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数控机床技术的发展分析

    近6年来我国数控机床一直处于持续地以年均增长超过30%的速度快速发展,据初步统计2004年数控机床的产量约50000台,同比年增长35.8%,数控机床的消费量超过70000台,同比年约增长32%。数控机床需求的旺盛也促进了2004年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。但是,进口的数控机床数量也在逐年同步增加,而且进口数控机床金额的增长趋势更快。2004年数控机床的进口数量同比年增长近30%,而进口金额的增长近50%,从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例已不足30%,降至近几年的最低。之所以出现这一现象,其主要原因在于国内市场急需的技术含量和附加值高的数控机床,绝大多数须依赖进口。如上所述,机床制造业在近年取得数控机床快速增长业绩下也面临着新的机遇与挑战。因此,对制造业发展动向的分析将有助于推进数控机床技术实现跨越式发展的目标。

    1998年美国为振兴其制造业制订了“集成制造技术计划及其路线图计划(IMTI及IMTR)”,提出了包括信息、制造和产品创新三个方面的六项策略。即:

1、信息系统高度集成化:企业管理系统的集成化;技术、制造与管理系统无缝联接,即插即用。

2、制造系统敏捷化:柔性化、可重构与分布式生产;智能化的工艺与装备。

3、产品设计的创新与优化:设计与制造全面集成与优化;基于科学(知识)的制造。

    从我国制造业的基础和发展进程来讲,还不能与美国一样立刻进入全面集成和完全的数字化制造阶段,尚需较多地关注一些基础制造装备及其相关技术的研究,提高其融合信息化和数字化制造与管理的能力,为适应未来制造的需要建立基础。数控技术的总的发展趋势是:高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化,并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳为下列八个方面:

1、持续地提高经济加工精度

    从1950年至2000年的50年内加工精度提升100倍左右,即加工精度平均每8年提高1倍,当前的普通精度加工已达上世纪50年代的精密加工水平。以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平,国内大致为0.008~0.010mm,而国际先进水平为0.002~0.003mm,按上述统计规律分析差距约为15年左右。

2、推进全面高速化实现高效制造

    在刀具材料和结构发展的支持下,切削速度不断地提高,实际生产中车、铣45号钢由1950年的80~100m/min,至2000年普遍达500~600m/min,50年内切削速度提高了5倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化,不仅要缩短切削时间,也要力求降低辅助时间和技术准备时间。

3、复合加工机床促进新一代高效机床的形成

    复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点,可以分为如下两类:

    工艺复合型:为跨加工类别的复合机床,包括不同加工方法和工艺的复合,如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。

    工序复合型:应用刀具(铣头)自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置增加工件在一次安装下的加工工序数,如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等。

    复合数控机床具有良好的工艺适用性,避免了在制品的储存和传输等环节,有力地支援了准时制造(JIT),因此对它的研发已被给予了极大的关注。

4、工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现

    通过对机床布局和结构的创新,使对不同类型的零件加工具有最佳的适用,避免一方面出现不能发挥最佳性能,另一方面又存在功能冗馀的现象。要解决品种多样化与经济性的矛盾,这就要对机床的模块化设计提出了更高的要求,近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究以及对可重构机床(Reconfigurable Machine Tools,简称RMT)技术的探索,反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。

5、智能化和集成化成为数字化制造的重要支撑技术

    信息技术的发展及其与传统机床的相融合,使机床朝着数字化、集成化和智能化的方向发展。数字化制造装备、数字化生产线、数字化工厂的应用空间将越来越大;而采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能,将大大提升成形和加工精度、提高制造效率。

6、发展适应敏捷制造和网络化分布式的制造系统

    回顾近10年来制造系统的发展历程,基本上遵循以下两个方向:增强制造系统的智能化和自治管理功能,以提高FMC/FMS的快速响应能力;发展兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于重构的新型制造系统以适应不确定性的市场环境。这类新型制造系统称为快速重组制造系统(RRMS)或可重构制造系统(RMS)。其原理为通过对制造系统中的设备配置的调整或更换设备上的功能模块来迅速构成适应新产品生产的制造系统。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性,而且硬件也要有开放性成为功能可重构的机床,即如前面提到的可重构机床(RMT)。

7、向大型化和微小化两极发展

    能源装备的大型化及航空航天事业等的发展,需要重型立式卧式加工中心和铣车中心。微米纳米技术是21世纪的战略高技术,正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。

8、配套装置和功能部件的品种质量日臻完善

    不仅数控系统(含数控装置和伺服驱动装置)有专业化生产厂,举凡关键的通用性功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、直线滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些着名的专业化生产厂,这对保证产品质量,增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。完善的高集成度的专用电路系统的研发,仍是数控系统可靠性继续增长和结构小型化的一项重要措施。

    从上世纪80年代起,我国机床制造业的发展虽有起伏,但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。经过“九五”国家科技攻关与“863”数控产业化项目,形成了数控车床和加工中心(包括数控铣床)的产业化生产基地,所生产的普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面,与国外一些先进产品和技术发展趋势对比,仍存在较大差距,大部分处于技术跟踪阶段。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础,它的发展一直备受关注。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目,它开创了机械产品向机电一体化发展的先河,因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面,通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用促进了数控机床性能和质量的进一步提升。

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