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数控机床现状及发展趋势简析

时间:2015-12-02  作者:吴 波周云龙

摘要:本文结合世界上数控机床的现状提出了如:高精度与高可靠性、高速加工与高效率、高柔性化、绿色化、智能化、数字制造等一系列数控机床的发展趋势,并针对各个发展趋势环节做以细致分析归纳。
论文关键词:先进制造技术,数控机床,发展趋势,现状

先进制造技术作为世界上支撑工业行业发展的最主要因素之一,已经放在了各工业大国发展规划的首要位置。数控机床作为先进制造技术的工作母机,不仅被高端的航空、航天行业所认可,还普及应用到工业加工中的各个方面。各类工业制造企业在提高原有数控技术的基础上,还对数控系统新技术的研发提出了更高的设想。故本文将对当今世界上数控技术及装备的现状和发展趋势做以如下简析。

1 高精度与高可靠性

1.1 高精度

由于航天、航空等高端工业行业对产品精密度要求的不断提高,促使当前世界各工业大国的精密加工阶跃到超精密加工阶段,其加工精度从微米级到亚微米级乃至纳米级。一般的数控机床是通过高速主轴和高速坐标驱动来实现上述加工精度要求的。

1.1.1 高速主轴

高速主轴是高速机床中最为关键的部件,高速主轴多采用电机和主轴一体化设计的高速电主轴(HSES)或复合电主轴。轴承作为电主轴的关键部件,它决定了电主轴的寿命和负载容量。高质量的钢轴承现仍有使用,但随主轴转速需求的不断提高,出现了一些新结构、新材料的高速应用轴承,如混合球轴承、磁浮、气浮和液体静动压轴承等。[1]

高主轴转速并不是高速加工的全部。而对电主轴的大功率、高转矩和高刚性的需要也应考虑在内,同时还应能控制主轴的温升等。由于用户的不断需求推动了主轴制造技术的进步,也将引导主轴制造技术向轻结构、高强度、高刚性、良好的动平衡和热控制方向继续发展。

1.1.2 高速坐标驱动

高速高精加工机床的进给驱动,一般要求容易移动,快速响应,准确定位和具有高重复定位精度。故采用轻质结构溜板、线性导轨和直线伺服电机驱动具有十分重要得意义。

目前,直线伺服电机己被公认为未来机床坐标驱动的最佳形式,但由于其价格、散热及磁场对周围灰尘和切屑的吸附作用等原因,非常广泛被应用还得经过一段时间,但这也正是未来发展的研究改进方向。

1.2 高可靠性

可靠性在成为数控机床的质量的一个衡量标准之后,就自然而然的变成数控行业发展的重要环节。数控机床的可靠性取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性。数控系统将采用更高集成度的电路芯片,利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路,以减少元器件的数量,提高可靠性。机床本体可靠性的提高可通过硬件功能软件化,适应各种控制功能的要求,同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化,既提高硬件生产批量,又便于组织生产和质量把关。

2 高速加工与高效率

数控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。数控系统采用位数、频率更高的处理器,以提高系统的基本运算速度。同时,采用超大规模的集成电路和多微处理器结构,以提高系统的数据处理能力,即提高插补运算的速度和精度。 [2]

3 多功能与柔性化

3.1 多功能

在现实的零件加工过程中,有大量的无用时间消耗在工件搬运、装卸、调整、换刀和主轴的升降速上,为了尽可能减少这些无用时间,人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上。因此多功能复合型机床的产生实现了工序的集约化。主要表现在数控机床配有自动换刀机构,能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工;数控机床还采用了多主轴、多面体切削,即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工;数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式,即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制,实现所谓的“前台加工,后台编辑”。故多功能机床成为近年来发展很快的机种。

3.2 柔性化

数控机床向柔性自动化系统发展,一方面是从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC,FMS,FTL,FML)向面(工段车间独立制造岛)、体(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。开放式体系结构的新一代数控系统,作为柔性自动化系统的引申,具有可移植性、互操作性、互交换性、可扩展性、可比例换算、可重用性等优点,它使机器制造商能够并敢于为他们专门的自动化设计优化选配组件,从而在短的时间内实现创造性设计。

4 绿色化与多轴化

21世纪要实现数控机床切削加工环保化和节能化,就必须对加工工艺进行绿色化改进。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上,因为切削液既污染环境又危害操作者健康。于是我们采用干切削,就是在一般的大气氛围或在特殊气体氛围氮气、冷风中进行,而不使用切削液进行的切削。不过,对于某些加工方式和工件组合,完全不使用切削液的干切削尚难于实现,所以又出现了使用极微量润滑的准干切削。

随着编程软件的普及,五轴联动控制的加工中心和数控铣床己经成为当前的一个开发热点。由于在加工自由曲面时,五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三维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率。

5 智能型

随着无人加工的普及应用智能化加工的发展成为必然,人工智能化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。目前人工智能化主要表现在数控系统以下几个方面:①为追求加工效率和加工质量的智能化。②为提高驱动性能及使用连接方便的智能化。③简化编程、简化操作的智能化。④智能诊断、智能监控,方便系统的诊断及维修等。

6 向大型化和微小化两极发展

能源装备的大型化及航空航天事业等的发展,要求提供300t以上的巨型、高精度、高质量的锻件,需要建造6~8万t的模锻压机及重型加工中心,这就导致了数控机床的大型化发展。

微米纳米技术是21世纪的战略性技术,微系统技术是微米纳米技术的一部分,是集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路、通信和电源于一体的微型器件系统。所以,需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。

7 工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现

随着机械产品的性能优化和轻量化,其零件和构件的形状、尺寸和精度呈现多样性,很难用少数几种标准的、通用的机床结构来最佳地满足多方面的工艺要求。通过对机床布局和结构的创新,使对不同类型的零件加工具有最佳的适用性,避免一方面出现不能发挥最佳性能,另一方面又存在功能冗余的现象。[3]

8 结语

数控机床技术的进步和发展为现代制造业的发展提供了良好的条件,促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可以预见,随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用,制造业将迎来一次足以撼动传统制造业模式的深刻革命。


参考文献:
[1]林胜,林春庭.高速数控机床现状和发展趋势[J].精密制造与自动化.2004年第1期:5-8.
[2]曾文健,罗庆红,张红娟.基于数控机床新技术发展趋势的初探[J].广西职业技术学院学报.2009年4月:13-15.
[3]张新喜,李伟波,李宁.浅谈数控机床发展趋势[J].农机使用与维修.2008年第6期:73-74.

 

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