数控机床发展 15页

数控机床的发展趋向长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。数控机床的发展过程从1952年美国麻省理工学院研制出熬头台试验性数控系统，到现在已走过了46年过程。数控系统由当初的真空管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式——小型集成电路式——大规模集成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数控系统。到80年代，总体发展趋向是：数控装置由NC向CNC发展；广泛采用 32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功效升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化标的目的发展；CNC装置向人工智能化标的目的发展；采用新型的自动编程系统；加强通信功效；数控系统可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功效越来越完善，使用越来越利便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台套。、随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。   高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。   高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。   高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。   高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。   模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。    我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：1．加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。2．跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3．加大成套设计开发能力上求突破。4．发挥服务优势，扩大市场占有率。5．多品种制造，满足不同层次的用户。6．模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。   随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。   高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。   高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。   高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。   高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。    模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。   我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：1．加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。2．跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3．加大成套设计开发能力上求突破。4．发挥服务优势，扩大市场占有率。5．多品种制造，满足不同层次的用户。6．模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。 参考文献［1］中国机床工具工业协会数控系统分会.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001：13－17.［2］杨学桐，李冬茹，何文立，等？距世纪数控机床技术发展战略研究［M］.北京：国家机械工业局，200 1数控技术的发展趋势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，他对国计民生的一些重要行业（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。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。1．1高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12！000r/mm和1g。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10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 2对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及型）也达到了10％。纵观我国数控技术近50年的发展历程，非凡是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。a.奠定了数控技术发展的基础，基本把握了现代数控技术。我国现在已基本把握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c.建立了一支数控研究、开发、治理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地熟悉到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。a.技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则更大。b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a.熟悉方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点熟悉不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。3对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要把握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非把握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。3.2发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、 高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。参考文献：［1］中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001：18－20.［2］梁训王宣，周延佑.机床技术发展的新动向［J］.世界制造技术与装备市场，2001：21－28.［3］中国机床工具工业协会数控系统分会.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001：13－17.［4］杨学桐，李冬茹，何文立，等？距世纪数控机床技术发展战略研究［M］.北京：国家机械工业局，2000.　从1952年第一台数控机床在美国问世，至今已有40多年的历史，计算机数控（CNC）从70年代中期出现，到现在也已有20多年了，数控技术日趋成熟。