數控加工機電科技論文

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1、數控加工技術的現狀

隨著人們對工業加工精度和復雜度的要求提高，對加工設備的性能要求也越來越高。20世紀以來，各國紛紛發展數控加工技術，以解決復雜件的加工問題，比如對曲面配合件的加工。

1.1國內現狀

2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數控機床進口國。目前正在提高機械加工設備的數控化率，國家十一五科技發展規劃也明確提出，提高大型設備數控化水平。但是目前我國整體大型設備的數控水平低，機械加工的精度、復雜度、精度保持度等都遠低于國際水平。而加工中心作為機床家族的重要組成部分，今年來雖然也越來越受到國人重視，但是多為進口或者合資企業產品，其技術水平也較低。我國目前各種門類的數控機床都能生產，水平參差不齊，有的是世界水平，有的比國外落后10－15年。在精度方面，國內機床水平追趕國外先進水平的距離也很長。目前我國大型加工中心很難達到0.005mm，國外由于技術先進，則可以達到0.003mm。在精度保持度方面，國內一般為5年，國外則能夠達到10年。目前國內在軸承、絲杠、刀具等決定機械精度的方面技術能力都不夠。而國內數控系統最大的瓶頸在于國內系統是基于單板機的基礎上發展起來的，至今沒有一家是基于數字邏輯電路的設計。我國數控技術的發展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數控技術，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關”，我國數控技術和數控產業取得了相當大的成績。特別是最近幾年，我國數控產業發展迅速，1998～2004年國產數控機床產量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內數控機床制造企業在中高檔與大型數控機床的研究開發方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設備和絕大多數的功能部件均依賴進口。我們應看清形勢，充分認識國產數控機床的不足，努力發展先進技術，加大技術創新與培訓服務力度，以縮短與發達國家之問的差距。

1.2國外現狀

美國政府重視機床工業，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發展方向、科研任務,并且提供充足的經費，且網羅世界人才，特別講究“效率”和“創新”，注重基礎科研。因而在機床技術上不斷創新，如1952年研制出世界第一臺數控機床、1958年創制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創開放式數控系統等。由於美國首先結合汽車、軸承生產需求，充分發展了大量大批生產自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術在世界上領先，因此其數控機床的主機設計、制造及數控系統基礎扎實，且一貫重視科研和創新，故其高性能數控機床技術在世界也一直領先。當今美國生產宇航等使用的高性能數控機床，其存在的教訓是，偏重于基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀80代政府一度放松了引導，致使數控機床產量增加緩慢，于1982年被后進的日本超過，并大量進口。從90年代起，糾正過去偏向，數控機床技術上轉向實用，產量又逐漸上升。德國1956年研制出第一臺數控機床后，德國特別注重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科研與應用技術科研并重。企業與大學科研部門緊密合作，對數控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質量上精益求精。德國的數控機床質量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數控機床。德國特別重視數控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。日本自1958年研制出第一臺數控機床后，1978年產量(7,342臺)超過美國(5,688臺)，至今產量、出口量一直居世界首位(2001年產量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰略上先仿后創，先生產量大而廣的中檔數控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數控機床發展。日本FANUC公司戰略正確，仿創結合，針對性地發展市場所需各種低中高檔數控系統，在技術上領先，在產量上居世界第一。另外還有臺灣和韓國的機床也比中國先進。

