【正文】 數(shù)控機床加快機床高速化發(fā)展步伐 2 高精度超精密化加工 當(dāng)前機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍達(dá)到 5 微米精密加工精度提高了兩個數(shù)量級超精密加丁精度進入納米級 O． OOl 微米 主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到 O． 01005 微米加工圓度為 O． 1 微米加工表面粗糙度 Ra O． 003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工 特高精度加工 是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向其精度從微米級到亞微米級乃至納米級 lOnm 其應(yīng)用范圍日趨廣泛 3 高可靠性 是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上但也不是可靠性越高越好仍然是適度可靠對于每天工作兩班的無人工廠而言．如果要求在 16 小時內(nèi)連續(xù)正常工作無故障率 P t 99％以上的話則數(shù)控機床的平均無故障運行時間 MTBF 就必須大于 3000 小 時當(dāng)前國外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá) 60000小時以上驅(qū)動裝置達(dá) 30000 小時以上 2 模塊化智能化柔性化和集成化 1 模塊化專門化與個性化 為了適應(yīng)數(shù)控機床多品種小批量的特點機床結(jié)構(gòu)模塊化數(shù)控功能專門化機床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢 2 智能化 在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化如自適應(yīng)控制工藝參數(shù)自動生成②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化如前饋控制電機參數(shù)的自適應(yīng)運算等③簡化編程簡化操作方面的智能化④智能診斷智能監(jiān)控方面的內(nèi) 容等 3 柔性化和集成化 數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是從點 數(shù)控單機加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床 線 FMCFMSFTLFML 向面 工段車間獨立制造島工廠自動化 FA 體 cIMS 分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng) 的方向發(fā)展另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展 3 開放性 為適應(yīng)數(shù)控進線聯(lián)網(wǎng)普及型個性化多品種小批量柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié) 每的開放性設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)例如美國的 OMAC 歐共體的 OSACA 及日本的 OSEC 發(fā)展開放式數(shù)控的計劃等 4 出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備 1． 2 機床數(shù)控化改造業(yè)的發(fā)展及前景分析 機床數(shù)控化改造顧名思義就是在機床上增加微機控制裝置使其具有一定的自動化能力以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)它是根據(jù)生產(chǎn)實際需要提出并隨著機床行業(yè)以及技術(shù)的不斷進步而發(fā)展起來孵它的內(nèi)容是應(yīng)用成熟數(shù)控技術(shù)和經(jīng)驗以適應(yīng)生產(chǎn)的具體要求為目的對現(xiàn)有機床的局部結(jié)構(gòu)進行改造并安裝上新部件新裝置新附件用計算機控制機床的工作提高機床的技術(shù)性能指標(biāo)使之全部或局部達(dá)到新數(shù)控機床的水平 1． 2． 1 美國日本和德國等發(fā)達(dá)國家把機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè) 美國日本和德國等發(fā)達(dá)國家在大量生產(chǎn)數(shù)控機床的 同時還非常重視普通機床的數(shù)控化改造機床改造正逐步從制造業(yè)中分化出來并形成了把機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)如德國的 Schicss公司在 1981年把一臺加工直徑為 19rn的超重型立式車床改裝成數(shù)控機床在美國機床改造業(yè)稱為機床再 Remanufacturing 業(yè) 從 事 再 生 業(yè) 的 著 名 公 司 有 Bertsche 工程公司 ayton 機床公司 DcvliegBullavd 得寶 服務(wù)集團 US 設(shè)備公司等美國得寶公司已在中國開辦公司在日本機床改造業(yè)稱為機床改裝 Retrofitting 業(yè)從事改裝業(yè)的著名公司有大隈工程集團崗三機械 公司千代田工機公司野崎工程公司濱田工程公司山本工程公司等我國的機床改造業(yè)也從老的行業(yè)發(fā)展到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè) 1． 