轴心 刀具在圆周布置 其刀到刀的换刀时间仅0 9s 13 2 4高速化 德马吉 DMG 最新推出的HSClinear系列机床代表着高速切削技术的全新时代 据介绍 这个全新的系列产品满足了全方位要求 超坚固结构设计构成超高速运动的基础 高频高转速HSK主轴为标准配置 全部直线轴和旋转轴全部采用直接驱动技术以确保更高动态性能和更高精度 还配备具有易用3D功能的高性能CNC数控系统 HSC55linear采用龙门结构具有超高刚性 热对称平衡结构 标配28000r min高速主轴 所有轴全部采用直接驱动技术 加速度达2g g 9 8m s2 加工区的合理安排和主轴的高转速使HSC55linear加工中心不仅能高速加工高硬钢材还能高速加工石墨材料 相比市场上的其它高速切削机床 选择28000rpm主轴作为标配 德马吉这个新主轴的刚性更高 它不仅能降低加工中的振动 提高表面质量 延长刀具使用寿命 据介绍 该机床也可以配18000rpm电主轴 还可用相同的价格选配42000rpm甚至60000rpm两种转速的主轴 HSC55linear加工中心 14 2 4高速化 日本森精机NH系列 DZ15WMagnum双主轴高效立式加工中心 15 2 4高速化 瑞士GF阿奇夏米尔HSM500高速铣削中心 它采用混凝土聚合物 人造大理石 制成的龙门框架式的床身结构 可以有效地吸收高加速度时产生的冲击力 以确保高的加工精度 专门量身定制的高刚性工作台在有限的空间内实现尽可能大的装夹面积 可配置30000转 分 42000转 分甚至54000转 分的高速电主轴 从而可实现高性能的高速铣削工艺 16 2 5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CNC系统控制精度 采用高速插补技术 以微小程序段实现连续进给 使CNC控制单位精细化 并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0 01 m 脉冲 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 17 2 6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Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构 该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 18 2 6功能复合化 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 普通的数控系统软件针对不同类型的机床使用不同的软件版本 比如Siemens的810M系统和802D系统就有车床版本和铣床版本之分 复合化的要求促使数控系统功能的整合 目前 主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统 19 2 6功能复合化 单一机床和复合机床对比 20 2 6功能复合化 世界上首次为复合加工机而开发的CNC装置MAZATROLFUSION640Pro与生产信息管理塔的e Tower作为标准装备配置在INTEGREXe 1850V里 它已经超越了机床的概念简直可以称之为小型工厂 智能化生产模块 满载了许许多多的新功能 通过卡盘一次装卡就可以全工程加工车削 铣加工 淬火 研磨 21 2 6功能复合化 INTEGREXe 1850V e 500HII e 800VII 22 2 6功能复合化 图4复合加工可成功完成最复杂 高精度零件的加工 对于加工类似镍铬铁耐热耐蚀合金这样超硬材质 WFL公司将提供350bar喷气断屑系统 图5可加工出的各种齿轮形状 图6在涡轮轴上进行滚齿加工 23 2 7驱动并联化 并联机床 ParallelMachineTool 也叫并联运动学机床 ParallelKinematicMachine 因没有实体坐标轴 故又被称为虚拟轴机床 VirtualAxisMachineTool 并联机床是用并联机构作为进给传动机构的数字控制机床 与传统机床相比并联机床具有刚度重量比大 响应速度快 对环境适应性高 技术附加值高等优点 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 24 2 7驱动并联化 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 并联运动机床与传统机床的比较 25 2 7驱动并联化 6杆并联机床 26 2 8多轴加工化 多轴加工准确地说应该是多坐标联动加工 当前大多数控加工设备最多可以实现五坐标联动 这类设备的种类很多 结构类型和控制系统都各不相同 由于在加工自由曲面时 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 进而对工件的加工质量造成破坏性影响 而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 因此 各大系统开发商不遗余力地开发5轴 