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數(shù)控機(jī)床技術(shù)的五大方向和三大差距
數(shù)控機(jī)床功能不斷豐富,采用了工序、工藝集中化和復(fù)合化技術(shù);機(jī)床在結(jié)構(gòu)布局和新材料應(yīng)用方面都有了新發(fā)展...
圍繞質(zhì)量、效率和工藝變革的要求，我國(guó)機(jī)械制造工藝裝備——主要是數(shù)控設(shè)備在技術(shù)層面發(fā)生了深刻的變化。數(shù)控機(jī)床功能不斷豐富，采用了工序、工藝集中化和復(fù)合化技術(shù);機(jī)床在結(jié)構(gòu)布局和新材料應(yīng)用方面都有了新發(fā)展;數(shù)控技術(shù)在開(kāi)放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速高精化方面取得了新發(fā)展。其目的都是為了提高生產(chǎn)效率，提高精度，保證質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)效益最大化。
不斷追求高質(zhì)量和高效率是機(jī)械制造業(yè)研究的永恒主題和目標(biāo)，是促進(jìn)其工藝裝備發(fā)展的源動(dòng)力。工藝要求和變革是機(jī)械制造工藝裝備技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和變革的根據(jù)和基礎(chǔ)。
國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床走過(guò)了50年發(fā)展的漫長(zhǎng)歷程，在近10年來(lái)得到了較快發(fā)展，特別是得到了政府的重視，設(shè)立了重大技術(shù)攻關(guān)專項(xiàng)，有效地促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。
目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可供品種達(dá)1500多種，覆蓋了數(shù)控金屬切削機(jī)床、數(shù)控板材加工機(jī)床(數(shù)控沖壓機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床、火焰切割機(jī)床等)、數(shù)控電加工機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，種類基本齊全。2010年數(shù)控金屬切削機(jī)床保有量約為150萬(wàn)臺(tái)(其中進(jìn)口超過(guò)40萬(wàn)臺(tái))，僅金屬切削機(jī)床的年產(chǎn)量就超過(guò)了16萬(wàn)臺(tái)、2011年1~10月份累計(jì)達(dá)到21.8萬(wàn)臺(tái)、全年可達(dá)到25萬(wàn)臺(tái)左右。國(guó)產(chǎn)品牌數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和價(jià)值占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)50%以上。在代表先進(jìn)技術(shù)水平的五軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工中心、數(shù)控系統(tǒng)和其他配套技術(shù)產(chǎn)品方面也都取得了新進(jìn)展。本文主要圍繞數(shù)控技術(shù)發(fā)展與差距展開(kāi)討論。
追求高生產(chǎn)率
為了追求機(jī)械制造的高生產(chǎn)率，促進(jìn)數(shù)控設(shè)備向加工復(fù)合化(工序復(fù)合和工藝復(fù)合)、高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、工藝參數(shù)優(yōu)化方向發(fā)展。
1復(fù)合化
數(shù)控機(jī)床復(fù)合加工，主要指工序集中化、復(fù)合化和工藝復(fù)合化。
1.1工序集中化、復(fù)合化
自從20世紀(jì)70年代末，隨著三聯(lián)動(dòng)加工中心開(kāi)始用于機(jī)械制造，開(kāi)始進(jìn)入機(jī)械加工工序集中化時(shí)代。20世紀(jì)80年代，我國(guó)自制的三聯(lián)動(dòng)加工中心也開(kāi)始在機(jī)械制造中得到應(yīng)用，主要是用于箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實(shí)現(xiàn)鏜、銑、鉆、攻絲等多道工序，提高了加工效率和精度。
2000~2011年是我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展最快的時(shí)期。在此期間，自主開(kāi)發(fā)了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、車銑復(fù)合加工中心、車銑磨復(fù)合加工中心和磨削復(fù)合加工中心等。有的國(guó)內(nèi)制造廠商已經(jīng)能夠提供五軸聯(lián)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工中心等，但有一些是屬于重大專項(xiàng)攻關(guān)產(chǎn)品，有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。
1.1.1五軸聯(lián)動(dòng)加工中心
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的廠家正在不斷增加。如沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的GMC2590μ橋式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心、VM22120μ立式五軸加工中心、VMC05656e門式五軸加工中心、HS664RT五軸高速加工中心;大連機(jī)床產(chǎn)生的VDM500五軸立式加工中心;北京機(jī)電院生產(chǎn)的XKR32G五軸聯(lián)動(dòng)加工中心和XKH800五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心;濟(jì)南二機(jī)床生產(chǎn)的XV2525×60高架式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心等都能實(shí)現(xiàn)一次安裝完成零件的銑、鏜、鉆、鉸、攻絲等多道工序。
