高性能数控技术的发展趋势

高性能数控技术的发展趋势计算机技术是本世纪近30年来发展最快的技术之一。随着计算机技术的快速发展，其应用已广泛的渗透并影响着社会生产和社会生活的各个领域，并在全球形成了一场新的技术革命。一、概述数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机械加工、微电子和自动控制等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术。从70年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械已成为制造工业最重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化率的高低已成为衡量国家工业化水平高低的重要标志。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化，加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工质量得到极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂工件的自动加工。数控系统发展的同时也奠定了柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的基础。我国是机床使用制造的大国，据机械部有关方面统计，到90年代，我国机床的拥有量接近400万台，居世界第二位，但其中半数以上的机床需要更新。随着现代技术的发展，机床已发生了质的变化。这种低水平，低质量的设备，已无法满足市场竞争的需要，所以近年来我国数控机床的进口一直呈上升趋势，到1995年底，国外数控机床的进口已占国内市场的77%，达到20.3亿美元。所以如何尽快提供更多更好的具有中国知识产权的数控系统，就成了刻不容缓的大事。二、数控系统的技术发展趋势1952年世界上第一台数控机床在美国研制出来，尽管当时由于计算机技术的不成熟，数控系统的水平也不高，但已经显示出了其巨大的生命力。70年代以来，随着计算机和微电子技术的快速发展，特别是微计算机技术的发展，数控系统的发展步伐日益加快，带来了机械工业的一场革命。自动化程度、多功能、高效率、高精度等特征同时得到了发展。从发展角度看，数控系统大致经历了四个阶段(见下页表)。随着加工制造业对数控机床的需求，数控系统的发展在充分利用计算机技术发展成果的基础上，不断的提高性能。然而，由于计算机技术的发展，特别是80年代以来微计算机技术的发展太快，计算机应用领域远远的落后于计算机的发展，以至于有些专家呼吁，计算机的发展应该放慢，等一等应用领域，否则不断更新的计算机，令用户眼花缭乱，无从选择，并造成很大的浪费。分析起来，造成这种情形的原因有两条:第一，计算机初期的大发展没有统一标准，不同厂家，不同时间推出的计算机产品无法兼容，应用的尚不充分，就已经落后淘汰，只有重新更新设备;第二，计算机厂家未能向用户提供更好的应用工具，使得计算机的应用成为一项复杂的技术，需要专业的高水平的技术人员。数控系统的发展在70年代至80年代，同样遇到了这样的问题，加上这种特定的应用领域，无论在体系结构，还是工作环境方面均有很大差别，故导致今日，国际上一些知名的数控制造厂商仍然未摆脱这种状态，如日本的FANUC、德国的西门子等。然而，现今的计算机发展已趋于统一的标准，众多的计算机厂家提供了大量的应用工具。电磁兼容设计的引入，已使计算机系统具有更高的可靠性和对工作环境的适应性。友好的人—机界面和大量高效的应用工具软件，使得计算机的二次应用开发变得越来越容易掌握。其高性能又是许多专用机所无法做到的，加上微电子技术的发展，集成电路品种更新已经要用月计算，数控系统向专用机发展的技术方向受到了极大的挑战。这样的一种发展趋势已完全不适应计算机技术的发展，其数控系统性能的提高，开发研制周期过长，无法充分利用计算机已有的成熟技术等弊病越加暴露出来。数控系统的发展面临着新的选择。三、以PC机为基础的高性能数控系统综上所述，数控系统的技术发展不能再沿用专用系统的老路，而应充分利用现有的计算机技术，加快研制周期，适应计算机和微电子技术的发展。