6轴联动数控系统 随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及 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 最近 国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展 在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面 且切深可以很薄 但加工效率太低一时尚难实用化 27 2 8多轴加工化 图1KE D型多轴加工机床 图2可在多轴加工机床上加工的零件 图3S 6系列多轴加工机床可以在一次装夹中完成复杂工件的三方位加工 配备有12把水平进给和3把垂直进给的刀具 28 2 8多轴加工化 图4TCKM系列是瑞士型高速精密数控车铣中心 机床的两个主轴可以同时对不同的零件进行车铣复合加工 具有四轴联动加工能力 可以完成车削 铣削 钻削甚至磨削复合加工 适合完成精度较高 形状复杂的零件的车铣复合加工任务 例如多头蜗杆的车 铣 钻等工序的一次性复合加工 图5多轴MultiAlpha自动车床 5个独立刀具的背主轴 可实现需掉头的复杂零件的加工 是复杂零件的最佳加工解决方案 能保证24h不停生产高质量的产品 29 2 8多轴加工化 MAG公司的U5 1500DR双主轴机床 EMAG公司的BA321型卧式4轴加工中心 30 2 8多轴加工化 瑞士GF阿奇夏米尔MIKRONHPM600U五轴联动高性能镗铣加工中心 31 2 9体积极端化 主要体现在数控机床的体积大型化和微型化 一方面 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 另一方面 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 32 2 9体积极端化 J10001 CNC微型数控车床主轴电机功率 150W电压120VDCXZ轴的最大移动速度 500mm min主轴电机转速 0 2500r min步进电机最大转速 1000r min尺寸 600X300X250mm净重 17kg C00026微型数控铣床定位精度0 015mm最大钻孔直径25mm最大端面铣直径16mm最大表面铣直径50mm电机功率1000W主轴转速 无级调速 100 1750rpm 10 尺寸 760X700X900mm净重 200kg 33 2 9体积极端化 HTM 50GMFX100龙门移动式定梁五面镗铣中心 主要技术参数主轴转速10 2000r min主轴功率37 51kw主轴最大扭矩1985 2735Nm滑枕截面500 500mm龙门有效宽度5100mmX Y Z行程10000 5200 1250mm快移速度10m min最大切削速度6m min定位精度0 020 0 015 0 010mm重复定位精度0 012 0 00 0 008mm工作台面积4000 9000mm工作台最大承重20t刀库容量24 40 60 选配 34 2 10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 机床是将毛坯转化为零件的工作母机 在使用过程中不仅消耗能源 还会产生固体 液体和气体废弃物 对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染 从整个机床生命周期内审视 尽量减少对环境带来不利冲击的绿色机床就成为当前研究的热点 35 2 10绿色化 什么是绿色机床 它应该具有以下特点 1机床主要零部件由再生材料制造 2机床的重量和体积减少50 以上 3通过减轻移动质量 降低空运转功率等措施使功率消耗减少30 40 4使用过程中产生的各种废弃物减少50 60 保证基本没有污染的工作环境 5报废后机床的材料100 可回收 36 2 10绿色化 1 减重节能据统计 机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25 左右 各种损耗和辅助功能占去大部分 典型机床的功率消耗分配如图1所示 红色部分是各种损耗和辅助功能 机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床 Eco efficientMachinetool 绿色机床提出一种全新的概念 大幅减少机床重量 节省材料 同时降低机床使用时的能源消耗 图1 典型数控机床功率分配图 37 2 10绿色化 传统的机床设计理念是 只有足够的刚度才能保证加工精度 提高刚度就必须增加机床重量 因此 现有机床重量的80 用于 保证 机床的刚度 而只有20 用于满足机床运动学的需要 绿色机床就是在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量 达到省材 节能的目的 实现这个目标的途径有两个 通过采用新结构或新的复合材料来实现轻量化 如图2所示 图2 借助新材料和新结构实现轻量化 38 2 10绿色化 图3采用三杆并联机构的主轴部件 1 1 