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不斷追求高質(zhì)量和高效率是機械制造業(yè)研究的永恒主題和目標，是促進其工藝裝備發(fā)展的源動力。工藝要求和變革是機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)。

 

國產(chǎn)數(shù)控機床走過了50年發(fā)展的漫長歷程，在近10年來得到了較快發(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，有效地促進了數(shù)控機床的發(fā)展。

目前，國產(chǎn)數(shù)控機床可供品種達1500多種，覆蓋了數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控板材加工機床(數(shù)控沖壓機床、數(shù)控激光加工機床、火焰切割機床等)、數(shù)控電加工機床、工業(yè)機器人、三坐標測量機等，種類基本齊全。2010年數(shù)控金屬切削機床保有量約為150萬臺(其中進口超過40萬臺)，僅金屬切削機床的年產(chǎn)量就超過了16萬臺、2011年1~10月份累計達到21.8萬臺、全年可達到25萬臺左右。國產(chǎn)品牌數(shù)控機床的數(shù)量和價值占國內(nèi)市場50%以上。在代表先進技術(shù)水平的五軸聯(lián)動和復合加工中心、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展。本文主要圍繞數(shù)控技術(shù)發(fā)展與差距展開討論。

 

追求高生產(chǎn)率

為了追求機械制造的高生產(chǎn)率，促進數(shù)控設(shè)備向加工復合化(工序復合和工藝復合)、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 復合化

數(shù)控機床復合加工，主要指工序集中化、復合化和工藝復合化。

1.1工序集中化、復合化

自從20世紀70年代末，隨著三聯(lián)動加工中心開始用于機械制造，開始進入機械加工工序集中化時代。20世紀80年代，我國自制的三聯(lián)動加工中心也開始在機械制造中得到應(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年是我國數(shù)控機床發(fā)展最快的時期。在此期間，自主開發(fā)了五軸聯(lián)動加工中心、車銑復合加工中心、車銑磨復合加工中心和磨削復合加工中心等。有的國內(nèi)制造廠商已經(jīng)能夠提供五軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動復合加工中心等，但有一些是屬于重大專項攻關(guān)產(chǎn)品，有待進一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

1.1.1五軸聯(lián)動加工中心

國內(nèi)生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心的廠家正在不斷增加。如沈陽機床(000410)廠生產(chǎn)的GMC2590μ橋式五軸聯(lián)動加工中心、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;大連機床產(chǎn)生的VDM500五軸立式加工中心;北京機電院生產(chǎn)的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心和XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心;濟南二機床生產(chǎn)的XV2525×60高架式五軸聯(lián)動加工中心等都能實現(xiàn)一次安裝完成零件的銑、鏜、鉆、鉸、攻絲等多道工序。

開發(fā)五軸聯(lián)動加工中心有2個關(guān)鍵核心部件技術(shù)難度較大，一個是雙擺角萬能加工頭;一個是雙軸回轉(zhuǎn)臺(見圖2)。這2種部件國內(nèi)廠商也已開發(fā)出來，但有待進一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用于大型機床，雙擺軸回轉(zhuǎn)臺用于小型機床。目前這2種部件都采用直驅(qū)力矩電機，并裝有編碼器，以提高動態(tài)性能和精度。

雙擺角萬能加工頭技術(shù)難度更大一些。國內(nèi)某廠商開發(fā)的一種直驅(qū)雙擺角萬能頭的主要參數(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);

絕對編碼器分辨率：26位、29位(可選);

擺角范圍：A軸±110°、C軸±360°。

我國還沒有形成雙擺角萬能頭系列化商品，而國際上像德國CYTEC公司可以供應(yīng)系列化商品。

1.1.2車銑復合加工中心

車銑復合加工中心既有在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，也有在立式加工中心基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。如南京數(shù)控機床有限公司生產(chǎn)的CK1840S型車銑復合加工中心是在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。該機床具有雙主軸、雙刀架、雙C軸和W軸，共7軸，分為二組三聯(lián)動全閉環(huán)控制。其中C軸分辨率達到0.001°。該機床對回轉(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臺車銑復合加工中心能完成2臺數(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。安陽鑫盛機床股份有限公司生產(chǎn)的CX110立式車銑復合加工中心，是在立式加工中心基礎(chǔ)上增加車削裝置開發(fā)出來的。該機床具有車、鏜、銑、鉆、鉸、攻絲等功能，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動的五面加工。此外大連機床開發(fā)的VHT800五軸聯(lián)動車銑復合加工中心、CHD25五軸聯(lián)動車銑復合加工中心;武漢重型機床集團公司開發(fā)的WHGS7000車銑復合加工中心等，也都能實現(xiàn)零件一次裝卡，完成復雜結(jié)構(gòu)和復雜型面零件的多道工序加工。