早在1990年前后，美国政府针对日本数控机床对美国市场的大量侵入和专用数控系统上与日本的差距，提出了重新振兴美国机械制造业的著名的NGC计划，明确提出要研制开放型数控系统的构想。一些中小公司在数控专用化方面赶不上大公司，于是开始向以微机为基础的数控系统上转移。几年来其成效是巨大的，其机床的销售量和产量均呈上升趋势，1993年比1992年上升了21%，1994年上升了10%，到1994年金属加工机产值达38亿美元，金属切削机达25亿美元，金属成形机达13亿美元。到目前为止，机床工业最重视的是计算机控制和减少生产过程中工作再定位的次数，其数控系统装置正变得如此精确，以至能对抗车间环境中温度变化的影响。老的加工工艺全部淘汰，新的工艺得到全面的推广应用。相比之下，日本和德国的数控系统发展速度就比较慢。我国数控系统的发展也走过了专用化的道路，但由于原有的差距较大，无论是资金，还是研制开发和生产设备均投入较少，没有形成负担，所以，抓住这个机遇，及时调头，调整数控技术的发展方向，充分利用微计算机的技术，形成高性能的数控系统，就能缩小我们和国外的技术差距。在一定意义上讲，以PC机为基础构造高性能的数控系统，我们和国外处在同一起跑线上。从技术发展角度看，以PC机为基础的高性能数控系统需重点解决好如下问题:1.接口技术数控系统的接口主要是位置控制，反馈，输入/输出，显示控制等。显示控制已由计算机自身解决，其它的接口从技术原理上看，变化不大，但需解决两个问题:第一，总线标准;第二，器件选择的合理性。2.驻留DOS与实时控制问题数控系统用于机床加工过程的实时控制，随着加工效率的日趋提高，要求速度越来越快，如何充分利用计算机提供的资源和协调实时控制过程就成了技术关键。3.解决多CPU互联问题高性能的数控系统为达到多任务的调度需要典型的前后台双CPU结构，故解决好CPU互联，调度将为高性能数控系统的发展奠定基础。4.总线的选择与设计5.结构一体化设计通用PC机的结构不适应机电一体化的设计要求，我们需要的是将PC机箝入到数控系统中的结构中，以满足机电一体化的设计要求。6.数字智能化的驱动装置总之，只要我们抓住机遇，解决好上述技术问题，就能尽快研制出具有我国自己知识产权的高性能数控系统，为国民经济建设做出贡献。数控机床技术发展浅析机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。在20世纪后期形成的以数控技术为中心的柔性制造技术，预期在未来仍将延续进展并成为加工技术发展的主流。它的特征可以归结为3Ｆ，3Ｉ和3Ｓ，即:3Ｆ表示柔性化(Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ)、联盟化(Ｆｅｄｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ)和新颖化(Ｆａｓｈｉｏｎ);3Ｉ表示集成化(Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ)、信息化(Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ)和智能化(Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ);3Ｓ表示系统化(Ｓｙｓｔｅｍ)、软件化(Ｓｏｆｔｗａｒｅ)和个性化(Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ)。这些特征表明了将进一步深化发展适应多品种变批量生产的柔性自动化技术;基于先进工艺和结构原理发展新颖装备来优化制造过程;推进机床创新设计，经济地满足用户对产品个性化的加工要求;构建灵捷的制造系统，快速响应市场需求，以高质量产品迅速地批量上市;有效地发挥信息技术和软件技术在制造过程中提高技术水平和管理水平的作用;探求在网络化分布制造的协作联盟环境下的数控技术等。