特别是近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与CNC技术的紧密结合，使得开发和生产CNC系统的技术被越来越多的自动化装备生产厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，CNC技术已经不再被少数几个国家的几个CNC系统生产厂所垄断。到80年代末，几乎每个工业发达的国家都有了自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产 品，并部分出售数控系统。因此，CNC系统生产厂之间的竞争为激烈，数控技术的发展进入了新的阶段。　　当代数控技术的发展具有下述特点：　　1．广泛地应用微机资源　　近年来被称为个人计算机（PC）的微型计算机发展很快，大规模集成电路制造技术的高速发速，使得PC的硬件结构做得很小。主CPU的运行速度越来越高。IPC386的主频是33MHz，IPC486、586的主频可达50～120MHz，新近Intel奔腾处理器（Pentium），主频已达450MHz。存储器容量也很大，体积很小，由于是大批量生产，使成本下降，可靠性提高。　　在软件方面，操作系统的发展，特别是Windows的应用，使得PC的操作更为简便直观。CAD/CAM的软件大量地由小型机、工作站向PC移植，三维图显示及工艺数据库在PC上建立。再加上PC的开放性，吸引大量技术人员投入了软件的开发，使得PC的软件资源极为丰富。　　因此，更好地利用PC的软、硬件资源，就成为各国数控设备生产厂发展CNC系统十分重要的一种方法。1992～1993年，首先是在美国及欧洲的一些小型的数控设备厂推出，例如美国的ANILAN公司推出的1100、1200、1400系列，意大利FIDIA公司的10/20/30系列，都采用了PC作为基板来开发自己的数控系统。现在连日本FANUC、三菱公司， 德国的SIEMENS公司这些以生产专用CNC设备著称的公司，也都把采用PC资源，作为其发展的一个重要方向。他们都强调自己系统的“开放”。日本FANUC公司把采用PC的CNC系统称之为开放型CNC系统，有150、160、180及210等系列，并正发展一种将FANUC智能终端（一种与IBM PC兼容的平板式计算机）通过高速光缆与CNC装置连接的模式。　　我国中国珠峰数控公司“八五”攻关成果“中华Ⅰ型（CME988）”也采用PC作为主控板，使该系统能充分利用PC的资源，跟随PC的发展而升级。　　2．小型化以满足机电一体化的要求　　随着微电子技术的发展，大规模集成电路的集成度越来越高，体积越来越小。数控设备厂采用超大规模集成电路并采用表面安装工艺（SMT），实现了三维立体装配，将整个CNC装置做得很小，以适应机械制造业机电一体化的要求。　　日本三菱电机株式会社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及实用型CNC MELDAS 520A系列，这两个系列都采用了32位RISC微处理器，实现超小型化的CNC装置，较原来的M310及L3、L3A，体积大为减小（H168mm×W76mm×D135mm），安装面积减小了一半，功能还有所提高。　　采用了超薄型显示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。这个系统的微小线段加工 能力提升至64m/min，最大快速进给速度为240m/min，其同步攻螺纹精度较M310提高了3倍，主轴定位时间缩短了30%。德国SIEMENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控组件选用386DX或486DX，具有1～4个通道，可实现直线及圆弧插补、螺旋线插补、5轴螺旋线插补及样条插补、圆柱插补等，共可控制32个轴，并有多种校正及补偿功能，体积仅为50mm×316mm×207mm。　　3．改善人机接口，方便用户使用　　为了使操作者能很容易地掌握数控机床的操作，数控设备生产厂努力地改善人机接口，简化编程，尽量采用对话方式，使用户使用方便，如西班牙FAGOR公司生产的FAGOR 8050系列，采用交互式编辑程序指导系统，简化程序的编辑，用简要的表格编辑程序，利用蓝图建立程序。其8050TC型数控系统，被称为高档傻瓜式数控系统（FAGOR800系列CNC系统），其操作面板使用了符号键，用户可以根据所需加工零件，选择加工程序，输入图形数据后，即可实现半自动或全自动加工。如果面板上的各种自动操作都没有被选上，则该CNC系统只显示坐标轴的位置值和主轴转速，操作者可以用摇柄或电子手轮对机床的各个轴进行手动操作，使用极为方便。　　4．提高数控系统产品的成套性　　数控系统包括CNC装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关 的。为了满足机床用户厂的需要，数控设备生产厂都非常重视数控产品的成套性，使系统的各个环节都能很好地匹配，使用户获得最好的使用效果。　　例如，日本FANUC公司开发了经济型的O-TD、O-MD CNC装置，与之相适应也开发了经济型的αC系列的效流伺服电动机及控制系统。日本大隈（OKUMA）公司，是一个传统的机床厂，现在也开发、生产并销售数控系统，作为一个机床厂生产数控系统，所以更重视机电一体化及产品成套性。该公司生产数控系统在软件上更结合机械加工的工艺要求，硬件上还自行开发了绝对位置编码器、无刷伺服电动机、交流主轴电动机、光栅尺等元件，同时还提供机床控制面板及控制柜、自动编程装置，为用户提供交钥匙工程。　　5．研究开发智能型数控系统　　　所谓智能型的数控系统，早在80年代初期已经开始研究。当时FANUC公司推出的FS15系列，就称之为AI（人工智能）CNC系统，主要是在故障诊断方面采用了专家系统。系统利用所谓的推理软件，根据存储在系统中的知识库的经验，分析及查找故障原因。最近FANUC公司又在开展被称为面向21世纪的课题—IMS（Intelligent Manufacturing Systems），将无缝地（Seamless）把世界范围熟练工人的技术窍门（Know how）组合进行生产系统中去。　　随着工业技术发展，要求制造过程更快、更容易，以适应生产需要，一种被称为智能闭环加工（Intelligent Closed-Loop Processes ICLP）技术被采用。这种技术是利用传感 器获得适时的信息，以增强制造者取得最佳产品的能力。　　6．根据市场需要，开发适销对路的数控产品　　德国SIEMENS公司在我国建立的合资企业—西门子数控（南京）有限公司，在1997年推出了SINUMERIK 802S。这种系统除采用G代码编程外，还有图形循环支持功能，通过软件键来进行转换。采用15.24cm（6in）彩色液晶显示，并采用两台步进电动机作为驱动单元，驱动力矩为3.5～12N.m，价格在3万元左右。这是西门子公司为占领中国市场所做的努力。　　7．开发新的数控产品　　随着机械加工技术的发展，对数控机床的性能要求越来越高，迫切地需要开发一些新的机电一体化数控产品来适应及满足这些要求。　　例如，铝合金材料的大量采用，要求进行高速切削，以实现高的精度及低的表面粗糙度的要求，数控车床及加工中心主轴转速要求提高到10000～20000r/min，这对采用传统的机械传动是很难实现的。因此，将电动机的电枢直接与机床的主轴做成一体的“电动主轴”，就成为生产中急需的产品。目前，日本的FANUC公司、NSK公司，瑞士的IBAG公司，意大利的GANFIOR公司都在开发生产这种新产品。 　　同样，为了实现高速移动，要求开发“直线电动机”，用以直接带动工作台直线运动。日本FANUC公司生产的直线电动机，移动速度可以达到100m/min。日本的THK公司，德国的INDRAMAT公司、SIEMENS公司都在开发及生产这类产品。　　综上所述，数控技术的发展是与现代计算机技术、电子技术发展同步的，同时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术已经成熟，发展将更深更广更快。未来的CNC系统将会使机械更好用，更便宜。