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高性能數(shù)控加工中心 1 引言數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品比較還有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。加工中心是數(shù)控技術(shù)的集中體現(xiàn)，市場(chǎng)活躍、需求旺盛，成為當(dāng)前和未來(lái)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)爭(zhēng)奪的前沿。如果我們研究國(guó)外高性能加工中心的發(fā)展趨勢(shì)，提高自主開(kāi)發(fā)能力，積極培育新產(chǎn)品，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)將失去核心競(jìng)爭(zhēng)力。 2 高性能加工中心的特點(diǎn) 高性能加工中心意味什么？它有哪些主要特征？我認(rèn)為，應(yīng)首先滿足用戶以下要求：（1）精度和可靠性高機(jī)床的性能是穩(wěn)定的，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)、并能夠“保證”零件的加工質(zhì)量，而不是領(lǐng)先加工后的檢驗(yàn)工序。（2）工序集約、復(fù)合加工在一臺(tái)機(jī)床上盡可能加工完畢一個(gè)零件的所有工序，同時(shí)又保持機(jī)床的通用性，能夠迅速適應(yīng)加工對(duì)象的改變。（3）信息化和智能化加工中心不僅提供“體力”，也有“頭腦”，能夠獨(dú)立自主地管理自己，并與企業(yè)的管理系統(tǒng)和人通信，從而使企業(yè)管理人員和操作者、供應(yīng)站和用戶能夠隨時(shí)知道機(jī)床的狀態(tài)和加工能力。（4）高性能不僅是某幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)高，還要體現(xiàn)在機(jī)床的生產(chǎn)效率高、運(yùn)行成本低，環(huán)境污染少，人機(jī)界友好。為了達(dá)到上述要求，新一代加工中心必須具有以下特征：（1）機(jī)床不僅具有很高的幾何精度，符合出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（相當(dāng)ISO230-1），還必須具有很高的運(yùn)動(dòng)軌跡精度（ISO-3，以及新的ISO-7）和動(dòng)態(tài)性能。（2）機(jī)床的加工精度，以及其可重復(fù)性和可依賴度高，性能長(zhǎng)期穩(wěn)定，能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)，并“保證”零件的加工質(zhì)量。（3）機(jī)床具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)功能。機(jī)床的加工過(guò)程是在一系列傳感器的監(jiān)視下進(jìn)行的。 3 復(fù)合加工高性能加工中心除具有高速和高精度的特征外，另一發(fā)展趨勢(shì)是工序集約化，即在一臺(tái)機(jī)床上能加工完成一個(gè)零件的所有工序。近年來(lái)，車釬復(fù)合加工有很大的進(jìn)展。例如，Index公司的最新推出的模塊化車銑復(fù)合加工中心就能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等許多工序，根據(jù)用戶需要構(gòu)建成為完整加工機(jī)床，如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，這種以車削加工中心為基礎(chǔ)復(fù)合加工機(jī)床，借助不同結(jié)構(gòu)的刀具轉(zhuǎn)塔和銑削頭可以進(jìn)行車削、銑削等加工工序。在車削工作時(shí)，有兩個(gè)12把刀具的刀架可以完成各種復(fù)雜的車削工序。在銑削工作時(shí)，刀架轉(zhuǎn)過(guò)90度，兩個(gè)由電主軸驅(qū)動(dòng)的銑頭可在不同方向進(jìn)行銑削加工從而完成一個(gè)零件全部加工工序，實(shí)現(xiàn)了完整加工。當(dāng)加工需要磨削零件時(shí)，也可以換上磨頭進(jìn)行磨削。工序集約化不僅提高了工藝的有效性，由于零件在整個(gè)加工過(guò)程中只有一次裝夾，加工的精度更容易獲得保證。復(fù)合加工大大縮短了生產(chǎn)過(guò)程鏈，而且由于把加工任務(wù)只交給一個(gè)工作崗位，不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃高度簡(jiǎn)化，而且無(wú)需復(fù)雜的計(jì)劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。由于過(guò)程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，簡(jiǎn)化了物料流和工夾具管理，縮短了生產(chǎn)周期，占地面積和維護(hù)費(fèi)用也隨之減少，從而降低了生產(chǎn)成本。 4 自主管理高性能加工中心不單純是加工設(shè)備，往往還是企業(yè)的生產(chǎn)組織單元，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)床替代了若干臺(tái)機(jī)床，是一個(gè)自動(dòng)化的工段。例如，日本Mazak是公司生產(chǎn)的e410H型車銑復(fù)合加工機(jī)床，不僅實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程和刀具交換的自動(dòng)化，能夠進(jìn)行零件的完整加工，還配備了計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音、圖形、視像和文本的通信功能。因此，它不僅能與MES、SCM和CRM聯(lián)網(wǎng)，及時(shí)反映工作地狀態(tài)、加工進(jìn)度、特料和刀具需求，還可以通過(guò)手機(jī)查詢定單完成情況，發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。近年來(lái)隨著移動(dòng)通信的普及，這個(gè)領(lǐng)域有很大進(jìn)展和廣闊的前景。 