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國(guó)內(nèi)機(jī)床制造技術(shù)發(fā)展方向淺析

       1.機(jī)床的高速化

　　隨著汽車、航空航天等工業(yè)輕合金材料的廣泛應(yīng)用，高速加工已成為制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。高速加工具有縮短加工時(shí)間、提高加工精度和表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在模具制造等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。機(jī)床的高速化需要新的數(shù)控系統(tǒng)、高速電主軸和高速伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，以及機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕量化。高速加工不僅是設(shè)備本身，而是機(jī)床、刀具、刀柄、夾具和數(shù)控編程技術(shù)，以及人員素質(zhì)的集成。高速化的zui終目的是化，機(jī)床僅是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一，絕非全部，生產(chǎn)效率和效益在"刀尖"上。

　　2.機(jī)床的精密化

　　按照加工精度，機(jī)床可分為普通機(jī)床、精密機(jī)床和超精機(jī)床，加工精度大約每8年提高一倍。數(shù)控機(jī)床的定位精度即將告別微米時(shí)代而進(jìn)入亞微米時(shí)代，超精密數(shù)控機(jī)床正在向納米進(jìn)軍。在未來10年，精密化與高速化、智能化和微型化匯合而成新一代機(jī)床。機(jī)床的精密化不僅是汽車、電子、醫(yī)療器械等工業(yè)的迫切需求，還直接關(guān)系到航空航天、導(dǎo)彈衛(wèi)星、新型武器等國(guó)防工業(yè)的現(xiàn)代化。

　　3.從工序復(fù)合到完整加工

　　70年代出現(xiàn)的加工中心開多工序集成之先河，現(xiàn)已發(fā)展到"完整加工"，即在一臺(tái)機(jī)床上完成復(fù)雜零件的全部加工工序。完整加工通過工藝過程集成，一次裝卡就把一個(gè)零件加工過程全部完成。由于減少裝卡次數(shù)，提高了加工精度，易于保證過程的高可靠性和實(shí)現(xiàn)*生產(chǎn)。此外，完整加工縮短了加工過程鏈和輔助時(shí)間，減少了機(jī)床臺(tái)數(shù)，簡(jiǎn)化了物料流，提高了生產(chǎn)設(shè)備的柔性，生產(chǎn)總占地面積小，使投資更加有效。

　　4.機(jī)床的信息化

　　機(jī)床信息化的典型案例是Mazak 410H，該機(jī)床配備有信息塔，實(shí)現(xiàn)了工作地的自主管理。信息塔具有語音、文本和視像等通訊功能。與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，下載工作指令和加工程序。工件試切時(shí)，可在屏幕上觀察加工過程。信息塔實(shí)時(shí)反映機(jī)床工作狀態(tài)和加工進(jìn)度，并可以通過手機(jī)查詢。信息塔同時(shí)進(jìn)行工作地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和刀具壽命管理，以及故障報(bào)警顯示、在線幫助排除。機(jī)床操作權(quán)限需經(jīng)指紋確認(rèn)。

　　5.機(jī)床的智能化-測(cè)量、監(jiān)控和補(bǔ)償

　　機(jī)床智能化包括在線測(cè)量、監(jiān)控和補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)及其閉環(huán)控制就是簡(jiǎn)單的應(yīng)用案例。為了進(jìn)一步提高加工精度，機(jī)床的圓周運(yùn)動(dòng)精度和刀頭點(diǎn)的空間位置，可以通過球桿儀和激光測(cè)量后，輸入數(shù)控系統(tǒng)加以補(bǔ)償。未來的數(shù)控機(jī)床將會(huì)配備各種微型傳感器，以監(jiān)控切削力、振動(dòng)、熱變形等所產(chǎn)生的誤差，并自動(dòng)加以補(bǔ)償或調(diào)整機(jī)床工作狀態(tài)，以提高機(jī)床的工作精度和穩(wěn)定性。

