數(shù)控技術(shù)的發(fā)展-數(shù)控培訓

2013-06-02 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(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,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領域的擴大,他對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看,其主要研究熱點有以下幾個方面。

1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(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)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一,國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領域,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問題之一;在航空和宇航工業(yè)領域,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,才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個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)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會情況來看,高速加工中心進給速度可達80m/min,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的廣州通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min,快速為100m/min,加速度達2g,主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件,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DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面,近10年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
在可靠性方面,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上,伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上,表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工,與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展,應用領域進一步擴大。

2. 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認為,1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時,5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因,其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍,加之編程技術(shù)難度較大,制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
當前由于電主軸的出現(xiàn),使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床(含5面加工機床)的發(fā)展。
在EMO2001展會上,新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭,可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn),還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國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)動加工,可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。

3. 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),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,如加工過程的自適應控制,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;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究,如美國的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),中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能),形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。
網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(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,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,簡稱CPC);日本大隈(Okuma)機床公司展出“IT plaza”(信息技術(shù)廣場,簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環(huán)境,簡稱OME)等,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。

4. 重視新技術(shù)標準、規(guī)范的建立

(1) 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范

如前所述,開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性,美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃,并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定,預示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。

(2) 關(guān)于數(shù)控標準

數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準,即采用G,M代碼描述如何(how)加工,其本質(zhì)特征是面向加工過程,顯然,他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制,能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,從而實現(xiàn)整個制造過程,乃至各個工業(yè)領域產(chǎn)品信息的標準化。

STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領域的一次革命,對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè),將產(chǎn)生深遠的影響。首先,STEP-NC提出一種嶄新的制造理念,傳統(tǒng)的制造理念中,NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下,NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上,這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。其次,STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75%)、加工程序編制時間(約35%)和加工時間(約50%)。

目前,歐美國家非常重視STEP-NC的研究,歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1~2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術(shù)機構(gòu)。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者,他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model),其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。

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