1杆机构90年代中期出现的6杆并联运动机床 由于其运动部件质量轻 结构简单等优点 一直受到机床研究者的重视 10多年来不断进行探索 推出许多变型结构和方案 尽管加工精度和机床刚度还存在一定问题 但在某些领域已经获得成功应用 例如 DS Technology公司生产的加工飞机铝合金构件的Ecospeed型机床 其主轴部件就是采用三杆并联机构 如图3所示 1 1采用新结构降低能耗 39 2 10绿色化 1 1 2新型焊接结构在机床设计中采用焊接结构由来已久 主要由钢板切割后焊接成为大型结构件 随着对机床结构轻量化的要求日益迫切 异型钢板和异型结构的应用获得了发展 焊接工艺也由电弧焊接扩展到激光焊接 一个由钢管和钢板激光焊接而成的滑座如图4所示 图4由钢管和钢板激光焊接而成的滑座 40 2 10绿色化 1 1 3箱中箱结构箱中箱结构是近年来机床结构配置的重要发展趋势 它的特点是采用框架式箱形结构 将一个移动部件嵌入另一个部件的框架箱中 达到提高刚度减轻重量的目的 森精机一台车铣复合加工中心的箱中箱结构如图5所示 采用箱中箱结构获得成功的关键不仅在于基于有限元分析的设计方法 而且还有构件的制造工艺 例如熔模铸造等 图5由钢管和钢板激光焊接而成的滑座 41 2 10绿色化 图3 一台通过结构优化并采用了新材料的龙门铣床案例 通过轻量化降低驱动功率 新材料是机床结构轻量化的重要研究领域 包括碳素纤维 陶瓷和复合材料 目前已经获得实际应用的是树脂混凝土 或称矿物铸造 人造花岗石 它与传统铸铁构件相比 具有阻尼系数大 抗振性强 热稳定性好等一系列优点 1 2采用新材料 42 2 10绿色化 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 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 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 1 3采用新型功能部件 43 2 10绿色化 2 MQL减排机床使用过程中的润滑冷却液是有害排放物 特别是磨削时采用的乳化液对环境和工人健康都非常有害 因此 大幅度减少冷却液的使用和排放是绿色机床的基本特徵 实现这个目标的途径有以下两方面 1 干切削 不使用冷却液 这需要机床具有足够的刚性和锋利的刀具 仅适用于某些加工形状比较简单的铣削和车削工序 2 微量润滑 MinimizedQuantityLubrication MQL MQL适用范围较广 可用于各种加工方法 但需要专门的装置提供气雾或低温空气 冷风 并使用专门的润滑剂 44 2 10绿色化 3 刀具增效机床的生产效率出至刀尖上 采用先进的刀具 选择合理的刀具几何角度和切削参数 可以有效提升切削加工的效率 降低切削过程所需的功率 延长刀具的寿命 从而达到以较少的资源消耗获得较大产出的目的 图4 组合刀具的复合加工 45 2 10绿色化 4 变废为宝增值再用金属切削加工切屑是机床使用过程中主要的固体废弃物 传统的方法是将它作为废品出售给废品回收单位 进入社会废品循环 江苏省扬力集团在该企业内部将每年数千吨的铁屑和钢屑经过分拣 压块 配料 熔化浇铸出高质量的球墨铸铁件 变废为宝 制成诸如压力机曲轴等关键零件 如图5所示 图5由再生废料制成的压力机曲轴 a 铸成的曲轴毛坯b 加工完成的曲轴 46 2 10绿色化 案例一 森精机NMV8000加工中心 图8NMV8000立式加工中心 NMV8000加工中心绿色化的主要特征如下 1 采用动柱动梁箱中箱结构 移动部件质量轻 减少驱动功率 2 工作台采用台中台直接驱动方式 提高了传动效率 3 排屑路径通畅 减少机床热变形 47 2 10绿色化 案例二 STUDERS242车磨复合加工机床 图9S242车磨复合机床 为了大幅度提高轴类高精度零件的加工效率 Studer公司推出硬车削和磨削复合的机床 可配置左右 正斜砂轮架和转塔刀架 三种横向砂轮架和刀架可有15种配置方案 其中之一如图9所示 S242车磨复合加工机床绿色化的主要特征如下 1 床身采用GranitanS103人造花岗石 2 硬车时干切削 不使用冷却液 3 采用斜床身 排屑路径通畅 切屑不与床身直接接触 保持机床的热稳定性 48 2 10绿色化 案例三 EMAGKoepfer300滚齿机 EMAGKoepfer300卧式9轴数控滚齿机适用于加工中等尺寸的圆柱直齿和斜齿齿轮 机床的配置和工作区域如图10所示 X Y Z轴分别为径向 切向和轴向移动 A B C轴分别为滚刀头架偏转 滚刀和工件旋转 Q轴是辅助工具控制 W轴是尾架移动 V轴为装料器控制 49 2 10绿色化 Koepfer300卧式滚齿机绿色化的主要特征如下 1 床身采用树脂混凝土 人造花岗石 封闭箱形结构 保证动静态的刚度和热稳定性 2 工件和滚刀皆采用直接驱动 没有机械传动链 提高传动精度和效率 3 采用干加工和微量润滑 MQL 4 采用斜床身结构 图10Koepfer300滚齿机 50 2 11智能化 如果说绿色机床的愿景是环境友好 那么智能机床的目标就是用户友好 用户友好 的含义在于大幅提升工作效率和确保工作更加舒适且安全 这就要求机床能够自主管理自己 