開(kāi)發(fā)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心有2個(gè)關(guān)鍵核心部件技術(shù)難度較大，一個(gè)是雙擺角萬(wàn)能加工頭;一個(gè)是雙軸回轉(zhuǎn)臺(tái)(見(jiàn)圖2)。這2種部件國(guó)內(nèi)廠商也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，但有待進(jìn)一步的完善和商品化。雙擺角萬(wàn)能加工頭用于大型機(jī)床，雙擺軸回轉(zhuǎn)臺(tái)用于小型機(jī)床。目前這2種部件都采用直驅(qū)力矩電機(jī)，并裝有編碼器，以提高動(dòng)態(tài)性能和精度。
雙擺角萬(wàn)能加工頭技術(shù)難度更大一些。國(guó)內(nèi)某廠商開(kāi)發(fā)的一種直驅(qū)雙擺角萬(wàn)能頭的主要參數(shù)如下：
額度扭矩：A軸500~1000Nm(可選)、C軸660~2000Nm(可選);
定位精度：±2“、±2.5”、±3“、±5”(可選);
絕對(duì)編碼器分辨率：26位、29位(可選);
擺角范圍：A軸±110°、C軸±360°。
我國(guó)還沒(méi)有形成雙擺角萬(wàn)能頭系列化商品，而國(guó)際上像德國(guó)CYTEC公司可以供應(yīng)系列化商品。
1.1.2車銑復(fù)合加工中心
車銑復(fù)合加工中心既有在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，也有在立式加工中心基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。如南京數(shù)控機(jī)床有限公司生產(chǎn)的CK1840S型車銑復(fù)合加工中心是在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。該機(jī)床具有雙主軸、雙刀架、雙C軸和W軸，共7軸，分為二組三聯(lián)動(dòng)全閉環(huán)控制。其中C軸分辨率達(dá)到0.001°。該機(jī)床對(duì)回轉(zhuǎn)體零件一次裝卡可完成車削、分度偏心鉆削、定位銑削等多道工序，即1臺(tái)車銑復(fù)合加工中心能完成2臺(tái)數(shù)控車床的加工工序，提高效率1倍，且因能減少二次安裝誤差而提高了精度。安陽(yáng)鑫盛機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的CX110立式車銑復(fù)合加工中心，是在立式加工中心基礎(chǔ)上增加車削裝置開(kāi)發(fā)出來(lái)的。該機(jī)床具有車、鏜、銑、鉆、鉸、攻絲等功能，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的五面加工。此外大連機(jī)床開(kāi)發(fā)的VHT800五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心、CHD25五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心;武漢重型機(jī)床集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)的WHGS7000車銑復(fù)合加工中心等，也都能實(shí)現(xiàn)零件一次裝卡，完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜型面零件的多道工序加工。
1.1.3車銑磨復(fù)合加工中心
寧波海天精工機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)的HTM-V120L數(shù)控立式車銑磨復(fù)合加工中心，工件一次裝卡可完成車、銑、磨多道工序，還可進(jìn)行重切削高精度加工，適合用于大型軸承加工。
1.1.4車銑磨齒輪加工復(fù)合中心
有的車削中心在回轉(zhuǎn)刀架上安裝了第二主軸和砂輪軸。在第二主軸上也可安裝齒輪刀具加工軸齒輪和蝸輪，甚至可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。
1.1.5磨削復(fù)合加工中心
上海機(jī)床廠有限公司開(kāi)發(fā)的H405-BE型數(shù)控復(fù)合磨床，采用西門子數(shù)控系統(tǒng)分別控制砂輪架和工作臺(tái)進(jìn)給，頭架主軸旋轉(zhuǎn)和砂輪架旋轉(zhuǎn)，具有外圓磨削和砂輪架自動(dòng)分度等功能。一次裝卡可完成內(nèi)外圓和端面自動(dòng)循環(huán)磨削。
1.2工藝復(fù)合
工藝復(fù)合加工在國(guó)內(nèi)還不多見(jiàn)。沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)SCHIESS公司開(kāi)發(fā)的VTM3501立式車銑磨及激光淬火復(fù)合加工中心�？蓪�(shí)現(xiàn)車、鏜、鉆、攻絲、銑、磨及激光淬火等加工。該機(jī)床把冷加工工藝和熱加工工藝復(fù)合在一起，大幅提高了生產(chǎn)效率。
據(jù)有關(guān)資料顯示，1臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心或多工序復(fù)合加工中心比三聯(lián)動(dòng)加工中心能提高生產(chǎn)效率1倍以上。多軸聯(lián)動(dòng)和復(fù)合加工不但能提高生產(chǎn)效率，而且減少了二次安裝誤差，提高了精度和質(zhì)量。國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心和多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工中心，但有些屬重大攻關(guān)產(chǎn)品還有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。
2高速化
為實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工高速化，傳動(dòng)系統(tǒng)采用直驅(qū)技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)采用高速運(yùn)算處理技術(shù)。