2． 2 機床數(shù)控化改造的內(nèi)容 1 恢復(fù)原功能對機床存在的故障部分進行診斷并恢復(fù) 2 選用成熟的數(shù)控系統(tǒng)對機床進行數(shù)控化改造 3 翻新為提高精度效率和自動化程度對機械電氣部分進行改造設(shè)計經(jīng)大修鑒定對機械部分重新裝配加工恢復(fù)原精度 4 技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新為提高性能或檔次或為了使用新工藝新技術(shù)在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新拓展其功能的更新改造 1． 2． 3 機床數(shù)控化改造 的優(yōu)越性 1． 2． 3． 1 機床數(shù)控化改造的技術(shù)優(yōu)越性 1 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有突出的優(yōu)越性而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)中計算機的作用 2 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線曲面等復(fù)雜的零件 3 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 到 7 倍傳統(tǒng)機床靠凸輪或擋塊等可實現(xiàn)剮性自動化且只有進行大批量生產(chǎn)時才經(jīng)濟合算而數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化從而使單件和小批生產(chǎn)得以白動化故稱之為柔性自動化 4 加工的零件精度高尺寸分散度小裝配容易不再需要修配這是由于加工過程自動化不受人的情緒 和疲勞影響的結(jié)果計算機還可以自動進行刀具壽命管理不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性數(shù)控系統(tǒng)中增加的機床誤差加工誤差修正補償?shù)墓δ苁辜庸ぞ鹊玫竭M一步提高 5 可實現(xiàn)多工序的集中減少零件在機床問的頻繁搬運這是自動化帶來的效果 可以自動換 y3 如加工中心在工件裝夾好后可實現(xiàn)鉆銑攻絲擴孔等多工序的加工這些多工序是在同一基面同一次裝夾下實現(xiàn)的提高了相關(guān)的加工精度現(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機床如車削中心車銑中心磨削中心等 6 擁有自動報警自動監(jiān)控自動補償?shù)榷喾N自律功能因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工 7 數(shù)控加工降 低了工人的勞動強度節(jié)省了勞動力減少了工裝縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期并可對市場需求做出快速反應(yīng) 1． 2． 3． 2 機床數(shù)控化改造的客觀優(yōu)越性 1 費用低 經(jīng)濟性好改造周期短可滿足生產(chǎn)急需同可購置新機床相比一般可以節(jié)省 60％～ 80％的費用改造費用低特別是大型特殊機床尤其明顯一般大型機床改造只花新機床購置費用的 I／ 3 以大型的龍門加工中心為例進口新的需要1000_一 5000 萬元而升級改造只需要 100～ 500 萬元僅占成本的 1／ 10 且交貨期短 2 改造后的機床機械性能穩(wěn)定可靠功能增強質(zhì)量好效率高可作為新設(shè)備繼續(xù) 使用多年 3 降低了對操作者的技術(shù)要求更易提高管理水平操作者只需編程裝夾工件和按開關(guān)加工全部由電腦控制自動完成即使再復(fù)雜的工件也能快速完成省去了對技術(shù)要求的煩惱同時提高了定額管理水平 4 可以采用雖新的控制技術(shù)可根據(jù)技術(shù)革新的速度及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率提高設(shè)備質(zhì)量和檔次將舊機床改成具有當(dāng)今水平的機床 1． 2． 4 機床數(shù)控化改造的現(xiàn)實意義與市場前景 目前在我國 400 余萬臺機床擁有量中數(shù)控機床總數(shù)只有 11． 