淺析數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

摘 要:數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。本文簡(jiǎn)單論述了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào):TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(c)-0083-02

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是新一代生產(chǎn)技術(shù)，如柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等的技術(shù)基礎(chǔ)。我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家一樣，都把發(fā)展數(shù)控技術(shù)作為制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)，將數(shù)控技術(shù)向深度和廣度發(fā)展列入科技發(fā)展的重要內(nèi)容。

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式結(jié)構(gòu)。主要發(fā)展動(dòng)向是研制開發(fā)軟、硬件都具有開放式結(jié)構(gòu)的智能化全功能通用數(shù)控裝置。近幾年推出的一32位微處理器為核心的CNC系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的產(chǎn)品，如德國(guó)SIEMENS推出的SINUMERIK840D系統(tǒng)、美國(guó)CINCINNATI的A2100系統(tǒng)等。

1 高速化、高精度化技術(shù)及裝備

效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。

在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一;在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。

從EMO2001展會(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高;空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó)CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h;德國(guó)DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12×000r/mm和1g。

在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工技術(shù)快速發(fā)展

采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。

當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床(含5面加工機(jī)床)的發(fā)展。

在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó)DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。

3 智能化

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，比為適應(yīng)制造業(yè)生產(chǎn)高度柔性化、自動(dòng)化的需要，數(shù)控設(shè)備的智能化程度在不斷提高。

(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)。

數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)對(duì)自己有影響的信息，并自動(dòng)練習(xí)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。如通過監(jiān)控切削過程中的道具磨損、破損、切削形態(tài)、切削力及零件的加工質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以提高加工精度和減少工件表面粗糙度。Mitsubishi Electric公司的用于數(shù)控電火花成形機(jī)床的“Miracle Fuzzy”自適應(yīng)控制器即利用機(jī)遇模糊邏輯的自適應(yīng)控制技術(shù)，自動(dòng)控制和優(yōu)化加工參數(shù)，是操作者不再需要具備專門的技能。

(2)引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工。

將切削專家的經(jīng)驗(yàn)、切削加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律存入計(jì)算機(jī)中，以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)，提供經(jīng)過優(yōu)化的切削參數(shù)，使加工系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，從而達(dá)到提高編程效率和降低對(duì)操作人員技術(shù)水平的要求，大大縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。國(guó)外已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司(Okuma)的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動(dòng)編程功能;日本牧野公司在電火花數(shù)控系統(tǒng)MAKINOMCE20中，用專家系統(tǒng)代替操作人員進(jìn)行加工監(jiān)控。

(3)故障自診斷功能。

故障自診斷專家系統(tǒng)是診斷裝置發(fā)展的最新動(dòng)向，其為數(shù)控設(shè)備提高了一個(gè)包括二次監(jiān)控，故障診斷，安全保障和經(jīng)濟(jì)策略等方面在內(nèi)的智能診斷及維護(hù)決策信息集成系統(tǒng)。采用智能混合技術(shù)，可在故障診斷中實(shí)現(xiàn)一下功能:故障分類、信號(hào)提取、故障診斷專家系統(tǒng)、維護(hù)管理以及多傳感信號(hào)融合。

模糊教學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，以范例和模型為基礎(chǔ)的決策形成系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、現(xiàn)代控制理論與應(yīng)用等技術(shù)的發(fā)展及在制造業(yè)中的成功應(yīng)用，為新一代數(shù)控設(shè)備智能化水平的提高建立了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。智能化正成為數(shù)控設(shè)備研究與發(fā)展的方向。

4 高柔性化

柔性是指數(shù)控設(shè)備適應(yīng)加工對(duì)象變化的能力。數(shù)控機(jī)床發(fā)展至今，對(duì)加工對(duì)象的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，并在提高單機(jī)柔性化的同時(shí)，朝著單元柔性化和系統(tǒng)柔性化方向發(fā)展。在數(shù)控機(jī)床上增加不同容量的刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀機(jī)械手，增加第二主軸和交換工作臺(tái)裝置，或配以工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)運(yùn)輸小車，以組成新的加工中心、柔性制造單元(FMC)或柔性制造系統(tǒng)(FMS)。如出現(xiàn)了PLC控制的可調(diào)組合機(jī)床，數(shù)控多軸加工中心，換刀換箱式加工中心，數(shù)控三坐標(biāo)動(dòng)力單元等具有柔性的高效加工設(shè)備和介于傳統(tǒng)自動(dòng)線與FMS之間的柔性制造線(FTL)。

5 小型化

蓬勃發(fā)展的機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)CNC裝置提出了小型化的要求，以便將機(jī)、電裝置揉合為一體。目前許多CNC裝置采用最新的大規(guī)模集成電路(LSI)，新型TFT彩色液晶薄型顯示器和表面安裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維立體裝配，消除了整個(gè)控制邏輯機(jī)架。如日本FUNAC的18i和21i系列CNC裝置采用高密度352球門陣列(BGA)、專用LSI和多晶片模塊(MCM)微處理器技術(shù)，兩項(xiàng)產(chǎn)品都是一個(gè)單電路卡，安裝在平板顯示器背后，整個(gè)CNC裝置縮小成一塊控制板。這類CNC裝置將控制器尺寸縮小了75%，成功地把具有8軸控制功能的CNC印刷電路板凝縮為只有一張名片大小，并把它安裝在液晶顯示器的背面，成為世界上最薄的CNC控制器。

6 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國(guó)內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡(jiǎn)稱CPC);日本大隈(Okuma)機(jī)床公司展出“IT plaza”(信息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱IT廣場(chǎng));德國(guó)西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱OME)等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。

7 開放式體系結(jié)構(gòu)

由于數(shù)控技術(shù)中大量采用計(jì)算機(jī)的新技術(shù)，新一代的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向開放式系統(tǒng)方向發(fā)展.。自20世紀(jì)80年代末以來，國(guó)際上主要數(shù)控系統(tǒng)和設(shè)備生產(chǎn)國(guó)家競(jìng)相開發(fā)基于PC的CNC，并提出了開放式CNC體系結(jié)構(gòu)的概念，開展了針對(duì)開放式CNC的前、后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的研究，如美國(guó)的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國(guó)的ONC(Open Numerical Control System)等。美國(guó)的NGC(下一代控制器)計(jì)劃的核心就是建立在一個(gè)有硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的開放式系統(tǒng)，開發(fā)SOSAS，用于管理工作站和機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。基于PC的開放式CNC大致可分為四類:PC連接型CNC、PC內(nèi)置CNC、CNC內(nèi)裝型PC和純軟件NC。這些系統(tǒng)以通用PC機(jī)得體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)成了總線式(多總線)模塊，開放型、嵌入式的體系結(jié)構(gòu)，其硬軟件和總線規(guī)范均是對(duì)外開放的，硬件即插即用。經(jīng)過加固的工業(yè)級(jí)PC機(jī)已在工業(yè)控制區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為主流，其技術(shù)上的成熟程度使其可靠性大大超過以往的專用CNC硬件。

參考文獻(xiàn)

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