2.1直驅(qū)技術(shù)
為了提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)部件逐步采用直驅(qū)技術(shù)。主軸采用電主軸直驅(qū)，進(jìn)給采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用力矩電機(jī)直驅(qū)，五軸聯(lián)動(dòng)的擺角萬(wàn)能頭采用力矩電機(jī)直驅(qū)等。
早在2000年以前，我國(guó)就開(kāi)始了直驅(qū)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。目前山東博特精工股份有限公司和洛軸研科技股份有限公司都能生產(chǎn)和供應(yīng)電主軸系列產(chǎn)品，北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司也開(kāi)發(fā)了直線電機(jī)。用戶對(duì)以上產(chǎn)品性能和技術(shù)指標(biāo)反應(yīng)良好，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有差距。
目前，國(guó)外先進(jìn)的電主軸單元轉(zhuǎn)速可達(dá)15000~100000r/min，一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機(jī)直驅(qū)的進(jìn)給部件既要求速度高，還要求有高的加減速功能�？焖僖苿�(dòng)速度可達(dá)60~200m/min，加速度達(dá)2g~10g;工作進(jìn)給可高達(dá)60m/min以上，加速度達(dá)1g~2g。采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動(dòng)的進(jìn)給部件的進(jìn)給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g;一般情況下，進(jìn)給速度為30m/min左右。直驅(qū)比用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給速度提高了1倍以上，從而減少了輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但還需進(jìn)一步降低成本和解決發(fā)熱問(wèn)題。
目前，我國(guó)一些廠家開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床已采用了直驅(qū)技術(shù)。如濟(jì)南二機(jī)床開(kāi)發(fā)的XHV2525×60高架式五軸聯(lián)動(dòng)高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。北京機(jī)電院開(kāi)發(fā)的XKR32G五軸聯(lián)動(dòng)加工中心工作臺(tái)的2個(gè)回轉(zhuǎn)軸采用力矩電機(jī)直驅(qū)，XKH800五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心的主軸采用電主軸直驅(qū)等。國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床采用直驅(qū)技術(shù)還處于初級(jí)階段，還不普遍，在性能方面還存在一定差距。而德國(guó)DMG公司每年生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床中有1500多臺(tái)采用了直驅(qū)技術(shù)。德國(guó)巨浪公司生產(chǎn)的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r/min，換刀時(shí)間低于0.6s，進(jìn)給加速度達(dá)1g~2g，快速進(jìn)給速度可達(dá)90m/min，工件交換時(shí)間為2s。
2.2數(shù)控系統(tǒng)高速運(yùn)算處理技術(shù)
高速直驅(qū)進(jìn)給要求數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑加(減)速優(yōu)化程序段預(yù)處理能力。較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)可預(yù)處理幾千和幾萬(wàn)個(gè)程序段。在多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)可根據(jù)預(yù)處理緩沖區(qū)的G代碼進(jìn)行加減速優(yōu)化處理。為保證加工速度，第六代數(shù)控系統(tǒng)每秒可進(jìn)行2000~10000次進(jìn)給速度改變。
3智能化
為追求數(shù)控機(jī)床加工效率和加工質(zhì)量，數(shù)控系統(tǒng)不但有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、自學(xué)習(xí)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)戎悄芑δ�，并有故障診斷專家系統(tǒng)，使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨于完善。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能化，能自動(dòng)感知負(fù)載變化，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。
國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)正在努力朝智能化方向發(fā)展，引入了一些智能化技術(shù)。比如華中的“中華8型”和凱恩帝K1000TIV型等，數(shù)控系統(tǒng)都具有自診斷功能、狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示和故障實(shí)時(shí)報(bào)警等智能化功能，并都在進(jìn)一步豐富和完善智能化技術(shù)。
