中国数控机床技术创新策略初探(下)
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发展装备制造业,数控机床是基础。本文首先分析了数控机床巿场发展的动力和中国数控机床产业面临的挑战,其后着重评述了数控机床的发展趋势,并对数控机床的技术创新进行了探讨。

三、数控机床技术发展趋势

以数控技术为核心的制造装备包含了控制系统、伺服驱动系统、编程系统、测量装置、刀具、物流和刀具自动输送系统、加工知识及其技艺以及生产规划和管理系统等技术。它们的发展趋势主要可归纳为如下:

图4 加工精度的进展(依据Taniguchi教授)
  1. 持续提高经济加工精度
    图4中示出了加工精度的过去和现状,并可从其曲线的趋势对未来做出预测,从该图中还可看到,加工精度的持续提高有赖于制造装备的创新和不断精化以及相应技术的发展。
    国外先进水平加工中心的工作位置精度和主轴回转精度平均每年提升10%,即每隔8年其误差约减小一半。也就是说,随着时间的推移,原来需要精密机床所能达到的加工精度,现在用普通精度的机床就能达到。随着机床工作精度的提高以及近净成形技术的发展替代了一般表面的加工,预期至2020年微米级(0.001mm)加工精度技术将替代目前量大面广的道级(0.01mm)加工精度,成为加工领域的主流技术。超精密加工机床加工精度也将由亚微米(0.1µm)级、深亚微米(0.01µm)级提升至纳米级,同时迅速扩大其在制造业中的应用范围。
    表4 各种加工领域达到的先进水准
    加工领域精度范围制造精度
    尺寸/位置精度形状/轮廓深度表面粗糙度Ra
    普通加工微米级>3~8µm>1~3µm钢件≤0.8µm
    铜件≤0.4µm
    精密加工微米~亚微米级0.3~3µm0.1~3µm钢件≤0.4µm
    铜件≤0.05µm
    超精密加工深亚微米~纳米级0.01~0.3µm0.003~0.1µm钢件≤0.1µm
    铜件≤0.01µm
    表4示出了当前不同精度等级数控机床所达到的加工精度的先进水平。
  2. 推进以高效为目标的全面高速化
    与精度的持续提升一样,高速化加工已从单一的高速切削发展到全面高速化。不仅要缩短切削时间,也要力求降低辅助时间和技术准备时间。即除了提高主轴转速和进给速度外,还要提高快移速度与加(减)速度,缩短主轴起动、制动时间,减少刀具自动交换时间与工件托盘自动交换时间等,来减少辅助时间并通过生产信息集成管理和规划以及CAM等来进一步缩短技术准备时间。
    对现有数控机床使用情况统计得出:其机床利用率(有效切削时间与全部工时之比)仅为25-35%,其余的75-65%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹等辅助时间以及待工时间(由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间)与故障停机时间上。因此需通过提高各轴快移速度和加(减)速度、主轴变速的角加(减)速度、刀具(工件)自动交换速度,改善数控系统的操作方便性和监控功能以及加强信息管理,才有可能全面压缩辅助时间和减少待工时间,使数控机床的切削时间利用率达到60%~80%。
    在推进加工制造过程全面高速化发展中,下列三项技术发挥了重要的作用:
    • 电主轴技术:它包括内装电机结构、驱动控制和双面过定位刀柄结构等,保证主轴实现大功率、高转速运行。
    • 直接驱动技术:它包括由直线电机驱动线性轴运动和由力矩电机直接驱动回转轴运动,它们的无摩擦、“零中间传动件”提高了快速运动的加速性和平稳性。
    • 高速高精数字化控制技术:它是用于抑制或消除由于高速化所引起跟踪误差、热误差和颤振等负面影响的先进控制技术。
  3. 复合加工机床向产品多样化发展
    多功能复合加工机床简称复合机床(Complex Machine Tool),或称多功能加工(Multi-Functional Machining )或完全加工(Complete Machining或End to End Machining)机床。
    复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点,可以分为如下两类:
    • 跨加工类别的复合机床,如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床等。
    • 多面多轴联动加工的复合机床。
    增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度,不仅可减少多工序加工零件的上下料时间,而且更主要地可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待的时间,尤其在未组成有效的生产线的条件下,这种工序间的等待时间将远远地超过零件在机床上的工作时间,从而延长了零件的生产周期。
    复合数控机床则具有良好的工艺适用性,避免了在制品的储存和传输等环节,有力地支持了准时制造(JIT),因此对它的研发已被给予极大的关注。复合数控机床呈现出多样性的创新结构。
  4. 加强工艺适用性
    通过对机床布局和结构的创新,使对不同类型的零件有最佳的加工适用性。因为随着机械产品的性能优化和轻量化,其零件和构件的形状、尺寸和精度呈现多样性,很难用少数几种标准的、通用的机床结构来最佳地满足多方面的工艺要求。
    这种“个性化”结构趋向虽有为了产品竞争需要的因素,但更主要的是体现了如何能更好地适应用户的需求。尤其对一些批量生产的零件,更希望有最佳工艺适用性的专门化数控机床。
    要解决品种多样化与经济性的矛盾,这就对机床的模块化设计提出了更高的要求,近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究以及对可重构机床(Reconfigurable Machine Tool,简称RMT)技术的探索,反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。
  5. 敏捷制造系统
    柔性制造系统(FMS)和柔性制造单元(FMC)作为一种高生产率的多品种自动化生产系统,于上世纪70年代初开始研制,于80年代得到很大的发展。到90年代初由于大批量生产的制造业如汽车工业产品更新加快,出现了多品种生产的需求,要求自动线柔性化,发展了用数控机床构建的柔性生产线(FML),由此也推动了结构简约的高速化数控机床的发展。
    回顾近10年来制造系统的发展历程,基本上遵循以下两个方向:
    • 增强制造系统的智能化和自治管理功能,以提高FMC/FMS的快速响应能力。
    • 发展具有能兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于功能重组的新型的可重构制造系统(RMS)。
  6. 完善配套装置和功能部件的品种与质量
    除了数控系统和伺服驱动装置外,关键的功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些著名的专业化生产厂,这对保证产品质量,增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。
    数控系统的可靠性仍在继续增长,如FANUC公司的数控系统在90年代达到月故障率0.008,相当于平均无故障时间125个月(约40000小时以上),对保证整机可靠性起着重要的作用。