34 萬臺機床數(shù)控化率不到 3％而陳舊普通機床占到 6 O％之多這些舊裝備 機床 大部分結(jié)構(gòu) 陳舊操作系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)落后用這種舊裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差品種少檔次低成本高供貨期長從而在國際國內(nèi)市場上缺乏競爭力直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品市場效益影響企業(yè)的生存和發(fā)展如果購置新機床全部去取代舊機床顯然義會導(dǎo)致舊機床的閑置和巨大浪費也不現(xiàn)實況且購買一臺數(shù)控機床動輒十幾萬幾十萬甚至上百萬在我國一些企業(yè)是很難承受的因此如何用較少的費用獲得具有數(shù)控功能的機床就成為一個值得探討的問題普通機床數(shù)控化升級改造不失為一種行之有效的方法并可為企業(yè)節(jié)約大量資金具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景如國防科技工業(yè)完成了 3000 多臺普通機床數(shù)控化改造改造后生產(chǎn)效率提高約 3 倍加工精度提高 20％與新購設(shè)備相比可節(jié)約資金 50％以上 1． 3 課題背景意義及研究目標(biāo) 1． 3． 1 課題背景意義 1 專家預(yù)言 專家們預(yù)言二十一世紀(jì)機械制造業(yè)的競爭其實質(zhì)是數(shù)控技術(shù)的競爭最終是數(shù)控人才的競爭中國加入世貿(mào)組織后正在逐步變成世界制造中心制造企業(yè)已開始廣泛使用先進的數(shù)控技術(shù)而掌握數(shù)控技術(shù)的機電復(fù)合人才奇缺月薪 6000 難聘數(shù)控技工年薪 16 萬招不到模具技工成為全社會普遍關(guān)注的熱點問題從而引起了中央領(lǐng)導(dǎo)教育部勞動與社會保障部等政府部門的高度重視 2021 年 教育部已明確把數(shù)控人才列為社會四大緊缺性人才之一 2021 年數(shù)控人才缺口仍高達(dá) 60 萬 2 企業(yè)人才需求現(xiàn)狀 1 藍(lán)領(lǐng)層主要從事數(shù)控機床的操作在企業(yè)需求的數(shù)控崗位中占先 70． 13％是企業(yè)數(shù)控人才需求量最大的部分 2 銀領(lǐng)層主要指企業(yè)目前急需的人才 ①具有扎實的數(shù)控加工工藝及編程基本理論知識和操作技能的工藝編程人員在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占 12． 6％ ②具有較強的數(shù)控設(shè)備機械電氣調(diào)試及維護維修動手能力的數(shù)控設(shè)備維修人員在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占 12．％ 3 金領(lǐng)層主要指精通機電機電聯(lián)調(diào)機床操作編程及維修的數(shù)控高層 次技術(shù)人才在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中占 4． 83％ 3 數(shù)控技術(shù)教育現(xiàn)狀 第二章 數(shù)控機床及控制方式 2． 1 數(shù)控機床的組成及工作原理 數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機床或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床國際信息處聯(lián)盟 International Federation ofInformation ProcessingIFIP 第五技術(shù)委員會對數(shù)控機床作了如下定義數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號指令規(guī)定的程序 2 1． 1 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床通常由程序載體 控制介質(zhì) 輸入裝置數(shù) 控裝置伺服系統(tǒng)位置反饋系統(tǒng)和機床本體組成如圖 2I 所示其中實線部分為開環(huán)控制數(shù)控機床框圖上述系統(tǒng)再加上虛線部分就構(gòu)成具有測量反饋功能的閉環(huán)控制數(shù)控機床框圖 1 控制介質(zhì) 信息載體 數(shù)控機床加工時為了得到圖樣上所規(guī)定的零件形狀和加工精度在加工過程中機床所需要的全部操作動作和刀具相對于工件的運動軌跡都是由我們按著一定的要求和順序編成控制指令即加工程序并把它存放在一種存儲物上此存儲物就是在人和機床之間建立聯(lián)系的媒介物也就是控制介質(zhì)或稱信息載體控制介質(zhì)可以是穿孔紙帶磁帶磁盤或其他可存儲物質(zhì) 2 數(shù)控裝置數(shù)控裝 置 是數(shù)控機床的中心環(huán)節(jié)它接受控制介質(zhì)輸入的信息經(jīng)過處理與運算去控制機床動作數(shù)控裝置由輸入裝置存儲器控制器及一套處理數(shù)控加工的相關(guān)軟件運算器和輸出裝置組成 3 伺服系統(tǒng) 是數(shù)控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)它把來自數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)變?yōu)闄C床部件的運動使工作臺和主軸按規(guī)定的動作運動加工出合格產(chǎn)品 2． 