       6.機(jī)床的微型化

　　隨著納米技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)的迅速進(jìn)展，開發(fā)加工微型零件的機(jī)床已經(jīng)提到日程上來了。微型機(jī)床同時(shí)具有高速和精密的特點(diǎn)，zui小的微型機(jī)床可以放在掌心之中，一個(gè)微型工廠可以放在手提箱中。操作者通過手柄和監(jiān)視屏幕控制整個(gè)工廠的運(yùn)作。

　　7.新的并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理

　　傳統(tǒng)機(jī)床是按笛卡爾坐標(biāo)將沿3個(gè)坐標(biāo)軸線的移動(dòng)X、Y、Z和繞3個(gè)坐標(biāo)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)A、B、C依次串聯(lián)疊加，形成所需的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床是采用各種類型的桿機(jī)構(gòu)在空間移轉(zhuǎn)主軸部件，形成所需的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、剛度高、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

　　8.新的工藝過程

　　除了金屬切削和鍛壓成形外，新的加工工藝方法和過程層出不窮，機(jī)床的概念正在變化。激光加工領(lǐng)域日益擴(kuò)大，除激光切割、激光焊接外，激光孔加工、激光三維加工、激光熱處理、激光直接金屬制造等應(yīng)用日益廣泛。電加工、超聲波加工、疊層銑削、快速成型技術(shù)、三維打印技術(shù)各顯神通。

　　9.新結(jié)構(gòu)和新材料

　　機(jī)床高速化和精密化要求機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和輕量化，以減少機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)慣量對(duì)加工精度的負(fù)面影響，大幅度提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。例如，借助有限元分析對(duì)機(jī)床構(gòu)件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)"箱中箱"結(jié)構(gòu)，以及采用空心焊接結(jié)構(gòu)或鉛合金材料已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱谩?

　　10.新的設(shè)計(jì)方法和手段

　　我國(guó)機(jī)床設(shè)計(jì)和開發(fā)手段要盡快從"甩圖板"的二維CAD向三維CAD過渡。三維建模和仿真是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的源泉。在此三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，保證新產(chǎn)品的順利投產(chǎn)，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理。

　　11.直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　在傳統(tǒng)機(jī)床中，電動(dòng)機(jī)和機(jī)床部件是借助耦合元件，如皮帶、齒輪和聯(lián)軸節(jié)等加以連接，實(shí)現(xiàn)部件所需的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，"機(jī)"和"電"是分家的。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械部件集成為一體，成為機(jī)電一體化的功能部件，如直線電動(dòng)機(jī)、電主軸、電滾珠絲桿和力矩電動(dòng)機(jī)等。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的剛度和動(dòng)態(tài)性能，運(yùn)動(dòng)速度和加工精度。

　　12.開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　數(shù)控系統(tǒng)的開放是大勢(shì)所趨。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)有三種形式：1）全開放系統(tǒng)，即基于微機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，以微機(jī)作為平臺(tái)，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能，通過伺服卡傳送數(shù)據(jù)，控制坐標(biāo)軸電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。2）嵌入系統(tǒng)，即CNC+PC，CNC控制坐標(biāo)軸電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，PC作為人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)通信。3）融合系統(tǒng)，在CNC的基礎(chǔ)上增加PC主板，提供鍵盤操作，提高人機(jī)界面功能，如Siemens 840Di和Fanuc 210i。

       13.可重組制造系統(tǒng)

　　隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，機(jī)床的可重構(gòu)性和制造系統(tǒng)的可重組性日益重要。通過數(shù)控加工單元和功能部件的模塊化，可以對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行快速重組和配置，以適應(yīng)變型產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。機(jī)械、電氣和電子、液和氣、以及控制軟件的接口規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)可重組性的關(guān)鍵。

　　14.虛擬機(jī)床和虛擬制造

　　為了加快新機(jī)床的開發(fā)速度和質(zhì)量，在設(shè)計(jì)階段借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以在機(jī)床還沒有制造出來以前，就能夠評(píng)價(jià)機(jī)床設(shè)計(jì)的正確性和使用性能，在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的各種失誤，減少損失，提高新機(jī)床開發(fā)的質(zhì)量。