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    淺析數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展趨勢

    2013年04月08日 08:21點擊:1426來源:滕州市海翔數(shù)控機床有限公司>>進入該公司展臺

      JC35導讀:從1952年美國麻省理工學院研制出*臺試驗性數(shù)控系統(tǒng),到現(xiàn)在已走過了46年歷程。數(shù)控系統(tǒng)由當初的電子管式起步,經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段:
      
      分立式晶體管式--小規(guī)模集成電路式--大規(guī)模集成電路式--小型計算機式--超大規(guī)模集成電路--微機式的數(shù)控系統(tǒng)。到80年代,總體發(fā)展趨勢是:數(shù)控裝置由NC向CNC發(fā)展;廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統(tǒng);提高系統(tǒng)的集成度,縮小體積,采用模塊化結(jié)構(gòu),便于裁剪、擴展和功能升級,滿足不同類型數(shù)控機床的需要;驅(qū)動裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展;CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展;采用新型的自動編程系統(tǒng);增強通信功能;數(shù)控系統(tǒng)可靠性不斷提高。總之,數(shù)控機床技術(shù)不斷發(fā)展,功能越來越完善,使用越來越方便,可靠性越來越高,性能價格比也越來越高。到1990年,*數(shù)控系統(tǒng)專業(yè)生產(chǎn)廠家年產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)約13萬臺套。國外數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的總體發(fā)展趨勢是:
      
      ●新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)
      
      進入90年代以來,由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,推動數(shù)控機床技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性,并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向大大發(fā)展。近幾年許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng),如美國科學制造中心(NCMS)與*共同領(lǐng)導的“下一代工作站/機床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC,歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”OSACA,日本的OSEC計劃等。開發(fā)研究成果已得到應用,如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產(chǎn)的加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等產(chǎn)品中采用了開放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機的*技術(shù),如多媒體技術(shù),實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展,每個芯片上可以集成更多個晶體管,使系統(tǒng)體積更小,更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的優(yōu)勢,實現(xiàn)故障自動排除;增強通信功能,提高進線、聯(lián)網(wǎng)能力。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng),其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的,由于有充足的軟、硬件資源可供利用,不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力的支持,而且也為用戶的二次開發(fā)帶來極大方便,促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應用,既可通過升檔或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng),又可通過擴展構(gòu)成不同類型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng),開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級,結(jié)構(gòu)上不必變動。
      
      ●新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能大大提高
      
      數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化發(fā)展。隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展,數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理,不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、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)裙δ埽胰藱C界面極為友好,并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置,能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)已實用化。
      
      總之,新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高,促進了數(shù)控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發(fā)展,使柔性自動化加工技術(shù)水平不斷提高。
      
      二、數(shù)控機床發(fā)展趨勢
      
      為了滿足市場和科學技術(shù)發(fā)展的需要,為了達到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高的要求,當前,世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
      
      1、高速、、高精度、高可靠性
      
      要提高加工效率,首先必須提高切削和進給速度,同時,還要縮短加工時間;要確保加工質(zhì)量,必須提高機床部件運動軌跡的精度,而可靠性則是上述目標的基本保證。為此,必須要有高性能的數(shù)控裝置作保證。
      
      ●高速、
      
      機床向高速化方向發(fā)展,可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實現(xiàn)、、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。
      
      新一代數(shù)控機床(含加工中心)只有通過高速化大幅度縮短切削工時才可能進一步提高其生產(chǎn)率。超高速加工特別是超高速銑削與新一代高速數(shù)控機床特別是高速加工中心的開發(fā)應用緊密相關(guān)。90年代以來,歐、美、日各國爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床,加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸,轉(zhuǎn)速15000-100000r/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60~120m/min,切削進給速度高達60m/min)、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破,達到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具,大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅(qū)動進給部件以及高性能控制系統(tǒng)(含監(jiān)控系統(tǒng))和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決,應不失時機地開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床。
      
      依靠快速、準確的數(shù)字量傳遞技術(shù)對高性能的機床執(zhí)行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理,由于采用了新型刀具,車削和銑削的切削速度已達到5000米~8000米/分以上;主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000轉(zhuǎn)/分(有的高達10萬轉(zhuǎn)/分)以上;工作臺的移動速度:(進給速度),在分辨率為1微米時,在100米/分(有的到200米/分)以上,在分辨率為0.1微米時,在24米/分以上;自動換刀速度在1秒以內(nèi);小線段插補進給速度達到12米/分。根據(jù)率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動技術(shù)的飛速發(fā)展,高速直線電機的推廣應用,開發(fā)出一批高速、的高速響應的數(shù)控機床以滿足汽車、農(nóng)機等行業(yè)的需求。還由于新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快,模具、航空、軍事等工業(yè)的加工零件不但復雜而且品種增多。
      
      ●高精度
      
      從精密加工發(fā)展到超精密加工(特高精度加工),是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級,乃至納米級(<10nm),其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削(車、銑)、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工(三束加工及微細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等)。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn),更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝,發(fā)展新型超精密加工機床,完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù),以適應現(xiàn)代科技的發(fā)展。
      
      當前,機械加工高精度的要求如下:普通的加工精度提高了一倍,達到5微米;精密加工精度提高了兩個數(shù)量級,超精密加工精度進入納米級(0.001微米),主軸回轉(zhuǎn)精度要求達到0.01~0.05微米,加工圓度為0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。
      
      精密化是為了適應*發(fā)展的需要,也是為了提高普通機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性,減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著*的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高,機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要,近10多年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm,提高到±1~1.5μm。
      
      ●高可靠性
      
      是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是適度可靠,因為是商品,受性能價格比的約束。對于每天工作兩班的無人工廠而言,如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作,*率P(t)=99%以上的話,則數(shù)控機床的平均*運行時間MTBF就必須大于3000小時。MTBF大于3000小時,對于由不同數(shù)量的數(shù)控機床構(gòu)成的無人化工廠差別就大多了,我們只對一臺數(shù)控機床而言,如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1的話(數(shù)控的可靠比主機高一個數(shù)量級)。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時,而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于10萬小時。
      
      當前國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000小時以上,驅(qū)動裝置達30000小時以上。
      
      2、模塊化、智能化、柔性化和集成化
      
      ●模塊化、專門化與個性化
      
      機床結(jié)構(gòu)模塊化,數(shù)控功能專門化,機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。為了適應數(shù)控機床多品種、小批量的特點,機床結(jié)構(gòu)模塊化,數(shù)控功能專門化,機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢。
      
      ●智能化
      
      智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:
      
      --為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如自適應控制,工藝參數(shù)自動生成;
      
      --為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;
      
      --簡化編程、簡化操作方面的智能化,如智能化的自動編程,智能化的人機界面等;
      
      --智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容,方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
      
      ●柔性化和集成化

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