國(guó)外如西門子、發(fā)那科、三菱生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)融入的智能化技術(shù)更為豐富。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)與之相比還有不少差距。如西門子的SINUMERIK828DBASICM具有圓柱形零件加工智能坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，具有SINUMERIKMDynamics工藝包，含有全部“精優(yōu)曲面”功能，可以實(shí)現(xiàn)高效加工和獲得加工最佳表面質(zhì)量。發(fā)那科的Oi-D和OiDMate具有有輪廓智能控制功能、30i/31i/32i/35i-MODELB系列數(shù)控系統(tǒng)是最新的人工智能納米級(jí)系統(tǒng)，能靈活地支持鏜銑加工中心、數(shù)控車床多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工機(jī)床等。智能化技術(shù)對(duì)于提高數(shù)控加工機(jī)床生產(chǎn)效率有極大的貢獻(xiàn)率，必須重視。
4開(kāi)放化和網(wǎng)絡(luò)化
數(shù)控裝置的開(kāi)放化可以更容易地實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化制造，有效地促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。
4.1開(kāi)放化
開(kāi)放式數(shù)控裝置是指硬件、軟件和總線對(duì)用戶是開(kāi)放的。開(kāi)放式數(shù)控裝置最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有更好的通用性、靈活性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以滿足用戶二次開(kāi)發(fā)的要求。
4.1.1NC和CNC概念及開(kāi)放化
目前，數(shù)控裝置主要有NC和CNC2種。由硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置被稱為NC裝置;由計(jì)算機(jī)硬件和軟件共同組成的數(shù)控裝置被稱為CNC數(shù)控裝置。硬件是軟件運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，軟件是整個(gè)CNC運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)的靈魂。NC正逐步被CNC所取代。
CNC數(shù)控裝置硬件除具有CPU、EPROM、RAM外，還有位置控制器、手動(dòng)輸入(MDA)接口、顯示(CRT)接口和PLC接口等，因此CNC數(shù)控裝置是一種專用計(jì)算機(jī)。
CNC軟件分為管理軟件和控制軟件2種。管理軟件用于管理零件程序的輸入輸出、刀具位置系統(tǒng)參數(shù)、零件程序顯示、機(jī)床狀態(tài)故障診斷及報(bào)警等。控制軟件由譯碼、插補(bǔ)、運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、速度控制、位置控制等軟件組成。
現(xiàn)代開(kāi)放式數(shù)控裝置主要是在PC機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的CNC數(shù)控裝置。我國(guó)“華中8型”數(shù)控裝置采用了基于多處理器的開(kāi)放式軟硬件體系結(jié)構(gòu)和自主創(chuàng)新的總線技術(shù)。硬件跨平臺(tái)，軟件可以置換，具有軟硬件多層次開(kāi)放功能。北京凱恩帝的K1000TIV數(shù)控裝置采用開(kāi)放式PLC，提供調(diào)試軟件支持用戶二次開(kāi)發(fā)。廣州數(shù)控的GSK25i數(shù)控裝置也采用了開(kāi)放式PLC，支持PLC梯形圖在線編輯、診斷及信號(hào)跟蹤功能。
4.1.2標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范
能否實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的開(kāi)放化與建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范密切相關(guān)。數(shù)控技術(shù)誕生50多年來(lái)，信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G、M代碼描述如何加工。顯然，該標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的要求。
歐美和日本等國(guó)家在20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究制定了開(kāi)放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)，開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式數(shù)控裝置并作為發(fā)展戰(zhàn)略。我國(guó)于2000年也開(kāi)始研究并制定了開(kāi)放式數(shù)控裝置規(guī)范框架，但還很不完善。
4.2網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)絡(luò)化有利于信息共享和提高生產(chǎn)效率。有資料介紹在多品種小批量生產(chǎn)中，1臺(tái)數(shù)控機(jī)床用于切削的時(shí)間只占機(jī)動(dòng)時(shí)間的25%~35%，聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)后，可以提高到60%~65%。