自动识别加工任务和加工状态 无需或很少需要人工干预 同时还能够及时与操作者沟通 变得 聪明 起来 开拓数控机床的新纪元 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 为了满足制造业生产柔性化 制造自动化的发展需求 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 51 2 11智能化 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 52 2 11智能化 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4M数控系统 在制造过程中 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 Measurement 建模 Modelling 加工 Manufacturing 机器操作 Manipulator 四者 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 53 2 11智能化 智能化加工系统的四大目标是 1系统动态优化 将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模 进行系统的动态性能优化 2设备自适应化 开发新的测量方法 模型和标准 在运行状态下对机床状态监控 借助在线测量 传感和实时分析进行自我诊断和误差补偿 提高机床的工作性能 3采用新一代数控系统 与STEP NC兼容的接口和数据格式 使基于CAD模型的机器控制能够无缝运行 4在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法 54 2 11智能化 1 智能主轴主轴是机床的心脏 它的状态直接关系到加工精度和加工效率 德国阿亨工业大学与西班牙技术中心合作对主动磁浮轴承的主轴进行研究 借助磁浮轴承中的力 电流和位置传感器 来测量切削力 以及刀尖点的位置 速度 加速度的变化 并基于此开发出高速 高精度的主轴 瑞士GF阿奇夏米尔集团生产的MIKRONHSM系列高速铣削加工中心可配置智能加工系统 其功能之一就是加工过程监控 以便用户观察铣削过程是否正常 其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器 使铣削过程中产生的振动能够以加速度 g载荷 值的形式显示 如图5所示 图5具有振动监控的高速电主轴 55 2 11智能化 振动大小在0 10g范围内分为10级 其中 0 3g表示加工过程 刀具和刀夹都处于良好状态 3 7g表示加工过程需要调整 否则将导致主轴和刀具寿命的降低 7 10g表示危险状态 如果继续工作 将造成主轴 机床 刀具和工件的损坏 而且 控制系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间 即主轴寿命还有多长 在过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值 当振动超过此值时 系统报警并自动停机 系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分析 记录的数据包括 日期 时间 g值 g极限 主轴转速 刀具号 进给率 数控程序块号和程序名 可记录程序块的容量达18 000个 如果取时间间隔为2 5秒 可记录过程状态长达12 5小时之久 图6电主轴 56 2 11智能化 2 热变形补偿机床热变形是影响加工精度的主要因素之一 产生热变形的因素很多 主要是来自机床的工作环境和机床内部的热影响 1 环境影响 例如 车间的温度分布和温度变化以及空气对流 日光 暖气和邻近机床等热源的影响 以及来自机床基础的热传导 2 机床内部的影响 例如 机床零部件的发热 轴承 丝杆 导轨 电动机 齿轮 液压系统等 切削过程产生的热量以及冷却系统的发热 上述热影响对机床结构来说是一种复杂的热输入 它随时间和机床工作状态而变化 是不可预测的 而最终造成机床热变形的大小和部位还取决于机床结构材料的热性能 即材料的热胀系数 导热率和热容量以及机床的结构设计 即部件形状 质量和热源的分布 57 2 11智能化 因此 机床结构的热场分布是不均匀且不稳定的 呈现为一种动态的三维梯度的热场 为了对机床在工作状态下的热变形进行补偿 还需要考虑切削和运动载荷所造成的变形 这就需要在机床的关键部位安放温度和位置传感器 测出主轴 3个坐标轴和环境温度分别造成的误差 最后汇总为 x y z 输入数控系统进行补偿 其原理如图7所示 图7机床在载荷下的热变形补偿原理图 58 2 11智能化 3e 机床在高速加工复杂的三维轮廓时 经常遇到如何优化上三个相互关联的数值 速度 精度和表面光洁度 例如 当粗加工模具时 首先应该考虑速度 在精加工小型精密电极时 精度就成为最重要的 而在光整模具时 追求的却是表面光洁度 如何在不同情况下 合理配置和优化机床的性能来达到目标 是一个复杂的问题 因为它涉及数百个CNC参数 