为实现这些技术目标，当前数控机床正沿着以下几方面发展:(1)以发展高速切削为先导，并重视对空运行过程的提速，力求使高速化做到全面缩短切削工时和辅助工时;(2)在注重提高机床的材料切除率的同时，高效加工将大力推进以缩短加工过程链为目标的复合加工技术;(3)机床及其制造系统的柔性化将在可重组制造(ＲｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ)技术的支持下，通过对制造系统的快速重组实现更敏捷和经济地适应不确定市场对产品多变的要求;(4)数控车、铣、磨等机床的工作精度正以平均每年提升8%～10%的幅度向纳米级高精度迈进，并不断地拓展新颖的精密加工方法;(5)机床的绿色设计与制造以重视环保的洁净生产为重点，干切削或微量(≤100ｍＬ/ｈ)切削液的高效加工技术日趋成熟。本文仅就数控机床高速化及高效柔性化的现况进行分析并探讨其发展趋势。1由高速切削推进至全面高速化数控机床的主轴转速和功率的大幅度提高为高速切削的应用提供了良好的条件。高速切削的界限，在不同的年代，随着切削方法和被加工材料的不同，其数值也不尽相同，通常认为的高速切削是指比传统的切削速度和进给速度高出5～8倍。图1示出铣削不同金属材料时的高速切削范围。而高的进给速度在切削钢和铸铁时可达20～50ｍ/ｍｉｎ，相当每个刀齿的进给量为1.0～1.5ｍｍ〔1〕。显然应用高速加工能增大单位时间材料被切除的体积(材料切除率Ｑ)，但按目前机床的情况来看，要充分发挥先进刀具的高速加工能力，还必须开发有更高驱动功率和结构刚度的机床，因此当前航空、汽车和模具等制造行业普遍地采用高速加工，并不是只限于提高切削效率，还着眼于用它在以下3方面获得对加工品质和经济效益的提升。(1)减小切削力，保证薄壁零件加工的形状精度。通过提高切削速度(ｖｃ)和降低进给量(ｆ)，在保持相同材料切除率Ｑ的条件下，使每个刀齿的进给量减小而使切削力降低(图2)。图2在相同切除率Ｑ的条件下，用不同切削速度和进给量组合时的切削力变化(铝合金Ｑ=335ｃｍ3/ｍｉｎ)Ｆｉｇ.2Ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓａｎｄｆｅｅｄｒａｔｅｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ(ＡｌａｌｌｏｙＱ=335ｃｍ3/ｍｉｎ)(2)提高加工表面质量。在保持相同的切削效率(即相同Ｑ值)下，提高切削速度可改善切屑形成过程和增加切削阻尼有利于抑制颤振，而相应地减少每个刀齿的进给量能降低切削表面轨迹形成的残留高度，改善表面粗糙度，从而有利于精密零件和模具的加工。(3)减少被加工零件的温升和热变形。高的切削速度和低的进给量所形成的连续切屑流将使更多的切削热被切屑带走，减少零件和刀具的热变形，有利于保证批量生产的零件尺寸稳定性。因此，数控机床采取提高切削速度和切削进给后，对改善加工质量、缩短切削工时等有明显的效果，但为了达到机床利用率进一步提高的目标，还需对数控机床实现全面高速化。对现有数控机床使用情况统计得出:其有效切削时间与全部工时之比(机床利用率)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，使数控机床的利用率达到60%以上。表1列出中型立、卧式加工中心的主要工作参数的发展进程，显示了数控机床向高速化发展的趋势。2推进高速化发展的两大关键技术数控机床高速化进入工业应用的关键因素除了刀具性能的提升之外，有赖于内装式电机主轴单元(简称电主轴)和直线电机驱动技术的发展。应用于车、铣加工的高速强力电主轴在20世纪80年代已开始在数控车床和加工中心上应用，为推进高速切削起到了重要作用。直线电机驱动技术的研发开辟了控制轴运动高速化的新领域，它与伺服旋转电机-滚珠丝杠副(简称滚珠丝杠)驱动的性能对比如表2所示〔2〕。直线电机用于数控机床控制轴的驱动上成为数控表2直线电机与滚珠丝杠副驱动性能对比项目直线电机滚珠丝杠运动速度其极限速度受测量系统响应的限制，≤120ｍ/ｍｉｎ其极限速度一般为60ｍ/ｍｉｎ，采用精密滚珠丝杠副可达80ｍ/ｍｉｎ加(减)速度20ｍ/ｓ2采用精密滚珠丝杠副可达15ｍ/ｓ2驱动力采用多台直线电机并联驱动可提高驱动力，但受机床安装驱动的结构空间限制通过对传动件的配置可得到高的驱动力驱动冷却必须具备仅在高的快移速度时需要磨损驱动过程不会引起磨损有较大的磨损驱动件数量无机械传动链，驱动件少驱动件多迟滞性