1.1.3車銑磨復合加工中心

寧波海天精工(601882)機械有限公司開發(fā)的HTM-V120L數(shù)控立式車銑磨復合加工中心，工件一次裝卡可完成車、銑、磨多道工序，還可進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，甚至可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動，用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。

1.1.5磨削復合加工中心

上海機床廠有限公司開發(fā)的H405-BE型數(shù)控復合磨床，采用西門子數(shù)控系統(tǒng)分別控制砂輪架和工作臺進給，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分度等功能。一次裝卡可完成內(nèi)外圓和端面自動循環(huán)磨削。

1.2工藝復合

工藝復合加工在國內(nèi)還不多見。沈陽機床集團SCHIESS公司開發(fā)的VTM3501立式車銑磨及激光淬火復合加工中心。可實現(xiàn)車、鏜、鉆、攻絲、銑、磨及激光淬火等加工。該機床把冷加工工藝和熱加工工藝復合在一起，大幅提高了生產(chǎn)效率。

據(jù)有關(guān)資料顯示，1臺五軸聯(lián)動加工中心或多工序復合加工中心比三聯(lián)動加工中心能提高生產(chǎn)效率1倍以上。多軸聯(lián)動和復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。國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心和多軸聯(lián)動復合加工中心，但有些屬重大攻關(guān)產(chǎn)品還有待進一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

 

2 高速化

為實現(xiàn)數(shù)控加工高速化，傳動系統(tǒng)采用直驅(qū)技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)采用高速運算處理技術(shù)。

2.1直驅(qū)技術(shù)

為了提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機床傳動部件逐步采用直驅(qū)技術(shù)。主軸采用電主軸直驅(qū)，進給采用直線電機驅(qū)動，回轉(zhuǎn)工作臺采用力矩電機直驅(qū)，五軸聯(lián)動的擺角萬能頭采用力矩電機直驅(qū)等。

早在2000年以前，我國就開始了直驅(qū)技術(shù)的研究與開發(fā)。目前山東博特精工股份有限公司和洛軸研科技(002046)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)有限公司也開發(fā)了直線電機。用戶對以上產(chǎn)品性能和技術(shù)指標反應(yīng)良好，但與國外先進水平相比還有差距。

目前，國外先進的電主軸單元轉(zhuǎn)速可達15000~100000r/min，一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機直驅(qū)的進給部件既要求速度高，還要求有高的加減速功能。快速移動速度可達60~200m/min，加速度達2g~10g;工作進給可高達60m/min以上，加速度達1g~2g。采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動的進給部件的進給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g;一般情況下，進給速度為30m/min左右。直驅(qū)比用滾珠絲杠驅(qū)動的進給速度提高了1倍以上，從而減少了輔助時間，提高了生產(chǎn)效率。直線電機驅(qū)動技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但還需進一步降低成本和解決發(fā)熱問題。

目前，我國一些廠家開發(fā)的數(shù)控機床已采用了直驅(qū)技術(shù)。如濟南二機床開發(fā)的XHV2525×60高架式五軸聯(lián)動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機驅(qū)動。北京機電院開發(fā)的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心工作臺的2個回轉(zhuǎn)軸采用力矩電機直驅(qū)，XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心的主軸采用電主軸直驅(qū)等。國內(nèi)數(shù)控機床采用直驅(qū)技術(shù)還處于初級階段，還不普遍，在性能方面還存在一定差距。而德國DMG公司每年生產(chǎn)的數(shù)控機床中有1500多臺采用了直驅(qū)技術(shù)。德國巨浪公司生產(chǎn)的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉(zhuǎn)速達40000r/min，換刀時間低于0.6s，進給加速度達1g~2g，快速進給速度可達90m/min，工件交換時間為2s。

2.2數(shù)控系統(tǒng)高速運算處理技術(shù)

高速直驅(qū)進給要求數(shù)控系統(tǒng)運算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑加(減)速優(yōu)化程序段預處理能力。較先進的數(shù)控系統(tǒng)可預處理幾千和幾萬個程序段。在多軸聯(lián)動控制時可根據(jù)預處理緩沖區(qū)的G代碼進行加減速優(yōu)化處理。為保證加工速度，第六代數(shù)控系統(tǒng)每秒可進行2000~10000次進給速度改變。

 

3 智能化

為追求數(shù)控機床加工效率和加工質(zhì)量，數(shù)控系統(tǒng)不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學習控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)戎悄芑δ埽⒂泄收显\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)動系統(tǒng)智能化，能自動感知負載變化，自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。

國產(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)實時顯示和故障實時報警等智能化功能，并都在進一步豐富和完善智能化技術(shù)。

國外如西門子、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)動復合加工機床等。智能化技術(shù)對于提高數(shù)控加工機床生產(chǎn)效率有極大的貢獻率，必須重視。