5 新的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理德國(guó)Chiron公司最新推的Vision型高速加工中心是一臺(tái)具有創(chuàng)意的產(chǎn)品。該機(jī)床的外觀和機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖中可見(jiàn)，主軸部件彩框架式以型結(jié)構(gòu)和入式并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其原理是兩個(gè)桿件和鉸鏈將主軸部件與機(jī)床框架連接，在直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，桿件前后伸縮，完成主軸部件睥X和Y坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。主軸的Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)由傳統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)。機(jī)床的前方還配置有兩坐標(biāo)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)數(shù)控加工。 6 新一代數(shù)控系統(tǒng) 為了使數(shù)控機(jī)床成為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)必須是開(kāi)放的，具有下表所列的特征。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。Andron公司的最新產(chǎn)品Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)是新一代基于微機(jī)的、在Windows平臺(tái)上的開(kāi)放式系統(tǒng)，其內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)。它采用由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和兩個(gè)Intel處理器，通過(guò)PCI-PCI橋進(jìn)行相互通信一個(gè)處理器承擔(dān)數(shù)控運(yùn)算（NC計(jì)算機(jī)），另一個(gè)人機(jī)界面計(jì)算機(jī)。NC計(jì)算機(jī)中插有NC CPU卡、NC機(jī)床卡。NC機(jī)床卡與數(shù)控驅(qū)動(dòng)裝置連接，并且通過(guò)2塊帶PCI橋的總線卡與人機(jī)界面計(jì)算機(jī)通信。人機(jī)界面計(jì)算機(jī)地內(nèi)部總線卡與數(shù)控系統(tǒng)操作面板和外部接口連接。人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的CPU卡控制觸模式LCD顯示屏以及計(jì)算機(jī)外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)通信。 7 聰明加工系統(tǒng) 機(jī)床在加工過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生各種誤差，需要彩現(xiàn)代監(jiān)控和補(bǔ)償技術(shù)，以進(jìn)一步提高機(jī)床的性能和通信能力。 2005年，在增強(qiáng)美國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的知道思想下，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（www.nist.gov）提出“聰明加工系統(tǒng)”（Smart Machining System）的研究計(jì)劃。聰明加工系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是制造系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，其主要特征是：（1）性能超群，知道本系統(tǒng)的加工能力和狀態(tài)并能夠上層進(jìn)行通信（獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)?wù)拢? （2）能夠自行度量加工（輸出）的質(zhì)量，能夠監(jiān)控和自主優(yōu)化加工過(guò)程（自診斷）。（3）智能化和人性化，能夠不斷持續(xù)學(xué)習(xí)和提高自己的能力，具有知識(shí)獲取、重用和管理的功能。聰明加工系統(tǒng)的5大目標(biāo)是：（1）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。將相關(guān)工藝過(guò)程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。（2）開(kāi)發(fā)特征化的測(cè)量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行測(cè)量和通信。（3）采用下一代數(shù)控系統(tǒng)。與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于模型的控制能夠無(wú)縫運(yùn)行。（4）狀態(tài)監(jiān)控和可靠性，開(kāi)發(fā)測(cè)量、傳感和分析方法。在加工過(guò)程中直接測(cè)量刀具磨損和工件精度的方法。 8 結(jié)束語(yǔ) 復(fù)合加工方法的出現(xiàn)，使數(shù)控機(jī)床不僅是高效加工設(shè)備，而且是企業(yè)組織中的自主管理生產(chǎn)單元。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是將數(shù)控機(jī)床納入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的先決條件。SETP-NC使制造和監(jiān)控成為可能。發(fā)展高性能加工中心的最終目標(biāo)是大幅度提高生產(chǎn)率。


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