数控机床发展的新趋势

作者：同济大学现代制造技术研究所 张曙

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 随着制造技术的发展，对现代数控机床的要求越来越高，借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高，我国机床工业不能安于现状，必须改变观念，立足创新，迎头赶上。 引 言 数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。 2003年我国机床消费额达到67.3亿美元，居世界第一位，其中数控机床占57%（37.5亿美元）。国内生产数控机床36813台（产值约10.4亿美元），创历史新高。 但是，我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有很大差距，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高档数控机床及功能部件大多数依靠进口。 特别应该引起注意的是，国产数控机床市场占有率逐年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%，而进口额逐年上升，1999年为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。 因此，尽管当前市场活跃、需求旺盛，如果只顾眼前生产，不了解国外数控机床的发展趋势，提高自主开发能力，积极培育新产品，那么在高潮过去以后，我国的机床工业将更加缺乏竞争力，有可能在家门口就被人家打得一败涂地。 现代数控机床的特征 随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，例如，铝合金的广泛应用，高速加工数控机床就成为当前的热点。 数控机床的发展趋势是什么？它有那些主要特征？我认为，应首先满足用户以下要求： 1) 精度和可靠性高，机床的性能是稳定的，能够在不同运行条件下完成多种加工任务、并能够“保证”零件的加工质量，而不是依靠加工后的检验工序。 2) 工序集约化，在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。 3) 机床的信息化和智能化，加工设备不仅提供“体力”，也有“头脑”，能够独立自主地管理自己，并与企业的管理系统和人通信，从而使企业管理人员和操作者、供应商和用户能够随时知道机床的状态和加工能力。 4) 机床的效率高、运行成本低，环境污染少，人机界面友好。 为了达到上述要求，新一代数控机床必须具有以下特征： 1) 机床不仅具有很高的几何精度，符合出厂经验标准（相当ISO 230-1），还必需具有很高的运动轨迹精度（ISO 230-3，以及新的ISO-7)，采用网格解码器（grid encoder）检查和提高加工中心运动轨迹精度的实例如图1所示。 2) 机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并“保证”零件的加工质量。 3) 机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护功能。机床的加工过程是在一系列尺寸、温度和振动传感器的监视下进行的。在偏离设定值时，会自动调整工作参数，超出极限值时，能够报警或停止工作。采用加速度和声音传感器监控的机床工作状态的曲线，如图2所示。 设计现代化 产品是企业活动的源头，设计决定企业兴衰。目前我国机床工业新产品发展主要依靠技术引进，如宁夏的小巨人、北一大隈、大连INDEX等。大多数企业在研发领域的投入不足销售额的1%，新产品开发能力薄弱。 振兴我国机床工业，推进信息化工程，首先应该从新产品开发抓起，从设计现代化抓起，普及三维CAD、有限元分析、计算机辅助制造和产品数据管理，即CAD/CAE/CAM/PDM。 尽管目前机床生产还离不开二维工程图样，但三维CAD是机械产品创新的基础，借助三维实体模型可以形象地描述机床部件的空间位置及其相互关系，进行零部件和整机的有限元分析，以及自动编制关键零件的数控加工程序等。 一台车削加工中心的三维实体模型如图3所示。从图中可见，机床部件空间关系复杂，有前后两个纵向溜板，每个溜板上都有动力刀具转塔，除可安装各种车刀外，还可以安装铣刀、绞刀、钻头，完成一个零件的全部加工工序。利用三维CAD的动画功能，还可以使有关部件运动，检验在不同位置时相互是否碰撞或干涉。 工序集约化 工序集约化是指在一台机床上能加工完毕一个零件的所有工序，五面体镗铣加工中心就是其中典型的例子。近年来，数控车床的工序集约化也有很大进展。 例如，德国Index公司的最新推出的车削加工中心就能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序，完成复杂零件的全部加工。机床的结构是模块化的，如图4所示。 工序集约化，通常也称为复合加工或完整加工（complete machining）。 车削加工中心借助不同结构的刀具转塔可以进行车削、铣削等加工工序，如图5所示。 从图5的上图可见，在车削工作时，有两个12把刀具的刀架可以完成各种复杂的车削工序。在铣削工作时，刀架转过90o，两个由电主轴驱动的铣头可在不同方向进行铣削加工，如图5下图所示。这样就完成一个零件全部加工工序。 工序集约化不仅提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中只有一次装卡，加工的精度更容易获得保证。 当加工需要磨削的零件时，也可以换上磨头进行磨削。完整加工大大缩短了生产过程链，而且由于把加工任务只交给一个工作岗位，不仅使生产管理和计划调度简化，而且透明度明显提高，无需复杂的计划系统就能够迅速解决所发生的事情并使之优化，工件越复杂，它相对传统工序分散的生产方法的优势就越明显。 由于过程链的缩短和设备数量的减少，占地面积和维护费用也随之减少，从而降低了生产成本。 新型功能部件 为了缩短数控机床的开发和试制周期，需要高性能和可靠的新型功能部件。具有代表性的新型功能部件是： 1) 高频电主轴。 2) 直线电动机。 3) 电滚珠丝杆。 一、高频电主轴 高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成。具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控机床中已经获得广泛的应用。典型高频电主轴的结构如图7所示。 从图中可见，电主轴的结构十分紧凑，通常又在高速下运转，因而它的关键技术是如何解决它的发热问题。首先是轴承材料和精度，轴承的内外环采用高氮合金钢制造，配以陶瓷滚动元件，其次是润滑技术，再次是密封技术和冷却技术，最后是减少电动机的发热。 二、直线电动机 近年来，直线电动机的应用日益广泛。直线电动机的价格虽然高于传统的伺服系统，但简化了机械传动结构，提高了机床的动态性能。西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机的外观如图8所示。 1FN1系列直线电动机是专门为动态性能和运动精度要求高的机床设计的，分为初级和次级两个部件，次级部件采用永磁式，具有完善的冷却系统隔热措施，热稳定性良好。 1FN1直线电动机能够适应各种切削加工的环境，配置SIMODRIVE 611数字变频系统后，就成为独立的驱动系统，可以直接安装到机床上，适用于高速铣床、加工中心、磨床以及并联运动机床。1FN1系列直线电动机的外观如图8所示。 1FN1系列直线电动机的特点如下： 1) 配有主冷却和精密冷却两套冷却回路，再加上隔热层，保证电动机的发热对机床没有影响。 2) 电动机部件全部金属密封，尽可能防止有腐蚀性的液体和空气间隙中的微粒侵入。 3) 独立部件，安装简便，即插即用。 4) 驱动力的波动经过优化，过载特性良好。 一台采用直线电动机的加工中心内部结构如图9所示。 从图中可见，该机床主轴部件沿横梁导轨左右移动，横梁沿立柱导轨上下移动，工作台沿床身导轨前后移，三个坐标运动皆采用直线电动机。移动速度高达120m/min，加速度高达2g，机床的动态性能有明显提高。 三、电滚珠丝杆 电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成。具有减少传动环节、结构紧凑等一系列优点。采用电滚珠丝杆可以大大简化数控机床的结构，电滚珠丝杆的内部结构如图10所示。 一台采用电滚珠丝杆的数控机床的总体配置如图11所示，其中蓝色为伺服电动机，红色为滚珠丝杆和直线滚动导轨，机床的结构大为简化。 结束语 随着制造技术的发展，对现代数控机床的要求越来越高，借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高，我国机床工业不能安于现状，必须改变观念，立足创新，迎头赶上。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/18/2005)