图5 数控机床技术创新的三个层次

四、数控机床的技术创新探讨

在数控机床的核心技术和共性技术支撑下,研发功能适用、性能优异的功能部件,并应用整机优化与集成技术以及优良的制造技术才能生产出具有竞争能力的高品质机床。图5示出数控机床5项核心技术和2项共性技术。核心技术的创新将是提升产品技术含量的关键,共性技术的创新将是推进产品质量增长的保障。图中还示出了数控机床在关键技术、功能部件技术和整机优化技术的三个层次的构架。
技术创新策略有以下五个方面:
  1. 适应数字化制造的发展,作为主要制造装备的数控机床和系统,需具有如下(FIS)3的特性。即:
    • 3F:柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)、新颖化(Fashion);
    • 3I:集成化(Integration)、信息化(Information)、智能化(Intelligence);
    • 3S:系统化(System)、软件化(Software)、个性化(Speciality)。
  2. 数控机床及其制造系统的三个主要发展方向
    • 以全面高速化为先导,推进µ级工程,发展高性能高可靠性功能部件,提高数控机床综合性能,研发适应汽车工业等需要的高效精密机床;
    • 发展复合功能数控机床、缩短过程链,适应单件、中小批生产的高效柔性制造;
    • 研究基于生产线布局和制造装备可重构的快速制造系统是大批量生产的最佳方案。
  3. 建立明确的可靠性增长目标
    采取精心的简约结构设计、通过可靠性测评实验,确定薄弱环节和改进措施,重视选购高品质配套件、严格控制制造质量,发展人机友好操作界面以及加强维护和注重维修故障分析,将有利于数控机床可靠性的增长,使MTBF≥500h。
  4. 数控机床的加工精度持续提升
    根据市场的需求进行持续提升,要注意精度与高效、高速及经济性的协调发展。超精密微细加工呈现出应用领域扩大趋势。
  5. 当前宜加强研究和发展下列数控机床及其组成的成套制造系统
    • 适用于汽车、摩托车和工程机械等关键零件加工的高效精密加工中心和车削中心;
    • 适用于航空、航天和高速列车框架及大型模具的高速大型专门化数控机床;
    • 适用于发电、船舶、冶金和军工等重型机械加工所需的大型和重型数控复合加工机床;
    • 适用于军工、航空航天、能源和微电子等精密非球面镜零件的数控超精密加工机床;
    • 适用于机床主轴、导轨等高精度偶件加工的数控专用工作母机。
本文作者:北京机床研究所 盛伯浩
原载:雅式工业专网
上载于:2007-8-14 15:56:33

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