1.3數控加工本身的特點

數控加工操作系統日益開放、數控系統向軟數控系統發展、控制系統向智能化方向發展、向網絡化方向發展、向高可靠方向發展、向多軸聯動方向發展、向復合型方向發展的市場趨勢。數控加工具有柔性好，自動化程度高的特點，對于輪廓形狀復雜的曲線的加工尤其適合。數控加工中心是一種帶有刀庫并能自動更換刀具，對工件能夠在一定的范圍內進行多種加工操作的數控機床。本產品屬于大型加工中心，主要用來加工復雜結構、工藝及精度要求高的大型設備部件的數控加工工具。其特點是：被加工零件經過一次裝夾后，數控系統能控制機床按不同的工序自動選擇和更換刀具；自動改變機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其它輔助功能，連續地對工件各加工面自動地進行鉆孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、攻螺紋、銑削及刨削等多工序加工。由于加工中心能集中地、自動地完成多種工序，避免了人為的操作誤差、減少了工件裝夾、測量和機床的調整時間及工件周轉、搬運和存放時間，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的經濟效益。加工中心按主軸在空間的位置可分為立式加工中心與臥式加工中心。利用數學方式輸入，加工過程可任意編程，主軸及進給速度可按加工工藝需要各自變化，且能實現多座標聯動，易加工復雜曲面。對於加工對象具有“易變、多變、善變”的特點，換批調整方便，可實現復雜件多品種中小批柔性生產，適應社會對產品多樣化的需求。利用硬件和軟件相組合，能實現信息反饋、補償、自動加減速等功能，可進一步提高機床的加工精度、效率、自動化程度；數控機床是以數字控制為主的機電一體化機床，充分發揮了微電子、計算機技術特有的優點，易于實現信息化、智能化、網絡化，可較易地組成各種先進制造系統，如FMS、FTL、FA，甚至將來的CIMS，能最大限度地提高工業的生產率、勞動生產率。

1.3.1數控系統與加工能力

目前處于世界領先水平的數控操作系統在設計中大量采用模塊化結構。這種結構易于拆裝、各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC系統設計了比較健全的自我保護電路。PMC信號和PMC功能指令極為豐富，便于工具機廠商編制PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統提供串行RS232C接口，以太網接口，能夠完成PC和機床之間的數據傳輸。FANUC系統性能穩定，操作界面友好，系統各系列總體結構非常的類似，具有基本統一的操作界面。FANUC系統可以在較為寬泛的環境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應性很強。

1.3.2機械系統與加工能力機械系統

目前以德國最好。目前較為先進的設備，保留了其先進的全靜壓塊靜壓結構和雙層式床身結構，增加了四柱雙驅的平衡驅動方式，有效解決了消隙及驅動平衡的難題，采用斜齒齒輪對，使轉臺運轉更加平穩；采用上壓式鑲條滑塊結構，機床轉臺自適應調整液壓夾緊裝置使得B軸聯動旋轉加工精度更高，更加穩定；機床主軸采用液壓氮氣平衡，確保機床的快速響應速度，使機床運行更加平穩可靠。具有智能數字刨銑工能，可加工直角、銳角孔及異形斜面樣條溝槽。該機床正式投產后機床直線精度（X\Y\Z）可達±0.003㎜，旋轉（B）精度可達±2S”，直線重復定位精度達到0.001㎜。產品精度保持度可達10年以上，大大提高了機械的使用壽命。除此之外，目前先進數控加工設備還采用很多應用性很強的技術來提高加工精度和難度，保證其可以加工復雜的曲面件。在提高轉臺精度及平穩性方面：采用四柱雙驅技術，由原來的一側一個齒輪驅動改為在180°水平方向上按對等夾角兩對雙齒輪驅動，每對齒輪可自動消隙。機床轉臺精度長久保持性：使用12個獨立的高耐磨銅靜壓塊代替原來的貼塑耐磨條工藝，因靜壓幾乎無磨損而長期保持精度。溫度對機床精度的影響方面：使用溫度補償功能，在機床內部安置溫度傳感器，利用激光干涉儀測出其溫度變化時機床在各溫度下的變化值，然后再機床參數中補正。刨銑功能開發（直角孔槽加工）：利用機床CS功能，使主軸與X、Y、Z軸移動的同時，主軸按刀具切線方向控制轉角。機床慣量的控制：使用液壓氮氣組合平衡方式代替配重鐵平衡方式，減少機械運動質量和運動中的動量慣量。

2、復雜曲面配合件的數控加工工藝

能夠加工復雜曲面配合件是數控加工設備的重要性能之一。下面以一復雜的曲面加工件為例談談數控加工工藝。

2.1對復雜曲面配合件的零件圖形進行分析

例如:某軸類配合件,材料為45鋼。對零件圖分析能夠了解到零件的一些特征。要了解到零件的材料、毛坯大小、加工性能，零件的幾何尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度及熱處理等技術要求。該零件加工部位有：內孔(錐度接圓弧孔、臺階孔、內螺紋、內倒角)、復雜曲面配合件的外輪廓(一個錐度接圓弧、部分橢圓、若干外倒角)、復雜曲面配合件的外輪廓(多圓弧相接)。