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          數控機床未來發展趨勢

          2016 - 08 - 19

          1.高精度化


          數控機床精度的要求現在已經不局限于靜態的幾何精度,機床的運動精度、熱變形以及對振動的監測和補償越來越獲得重視。


          (1)提高CNC系統控制精度:采用高速插補技術,以微小程序段實現連續進給,使CNC控制單位精細化,并采用高分辨率位置檢測裝置,提高位置檢測精度(日本已開發裝有106脈沖/轉的內藏位置檢測器的交流伺服電機,其位置檢測精度可達到0.01μm/脈沖),位置伺服系統采用前饋控制與非線性控制等方法;


          (2)采用誤差補償技術:采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償等技術,對設備的熱變形誤差和空間誤差進行綜合補償。研究結果表明,綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%~80%;


          (3)采用網格檢查和提高加工中心的運動軌跡精度,并通過仿真預測機床的加工精度,以保證機床的定位精度和重復定位精度,使其性能長期穩定,能夠在不同運行條件下完成多種加工任務,并保證零件的加工質量。


          2.極端化(大型化和微型化)


          國防、航空、航天事業的發展和能源等基礎產業裝備的大型化需要大型且性能良好的數控機床的支撐。而超精密加工技術和微納米技術是21世紀的戰略技術,需發展能適應微小型尺寸和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備,所以微型機床包括微切削加工(車、銑、磨)機床、微電加工機床、微激光加工機床和微型壓力機等的需求量正在逐漸增大。


          3.新型功能部件


          為了提高數控機床各方面的性能,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括:


          (1)高頻電主軸:高頻電主軸是高頻電動機與主軸部件的集成,具有體積小、轉速高、可無級調速等一系列優點,在各種新型數控機床中已經獲得廣泛的應用;


          (2)直線電動機:近年來,直線電動機的應用日益廣泛,雖然其價格高于傳統的伺服系統,但由于負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等關鍵技術的應用,機械傳動結構得到簡化,機床的動態性能有了提高。如:西門子公司生產的1FN1系列三相交流永磁式同步直線電動機已開始廣泛應用于高速銑床、加工中心、磨床、并聯機床以及動態性能和運動精度要求高的機床等;德國EX-CELL-O公司的XHC臥式加工中心三向驅動均采用兩個直線電動機;

          (3)電滾珠絲桿:電滾珠絲桿是伺服電動機與滾珠絲桿的集成,可以大大簡化數控機床的結構,具有傳動環節少、結構緊湊等一系列優點。


          4.高速化


          隨著汽車、國防、航空、航天等工業的高速發展以及鋁合金等新材料的應用,對數控機床加工的高速化要求越來越高。


          (1)主軸轉速:機床采用電主軸(內裝式主軸電機),主軸最高轉速達200000r/min;


          (2)進給率:在分辨率為0.01μm時,最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工;


          (3)運算速度:微處理器的迅速發展為數控系統向高速、高精度方向發展提供了保障,開發出CPU已發展到32位以及64位的數控系統,頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。由于運算速度的極大提高,使得當分辨率為0.1μm、0.01μm時仍能獲得高達24~240m/min的進給速度;


          (4)換刀速度:目前國外先進加工中心的刀具交換時間普遍已在1s左右,高的已達0.5s。


          5.控制智能化


          隨著人工智能技術的發展,為了滿足制造業生產柔性化、制造自動化的發展需求,數控機床的智能化程度在不斷提高。具體體現在以下幾個方面:


          (1)加工過程自適應控制技術:通過監測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息,利用傳統的或現代的算法進行識別,以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態及機床加工的穩定性狀態,并根據這些狀態實時調整加工參數(主軸轉速、進給速度)和加工指令,使設備處于最佳運行狀態,以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設備運行的安全性;


          (2)加工參數的智能優化與選擇:將工藝專家或技師的經驗、零件加工的一般與特殊規律,用現代智能方法,構造基于專家系統或基于模型的“加工參數的智能優化與選擇器”,利用它獲得優化的加工參數,從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產準備時間的目的;


          (3)智能故障自診斷與自修復技術:根據已有的故障信息,應用現代智能方法實現故障的快速準確定位;


          (4)智能故障回放和故障仿真技術:能夠完整記錄系統的各種信息,對數控機床發生的各種錯誤和事故進行回放和仿真,用以確定錯誤引起的原因,找出解決問題的辦法,積累生產經驗;


          (5)智能化交流伺服驅動裝置:能自動識別負載,并自動調整參數的智能化伺服系統,包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量,并自動對控制系統參數進行優化和調整,使驅動系統獲得最佳運行;


          6.高可靠性


          數控機床與傳統機床相比,增加了數控系統和相應的監控裝置等,應用了大量的電氣、液壓和機電裝置,易于導致出現失效的概率增大;工業電網電壓的波動和干擾對數控機床的可靠性極為不利,而數控機床加工的零件型面較為復雜,加工周期長,要求平均無故障時間在2萬小時以上。為了保證數控機床有高的可靠性,就要精心設計系統、嚴格制造和明確可靠性目標以及通過維修分析故障模式并找出薄弱環節。國外數控系統平均無故障時間在7~10萬小時以上,國產數控系統平均無故障時間僅為10000小時左右,國外整機平均無故障工作時間達800小時以上,而國內最高只有300小時。




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