數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，主要是指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)首先面向企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，然后再經(jīng)因特網(wǎng)向企業(yè)外部傳輸。這就是所謂的Internet/Intranet。網(wǎng)絡(luò)可使企業(yè)與企業(yè)之間進(jìn)行跨地區(qū)協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、信息共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷和服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)能為制造提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將加工程序傳給遠(yuǎn)方的機(jī)床進(jìn)行加工，也可遠(yuǎn)程診斷并發(fā)出指令調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)使各地分散數(shù)控機(jī)床聯(lián)系在一起，互相協(xié)調(diào)，統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)整，使產(chǎn)品加工不局限于一個(gè)工廠內(nèi)而實(shí)現(xiàn)社會(huì)化生產(chǎn)。
我國(guó)的機(jī)械制造企業(yè)信息化集成的發(fā)展也比較快，實(shí)現(xiàn)了車間級(jí)和企業(yè)級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)集成。數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展前景廣闊，但真正實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)、跨地區(qū)的信息化網(wǎng)路還有很長(zhǎng)的路要走。
5優(yōu)化工藝參數(shù)提高效率
數(shù)控加工采用的工藝參數(shù)是否合理，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量非常重要，必須逐步進(jìn)行優(yōu)化并建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。
優(yōu)化工藝參數(shù)有2種方法。一種是通過(guò)實(shí)際試切來(lái)選擇合理的工藝參數(shù)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)材料;另一種方法是應(yīng)用力學(xué)動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真方法，比第一種方法省時(shí)、省力、省材料，同樣可以獲得較合理的工藝參數(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，還可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整。
航空行業(yè)是數(shù)控機(jī)床的大用戶，對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)、建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中有急切的需求。因此，由政府支持組織北京航空航天大學(xué)和中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開(kāi)展優(yōu)化工藝參數(shù)技術(shù)攻關(guān)。以上單位開(kāi)發(fā)了一整套工藝參數(shù)力學(xué)動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真、預(yù)測(cè)和數(shù)字化軟硬件系統(tǒng)，建立了優(yōu)化工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了優(yōu)化高速切削工藝參數(shù)手冊(cè)，從根本上實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)選擇從試切到仿真的跨越，提高了加工效率和質(zhì)量。這是一項(xiàng)意義重大而又深遠(yuǎn)的工作。
陜西飛機(jī)制造公司在近100項(xiàng)零件加工上應(yīng)用了優(yōu)化的工藝參數(shù)，平均加工效率提高了2倍以上;望江工業(yè)有限公司在火炮零件加工中采用優(yōu)化工藝參數(shù)，效率提高了4倍以上;昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))公司采用優(yōu)化工藝參數(shù)加工鋁合金零件，效率提高了2.8倍以上。
西門子828D數(shù)控系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)工藝包(Dynmics)，含有全新的“精優(yōu)曲面”功能，可以實(shí)現(xiàn)高效加工并獲得最佳表面質(zhì)量。
我國(guó)數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該提供這方面的技術(shù)和服務(wù)。采用工藝優(yōu)化參數(shù)不但可以提高生產(chǎn)效率和提高加工質(zhì)量，而且對(duì)節(jié)省材料、節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色制造有著重要意義。
追求高精度高質(zhì)量
追求數(shù)控機(jī)床加工工件的高精度和高質(zhì)量。首先數(shù)控機(jī)床本身必須具有這樣的性能。為此，數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)和布局上，在材料選用上必須考慮到提高剛性和承載能力，以保證實(shí)現(xiàn)高精度;同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量傳感器等也必須具有高分辨率、高精度的性能，才能滿足加工工件高精度、高質(zhì)量的要求。
1結(jié)構(gòu)布局
為了實(shí)現(xiàn)功能和提高剛性，數(shù)控車床、車削中心、立式加工中心、臥式加工中心、龍門加工中心、車銑復(fù)合加工中心等在結(jié)構(gòu)布局方面發(fā)生了深刻變化。