诸如运动控制的算法 伺服环的增益 前馈 平滑过滤器等 Mikron机床产品中集成了智能化的操作者支持系统 OperationSupportSystem 操作者通过简单的图形界面选择速度 精度和表面光洁度的优先级 就能够方便地设定机床性能 如图9所示 59 2 11智能化 从图中可见 操作者根据精加工和精度要求的优化目标 在触摸屏幕上选定精度和表面质量的中点 黄点 然后选择复杂程度 一般 中等 复杂 和工件重量 较轻 中等 较重 系统就自动生成从粗加工到精加工每一工步的机床性能和切削参数 如果选择时间优先 OSS将在角点处和曲面处扩大公差带 数控系统将选用快速方案将工件切削至要求的形状 动力系统将提供最大加速度和最快速度 如果工机床设定为精度优先 OSS将缩小公差带 满足高精度要求 驱动系统将在拐角点处或曲面处降低速度 以免过切 为达到高表面质量 OSS将控制过渡点 设置拐角点和曲面处的公差带 机床将自动平滑地提驱动力 图9操作支持系统 60 2 11智能化 E tower 4智能化工厂将技术 营业 生产 管理等各部门通过企业内部互联网结合起来 通过各个部门之间信息的共享 以较短的商品开发时间和较短的交货期 为客户们送上合适的产品 而通过缩短生产到交货的时间 可以大幅度地降低了生产成本 这样的智能化工厂是我们与客户一起推进的目标 通过这个系统 加工机不光是从相关部门取得和照会图面信息 加工信息 刀具准备信息等 通过加工机发出的运行状态 进展状况等数据 不但可以实时地进行生产管理 还可以从远距离进行监控 在办公室里 可以掌握到关于现在机器的运行状况和生产指示等所有的信息 61 2 11智能化 多媒体技术集计算机 声像和通信技术于一体 使计算机具有综合处理声音 文字 图像和视频信息的能力 因此也对用户界面提出了图形化的要求 合理的人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用 人们可以通过窗口和菜单进行操作 便于蓝图编程和快速编程 三维彩色立体动态图形显示 图形模拟 图形动态跟踪和仿真 不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现 另外 在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化 智能化 应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断 生产过程参数监测等 因此有着重大的应用价值 5利用多媒体技术 62 2 11智能化 通过手头的电脑将作业清单传送出去 可以发出作业指示 即使是人在外面 也可以通过手机对机器的运行状况进行监控 也可以确认实机加工时间 对交货期进行估算 可以防止浪费 进行合理生产 在生产现场 可以提供操作员所需的所有信息 63 5 13信息网络化 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 Intranet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 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 64 5 13信息网络化 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 FMS 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 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 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 65 5 13信息网络化 数控机床的网络拓扑结构 66 5 13信息网络化 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 自主管理的制造单元 Mazak将IT与制造技术完美结合 67 三 我国数控机床的发展现状 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代 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 特别是最近几年 我国数控产业发展迅速 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 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 2004年中国机床主机消费高达94 6亿美元 但进出口逆差严重 国产机床市场占有率连年下降 1999年是33 6 2003年仅占27 7 1999年机床进口额为8 78亿美元 7624台 2003年达27 1亿美元 23320台 相当于同年国内数控机床产值的2 7倍 68 三 我国数控机床的发展现状 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