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2017年5月19日

數控技術

什么是精工技術精工技術，即采用電腦程序控制機器的方法，按工作人員事先編好的程式對機械零件進行加工的過程。精工技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著精工技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業（IT、汽車、輕工、醫療等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從世界上精工技術及其裝備發展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：1.高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是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。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、螺釘和其他聯結方式拼裝，使構件的強度、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，世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產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*1000r/mm和1g。在加工精度方面，普通級精工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，國外精工裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統的MTBF值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。為了實現高速、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展，應用領域進一步擴大。2.五軸聯動加工和復合加工機床快速發展采用5軸聯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軸聯動機床的效率可以等于2臺3軸聯動機床，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軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動精工系統、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯動精工機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯動機床的發展。當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，精工系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發展。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，還可實現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軸聯動加工，可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。3.智能化、開放式、網絡化成為當代精工系統發展的主要趨勢21世紀的精工裝備將是具有一定智能化的系統，智能化的內容包括在精工系統中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、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、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。為解決傳統的精工系統封閉性和精工應用軟件的產業化生產存在的問題。許多國家對開放式精工系統進行研究，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。精工系統開放化已經成為精工系統的未來之路。所謂開放式精工系統就是精工系統的開發可以在統一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（精工功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式精工系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。開放式精工系統的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、精工系統功能庫以及精工系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。網絡化精工裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。精工裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內外一些著名精工機床和精工系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環境，簡稱OME）等，反映了精工機床加工向網絡化方向發展的趨勢。4.重視新技術標準、規范的建立（1）關于精工系統設計開發規范如前所述，開放式精工系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃，并進行開放式體系結構精工系統規范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規范的制定，預示了精工技術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精工系統的規范框架的研究和制定。（2）關于精工標準精工標準是制造業信息化發展的一種趨勢。精工技術誕生后的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，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代精工技術高速發展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。STEP-NC的出現可能是精工技術領域的一次革命，對于精工技術的發展乃至整個制造業，將產生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統的制造理念中，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網上，這正是精工技術開放式、網絡化發展的方向。其次，STEP-NC精工系統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%）。歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發起了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、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球范圍內制造業數據交換軟件的開發者，他已經開發了用作精工機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統一的規范描述所有加工過程。這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC精工系統的原型樣機上進行了驗證。