关于智能制造中数控技术发展的思考与认识44

关于智能制造中数控技术发展的思考与认识刘强LIUQiang北京航空航天大学机械工程及自动化学院国防科技工业高效数控加工技术研究应用中心北京市高效绿色数控加工工艺技术与装备工程技术研究中心Tel:010-82316699，13901163932E-mail:[e-mail]刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心提要数控机床的发展与面临的挑战数控机床相关关键技术的发展对智能数控的思考及探索研究小结与展望刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心现代制造业的特点一代产品一代材料一代工艺材料与结构融合工艺与装备融合优质/高效/低耗/绿色是永恒的主题制造技术和生产方式创新引发新技术革命发达国家制造业在做什么？AmericanMakes——美国人具体在做什么？Industry4.0——德国人具体在做什么？其他有关国家和地区1.制造业发展面临的挑战刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心制造业特点一：一代产品一代材料一代制造技术一代产品一代结构和材料一代制造技术刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心——制造技术和加工效率发展刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心——加工方法和加工精度发展刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心制造业特点二：材料与结构融合工艺与装备融合航空：大客、军机航天：卫星、运载火箭两机：航发和燃机能源：核电和风机面向产品应用的制造装备与工艺技术结构工艺装备低成本复合材料构件材料结构一体化成套制造装备与工艺耐高温复合材料高效复合加工装备与工艺难加工金属材料与结构复合制造技术与装备综合效能最优的先进装备材料结构一体化设计制造材料一体化成形构件制造材料刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心工艺与装备融合智能化制造装备和生产系统刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心航空发动机零件Aero-engineParts制造业特点三：优质/高效/低耗/绿色是永恒的主题飞机结构件AircraftStructuralParts航天器关键结构件AerospaceParts刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心制造业特点四：制造技术和生产方式创新引发新技术革命刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心18世纪炮筒镗床,机动进给车床1952第一台三坐标数控铣床(MIT)‘1950s手动操作的普通车床床19世纪机械加工车间的机床1959第一台卧式镗铣加工中心(K&T)1967早期的FMS-System24,OmnilineI‘1960~1970计算机数控直接数控‘1980开放结构CNC‘1990高速机床虚轴机床‘2000复合加工机床DDT应用‘2010绿色化机床智能化机床‘2020更高更快更强更精。。。。。。。。。2.数控技术的发展与面临的挑战数控机床发展历程刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心电子管元件数控装置、穿孔带、三轴控制、旋转变流DC伺服，APT计算机数控装置、直接数控、晶闸管变流直流伺服智能数控装置——多功能、集成化、聪明化、绿色化。。。数控系统技术发展1952第一代~1959第二代晶体管数控装置、液压伺服~1965第三代~1969第四代~1985第五代~1990第六代~201x第七代？微型计算机数控装置、虚拟轴机床、PWM直流伺服集成电路数控装置、直接数控、电液伺服、步进电机基于PC的开放式数控装置、交流伺服、复合加工、DDT伺服刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心新的挑战之一——新型难加工材料典型实例：超高强度钢、高温合金、CFRP、C/C、C/SiC等结构件大量应用，提高客机有效载重量和军机性能直升机机身，减重、抗坠毁Quelle:Daimler.de航天器防/隔热部件，提升耐高温能力车身、船体、叶片等轻量化，提升民品经济性和竞争力要求：功率/转矩/刚性更大更好切削性能更强的刀具更高的切削加工效率高效优化的切削工艺数据支持新原理加工方法和装备刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心新的挑战之二——复杂结构零件典型实例：叶片、叶盘、机匣、大型整体结构件等整体叶轮/叶盘复杂型面叶片扩压器要求：五轴联动控制曲线曲面新型插补原理高效优化的加工轨迹规划基于特征的自动编程变形预测与控制技术刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心新的挑战之三——更高的加工质量要求典型实例：各种大直径镜片、大型壁板、隐身结构等要求：提高机床位置控制精度误差实时在线检测与补偿减少刀具磨损、变形主动和被动的振动抑制加工过程在线监控刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心新的挑战之四——绿色制造、加工能效的要求典型实例：碳排放、切削液排放、能效标准等新要求要求：绿色化机床设计加工程序、参数和工艺优化机床和车间能效分析与优化少/无切削液加工刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心新的挑战之五——CPS信息物理融合的要求要求：网络化控制的物理节点传感器信息融合加工过程远程监控赋予机床更多的智能虚拟加工刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心3.