 

4 開放化和網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)控裝置的開放化可以更容易地實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化制造，有效地促進生產(chǎn)效率的提高。

4.1開放化

開放式數(shù)控裝置是指硬件、軟件和總線對用戶是開放的。開放式數(shù)控裝置最主要的優(yōu)點是具有更好的通用性、靈活性、適應(yīng)性和可擴展性，可以滿足用戶二次開發(fā)的要求。

4.1.1NC和CNC概念及開放化

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;由計算機硬件和軟件共同組成的數(shù)控裝置被稱為CNC數(shù)控裝置。硬件是軟件運行的物理基礎(chǔ)，軟件是整個CNC運行和功能實現(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)控裝置是一專用計算機。

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、機床狀態(tài)故障診斷及報警等。控制軟件由譯碼、插補、運算、刀具補償、速度控制、位置控制等軟件組成。

現(xiàn)代開放式數(shù)控裝置主要是在PC機平臺上開發(fā)的CNC數(shù)控裝置。我國“華中8型”數(shù)控裝置采用了基于多處理器的開放式軟硬件體系結(jié)構(gòu)和自主創(chuàng)新的總線技術(shù)。硬件跨平臺，軟件可以置換，具有軟硬件多層次開放功能。北京凱恩帝的K1000TIV數(shù)控裝置采用開放式PLC，提供調(diào)試軟件支持用戶二次開發(fā)。廣州數(shù)控的GSK25i數(shù)控裝置也采用了開放式PLC，支持PLC梯形圖在線編輯、診斷及信號跟蹤功能。

4.1.2標準與規(guī)范

能否實現(xiàn)數(shù)控裝置的開放化與建立技術(shù)標準和規(guī)范密切相關(guān)。數(shù)控技術(shù)誕生50多年來，信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G、M代碼描述如何加工。顯然，該標準越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的要求。

歐美和日本等國家在20世紀90年代就開始研究制定了開放式數(shù)控裝置的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)，開發(fā)了開放式數(shù)控裝置并作為發(fā)展戰(zhàn)略。我國于2000年也開始研究并制定了開放式數(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臺數(shù)控機床用于切削的時間只占機動時間的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)或上位機進行網(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)之間進行跨地區(qū)協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、信息共享、遠程監(jiān)控、遠程診斷和服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)能為制造提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，可以通過網(wǎng)絡(luò)將加工程序傳給遠方的機床進行加工，也可遠程診斷并發(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工廠內(nèi)而實現(xiàn)社會化生產(chǎn)。

我國的機械制造企業(yè)信息化集成的發(fā)展也比較快，實現(xiàn)了車間級和企業(yè)級信息網(wǎng)絡(luò)集成。數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展前景廣闊，但真正實現(xiàn)跨企業(yè)、跨地區(qū)的信息化網(wǎng)路還有很長的路要走。

 

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，必須逐步進行優(yōu)化并建立工藝數(shù)據(jù)庫。

優(yōu)化工藝參數(shù)有2種方法。一種是通過實際試切來選擇合理的工藝參數(shù)，費時、費力、費材料;另一種方法是應(yīng)用力學動態(tài)優(yōu)化仿真方法，比第一種方法省時、省力、省材料，同樣可以獲得較合理的工藝參數(shù)。在生產(chǎn)實踐中，還可以對這些參數(shù)進行合理的調(diào)整。

航空行業(yè)是數(shù)控機床的大用戶，對優(yōu)化工藝參數(shù)、建立工藝數(shù)據(jù)庫，并應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中有急切的需求。因此，由政府支持組織北京航空航天大學和中航工業(yè)北京航空制造工程研究所開展優(yōu)化工藝參數(shù)技術(shù)攻關(guān)。以上單位開發(fā)了一整套工藝參數(shù)力學動態(tài)優(yōu)化仿真、預測和數(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，形成了優(yōu)化高速切削工藝參數(shù)手冊，從根本上實現(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。這是一項意義重大而又深遠的工作。

陜西飛機制造公司在近100項零件加工上應(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;昌河飛機工業(yè)(集團)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)具有動態(tài)工藝包(Dynmics)，含有全新的“精優(yōu)曲面”功能，可以實現(xiàn)高效加工并獲得最佳表面質(zhì)量。

我國數(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，而且對節(jié)省材料、節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色制造有著重要意義。

 

追求高精度高質(zhì)量

追求數(shù)控機床加工工件的高精度和高質(zhì)量。首先數(shù)控機床本身必須具有這樣的性能。為此，數(shù)控機床在結(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，以保證實現(xiàn)高精度;同時數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和測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、車銑復合加工中心等在結(jié)構(gòu)布局方面發(fā)生了深刻變化。