例如，國(guó)內(nèi)有些廠家生產(chǎn)的立式加工中心和臥式加工中心，橫向坐標(biāo)采用立柱移動(dòng)，這樣減少了一層工作臺(tái)(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是雙層十字工作臺(tái))，提高了工作臺(tái)的剛性和承載能力;龍門加工中心從工作臺(tái)不動(dòng)、雙立柱移動(dòng)發(fā)展成橋式結(jié)構(gòu)，即工作臺(tái)固定，2個(gè)立柱做成固定式墻體，在墻體上面裝有導(dǎo)軌，橫梁在導(dǎo)軌上做縱向運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)減少了運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)慣性，有利于準(zhǔn)定位，減少了占地面積。
沈陽(yáng)機(jī)床生產(chǎn)的GMC2590μ橋式五軸加工中心、濟(jì)南二機(jī)床生產(chǎn)的XHV2525×60高架式五軸聯(lián)動(dòng)高速鏜銑加工中心、臺(tái)灣亞太菁英(股份)公司生產(chǎn)的跨軌式高速龍門加工中心，都采用了橋架式龍門框架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)布局合理、剛性好、承載能力強(qiáng)、受力均勻、熱平衡性好、精度穩(wěn)定、占地面積小。典型結(jié)構(gòu)布局形式如圖3所示。
2采用新材料提高剛性
用于數(shù)控機(jī)床的優(yōu)質(zhì)新材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，有利于提高數(shù)控機(jī)床整體剛性和精度，非常重要。
例如，寧波海天精工機(jī)械有限公司在生產(chǎn)的HTM-V120L數(shù)控立式車銑磨加工中心上采用了90%花崗巖成分聚合澆鑄的床身。據(jù)該廠介紹，該材料制成的床身比一般鑄鐵床身抗震強(qiáng)度增加10倍。
又如，大連科德公司在生產(chǎn)的TG-45型六軸(或五軸)聯(lián)動(dòng)數(shù)控刀具磨床的底座采用了人造石材。
據(jù)稱以上2家企業(yè)應(yīng)用了這兩種新材料，因其具有吸震性好、穩(wěn)定性好、耐磨等特點(diǎn)，為提高和保持機(jī)床精度提供了保證。
此外，還有資料顯示，蜂窩狀材料、水泥材料、天然花崗巖石材等也有用于數(shù)控設(shè)備的情況。重視新型材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，必然使機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能發(fā)生變革。
3高精度插補(bǔ)數(shù)控系統(tǒng)
高位數(shù)CPU(64位)在數(shù)控裝置上的應(yīng)用，高速納米級(jí)插補(bǔ)運(yùn)算、高分辨率伺服等功能為提高數(shù)控機(jī)床精度做出重要貢獻(xiàn)。
在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的CPU，從20世紀(jì)80年代的16位發(fā)展到現(xiàn)在的64位，其頻率也從原來(lái)的5MHZ、10MHZ提高到上千MHZ。CPU的發(fā)展進(jìn)一步提高了運(yùn)算速度和分辨率(0.1μm、0.01μm)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)始采用64位CPU，可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度插補(bǔ)，但與國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)相比還有距離。
例如，發(fā)那科30i/31i/32i/35iB系列數(shù)控系統(tǒng)、三菱M700V數(shù)控系統(tǒng)、西門子的828D數(shù)控系統(tǒng)為都是納米級(jí)插補(bǔ)或納米級(jí)運(yùn)算精度。
實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度插補(bǔ)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制分辨率和響應(yīng)能力是非常關(guān)鍵的。為此，在驅(qū)動(dòng)單元之中伺服電機(jī)軸上安裝高精度傳感器(16×106線/轉(zhuǎn))，在閉環(huán)系統(tǒng)中采用高分辨率(1μm)的光柵尺，可使小型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件定位精度達(dá)到2~3μm。一般情況下，國(guó)產(chǎn)小型數(shù)控機(jī)床還達(dá)不到這樣的水平。
結(jié)束語(yǔ)
只有組成數(shù)控設(shè)備的各種部件(包括軟硬件)技術(shù)都卓越，整體綜合性能才能卓越，才能實(shí)現(xiàn)加工的高生產(chǎn)率、高精度、高質(zhì)量。而且，每個(gè)部件都有保證生產(chǎn)效率和質(zhì)量的功能，只是貢獻(xiàn)率不同而已。本文只介紹了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)重要方面，不夠全面。
要特別強(qiáng)調(diào)的是，今后要特別重視新工藝的研究與創(chuàng)新，從而促進(jìn)數(shù)控產(chǎn)品的創(chuàng)新;要特別重視數(shù)控加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和建立數(shù)據(jù)庫(kù)的工作，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。要特別重視新材料的研究與應(yīng)用，以提高數(shù)控機(jī)床性能;要特別重視數(shù)控技術(shù)的智能化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，其前景廣闊。
以上強(qiáng)調(diào)的4個(gè)特別，政府應(yīng)大力支持，數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和機(jī)械制造企業(yè)應(yīng)特別重視，要不懈地努力工作，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展從跟隨變?yōu)轭I(lǐng)跑。
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