数控机床相关关键技术的发展数控机床关键技术主轴单元技术进给单元技术机床结构设计技术数控加工关键技术自动编程软件与技术数控加工工艺分析加工过程及参数优化数控系统关键技术硬件平台技术软件技术伺服协议刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心主轴单元技术Ref.:E.Abele,Y.Altintas,C.Brecher.Machinetoolspindleunits..CIRPAnnals-ManufacturingTechnology59(2010)781–802刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心智能主轴单元刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心直线电机和旋转丝杠驱动的适用范围运动轨迹生成机械谐振的主动抑制进给驱动单元技术刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心机床结构进化刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心多种机床新结构发展与应用刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心机电一体化支持技术——“控制-驱动-结构-切削”耦合刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心加工过程仿真优化与虚拟加工刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心虚拟加工技术MachPro©刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心4.对智能数控的思考及探索研究多轴联动——一般为四轴或五轴联动，可以实现更多轴的控制。高速主轴——最大主轴转速高于8000~12000r/min，可高达42000r/min甚至更高。高动态响应的进给系统——直线进给轴速度可达30~60m/min或更高，进给加速度达到1~2g。高精度——直线轴定位精度在微米数量级，并可实现更高的位置精度。高刚度——主轴系统、进给系统和机床结构应具有良好的静态刚度和动态刚度以及热稳定性。高性能数控的主要特征光栅尺工作台定子动子冷却管路基座滚动导轨电主轴冷却液压或气动夹紧系统预紧轴承电机编码器刀具接口刀具冷却力矩电机耳轴转台力矩电机驱动耳轴转台高精度高动态性能力矩电机驱动转台旋转编码器力矩电机直接驱动绝对式增量式转子多极定子涨紧套预紧的双面轴承电机托盘夹紧系统C-axis力矩电机带液压制动A-axis力矩电机带液压制动增量编码器轴承绝对编码器刀具接口力矩电机驱动双摆头电主轴刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心美国智能加工平台计划(SMPI)关于智能数控机床应具备的特征知晓自身的加工能力/条件，并且能与操作人员交流、共享这些信息能够自动监测和优化自身运行状况可以评定产品/输出的质量具备自学习与提高的能力符合通用标准，机器之间能无障碍地进行交流(例如：MTConnect)刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心高端数控机床的智能化技术DMG(德国)——CELOS智能化数控操作系统，防碰撞功能、自适应控制功能、五轴自动标定/补偿、主轴监控/诊断等MAZAK(日本)——IntelligentMachine智能机床，振动抑制、主轴监控、热位移控制以及防碰撞等功能SYMG(中国沈阳机床)——i5系统智能机床，SmartEngineering，i5——Industry/Information/Internet/Integrate/Intelligent，编程智能化、操作智能化、维护智能化、管理智能化HAIDENHAN(德国)——智能防碰撞、虚拟机床、动态高效、动态高精、自动校准和优化机床精度图片来自网络刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心智能数控机床功能特点虚拟机床技术自动上下料机构3D防碰撞工艺参数智能化修改与选择自动加工生产线技术智能化加工技术振动检测及抑制刀具监测故障自诊断自修复和故障回放智能化维护系统智能化状态监控与维护技术语音提示操作辅助系统远程访问与监控智能化操作界面与网络技术智能化热误差补偿智能化几何误差补偿系统智能化误差补偿技术自动识别负载自动调整参数自动优化自适应控制智能化驱动技术智能数控机床刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心马扎克机床智能化功能AVC——动态振动控制(ActiveVibrationControl)ITS——智能化热屏蔽(IntelligentThermalShield)ISS——智能化安全屏蔽(IntelligentSafetyShield)MVA——马扎克语音指南(MAZAKVoiceAdvisor)IPS——智能化主轴(IntelligentPerform.Spindle)IMS——智能化维修支持(IntelligentMachineSupport)刘强教授Prof.QiangLIU机械工程及自动化学院北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心智能化主轴(IPS)——对主轴的温度、振动、位移等状况进行