1． 2 數(shù)控機床的工作原理 1 在使用數(shù)控機床進行數(shù)控加工時把零件的加工信息 如零件尺寸形狀和技術(shù)條件 編出工件加工程序?qū)⒓庸すぜr刀具相對于工件的位置和機床全部動作順序按規(guī)定格式和代碼記錄在信息載體上 2 把信息載 體 控制介質(zhì) 即工件加工程序輸入計算機數(shù)控裝置 3 數(shù)控裝置接收由穿孔帶閱讀機磁盤鍵盤等送入的代碼信息經(jīng)過識別與譯碼之后送到指定存儲區(qū)作為控制與運算的原始數(shù)據(jù) 4 伺服驅(qū)動系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的運動指令轉(zhuǎn)變成機床移動部件的運動使工作臺按規(guī)定軌跡移動或定位加工出符合圖樣要求的工件 5 輔助裝置把計算機送來的輔助控制指令經(jīng)機床接口電路轉(zhuǎn)換成強電信號用來控制機床主軸電機的啟動停車主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整冷卻泵啟停以及轉(zhuǎn)位換刀 6 反饋系統(tǒng)將機床移動的實際位置速度參數(shù)檢測出來轉(zhuǎn)換成電信號并反饋到計算機中使計算機隨時判斷機 床的實際位置速度是否與指令一致并發(fā)出相應(yīng)指令糾正所產(chǎn)生的誤差零件在機床上加工過程如圖 21 所示當(dāng)改變加工上件時在數(shù)控機床上只需改變加工程序即可進行新零件加工 2． 2 數(shù)控機床控制方式選擇 2． 2． 1 位置控制方式分類 伺服系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)位置控制按其結(jié)構(gòu)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制 2． 2． 1． 1 開環(huán)控制形式 如圖 22 是典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)其中沒有位置檢測反饋裝置指令是單方向傳送的并且指令發(fā)出后不再反饋回來故稱開環(huán)控制開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要使用步進電機插補器進行插補發(fā)出指令脈沖經(jīng)驅(qū)動放大電 路放大后驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一個進給脈沖使步進電機轉(zhuǎn)動一個角度通過齒輪減速絲杠傳動使工作臺移動一定距離因此工作臺的位移量與步進電機的轉(zhuǎn)角成正比即與進給脈沖數(shù)目成正比改變進給脈沖數(shù)目和頻率可以控制工作臺的移動量和速度 開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單調(diào)試方便容易維修成本較低但控制精度不高適宜于經(jīng)濟型數(shù)控機床及數(shù)控改造 2． 2． 1． 2 閉環(huán)控制形式 安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺的實際位移量反饋到計算機中與所要求的位移量相比較用比較的差值進行控制直到差值消除為止從而使精度大大提高如圖 23 所示閉環(huán)控制加工精度高移動速度快但電機控制 電路比較復(fù)雜檢測原件價格昂貴調(diào)試維修費用高 2． 2． 1． 3 半閉環(huán)控制形式 半閉環(huán)控制沒有直接檢測工作臺的位移量原因是檢測元件安裝在電機的端頭或絲杠的端頭閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠螺母副工作所以可獲得較穩(wěn)定的控制特性控制精度比閉環(huán)控制的要差但控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便如圖 2_4 所示 2． 2． 14 結(jié)論 目前機床數(shù)控化改造大多采用經(jīng)濟型數(shù)控改造即開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)來提高機床的自動化程度和機床的加工精度 X5032 銑床數(shù)控化改造采用的即是開環(huán)控制形式 2． 2． 2 步進電機的開環(huán)控制 步進電機是典型的開環(huán)驅(qū)動裝置與所選定的 wA 一 21M 數(shù)控 系統(tǒng)相匹配是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置其角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴(yán)格的成正比在時間上與輸入脈沖同步 2． 2． 2． 1 步進電機的工作原理 I 步進電機的定子繞組每換接一次通電相序 步進電機轉(zhuǎn)子就沿某