為了滿足市場和科學技術發(fā)展的需要,為了達到現(xiàn)代制造技術對數(shù)控技術提出的更高的要求,當前,全球數(shù)控機床技術及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1、高速、高效、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、高效
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量和精度。超高速加工技術對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質、低成本生產有廣泛的適用性。
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。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領域中關鍵技術的解決,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;主軸轉數(shù)在30000轉/分(有的高達10萬轉/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;小線段插補進給速度達到12米/分。根據(jù)高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發(fā)展,高速直線電機的推廣應用,開發(fā)出一批高速、高效的高速響應的數(shù)控機床以滿足汽車、農機等行業(yè)的需求。還由于新產品更新?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)代科學技術的發(fā)展,對超精密加工技術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,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。
精密化是為了適應高新技術發(fā)展的需要,也是為了提高普通機電產品的性能、質量和可靠性,減少其裝配時的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術的發(fā)展和對機電產品性能與質量要求的提高,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小時內連續(xù)正常工作,無故障率P(t)=99%以上的話,則數(shù)控機床的平均無故障運行時間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
機床結構模塊化,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,機床結構模塊化,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
智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:
。瓰樽非蠹庸ば屎图庸べ|量方面的智能化,如自適應控制,工藝參數(shù)自動生成;
。瓰樘岣唑寗有阅芗笆褂眠B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;
。喕幊、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)控方面的內容,方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
●柔性化和集成化
數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是:從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展,另一方面向注重應用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產品迅速更新的主要手段,是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢,是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提,以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標;注重加強單元技術的開拓、完善;CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展;數(shù)控機床及其構成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結,向信息集成方向發(fā)展;網(wǎng)絡系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。
3、開放性
為適應數(shù)控進線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求,最重要的發(fā)展趨勢是體系結構的開放性,設計生產開放式的數(shù)控系統(tǒng),例如美國、歐共體及日本發(fā)展開放式數(shù)控的計劃等。
4、出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備
--為適應制造自動化的發(fā)展,向FMC、FMS和CIMS提供基礎設備,要求數(shù)字控制制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能,而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭(有時帶坐標變換)、自動誤差補償、自動診斷、進線和聯(lián)網(wǎng)等功能,廣泛地應用機器人、物流系統(tǒng);
--FMC,F(xiàn)MS Web-based制造及無圖紙制造技術;
--圍繞數(shù)控技術、制造過程技術在快速成型、并聯(lián)機構機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面和高速電主軸、直線電機、軟件補償精度等單元技術方面先后有所突破。并聯(lián)桿系結構的新型數(shù)控機床實用化。這種虛擬軸數(shù)控機床用軟件的復雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床機構的復雜性,開拓了數(shù)控機床發(fā)展的新領域;
--以計算機輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)等為主體的制造信息支持技術和智能化決策系統(tǒng)。對機械加工中海量信息進行存儲和實時處理。應用數(shù)字化網(wǎng)絡技術,使機械加工整個系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應用。
。捎诓捎昧松窠(jīng)網(wǎng)絡控制技術、模糊控制技術、數(shù)字化網(wǎng)絡技術,機械加工向虛擬制造的方向發(fā)展。