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机床数控化的发展及改造

    工业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外,还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。

    随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。机床数控化是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

2、 可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高3~7倍。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了“柔性自动化”。

3、加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要“修配”。

4、可实现多工序的集中,减少零件 在机床间的频繁搬运。

5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工。

    我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。近10年来,我国数控机床年产量约为0.6~0.8万台,年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20%,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

    自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计,从1979~1988年10年间,全国引进技术改造项目就有18446项,大约165.8亿美元。这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间,需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。只要找出主要的技术难点,解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。

    在美国、日本和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。

    机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点:

一、恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;

二、NC化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成NC机床、CNC机床;

三、翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新;

四、技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。

    数控系统主要有三种类型,改造时,应根据具体情况进行选择。

1、步进电机拖动的开环系统

    该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序,便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端,故称之为开环系统,该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动元件的节距精度,所以系统的位移精度较低。该系统结构简单,调试维修方便,工作可靠,成本低,易改装成功。

2、异步电动机或直流电机拖动,光栅测量反馈的闭环数控系统

    该系统与开环系统的区别是:由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号,随时与给定值进行比较,将两者的差值放大和变换,驱动执行机构,以给定的速度向着消除偏差的方向运动,直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂,成本也高,对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度,更快的速度,驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求,决定是否采用这种系统。

3、交/直流伺服电机拖动,编码器反馈的半闭环数控系统

    半闭环系统检测元件安装在中间传动件上,间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差,因此,它的精度比闭环系统的精度低,但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。

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