零部件裝備發(fā)展趨勢和制造數(shù)控技術(shù)及對策
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度厅肩,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)徊极、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)祷杈、航空乘澈、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備冠骄。 馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別母赶,不在于生產(chǎn)什么将窗,而在于怎樣生產(chǎn)衬蚤,用什么勞動資料生產(chǎn)”孕赫。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料,而數(shù)控技術(shù)又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)溜盾。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)肴士,以提高制造能力和水平,提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力盔却。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資丸臀,不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè),而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策奖锦〖校總之,大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展景殷、提高綜合國力和國家地位的重要途徑溅呢。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù),數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品猿挚,即所謂的數(shù)字化裝備咐旧,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域:(1)機械制造技術(shù);(2)信息處理绩蜻、加工铣墨、傳輸技術(shù);(3)自動控制技術(shù)办绝;(4)伺服驅(qū)動技術(shù)伊约;(5)傳感器技術(shù);(6)軟件技術(shù)等孕蝉。 1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化屡律,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征腌逢,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,他對國計民生的一些重要行業(yè)(IT超埋、汽車缓冷、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用淑免,因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢彰怒。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看,其主要研究熱點有以下幾個方面[1~4]优麻。 1.1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率治队、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體胯绢。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率鼻肉,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次瓦式,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一荡拌,國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一幸瓢。 在轎車工業(yè)領(lǐng)域,年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛窿猿,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一冀泻;在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域,其加工的零部件多為薄壁和薄筋蜡饵,剛度很差弹渔,材料為鋁或鋁合金,只有在高切削速度和切削力很小的情況下溯祸,才能對這些筋肢专、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼焦辅、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘博杖、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝,使構(gòu)件的強度筷登、剛度和可靠性得到提高剃根。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求仆抵。 從EMO2001展會情況來看跟继,高速加工中心進給速度可達80m/min,甚至更高镣丑,空運行速度可達100m/min左右舔糖。目前世界上許多汽車廠兢努,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床脊直。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min贞卜,快速為100m/min,加速度達2g辖醒,主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min爹嘁。加工一薄壁飛機零件,只用30min梧部,而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h项驮,在普通銑床加工需8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g泊嗤。 在加工精度方面洛淑,近10年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm垮袭,精密級加工中心則從3~5μm驻碉,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)转砖。 在可靠性方面须鼎,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上,伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上府蔗,表現(xiàn)出非常高的可靠性晋控。 為了實現(xiàn)高速、高精加工姓赤,與之配套的功能部件如電主軸糖荒、直線電機得到了快速的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大模捂。 1.25軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工捶朵,可用刀具最佳幾何形狀進行切削,不僅光潔度高狂男,而且效率也大幅度提高综看。一般認為,1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床岖食,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時红碑,5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。 但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)泡垃、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因彬界,其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍,加之編程技術(shù)難度較大秘鳞,制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展垛夷。 當前由于電主軸的出現(xiàn)设鼎,使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低致煎,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小阿席。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床(含5面加工機床)的發(fā)展。 在EMO2001展會上屠蚌,新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭菠吟,可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)啊衣,還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工煮卢。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工糖追,可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制示婉。 1.3智能化、開放式胆建、網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化肘交,如加工過程的自適應(yīng)控制笆载,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化涯呻,如前饋控制凉驻、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型复罐、自整定等涝登;簡化編程、簡化操作方面的智能化效诅,如智能化的自動編程胀滚、智能化的人機界面等;還有智能診斷乱投、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容咽笼、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題卤檐。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究僚魁,如美國的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)迟铺、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)视樱,中國的ONC(OpenNumericalControlSystem)等昧绣。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路倍奢。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上峦筏,面向機床廠家和最終用戶诫幼,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能)材框,形成系列化桃逆,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實現(xiàn)不同品種缰俭、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)贫莹,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。 目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范京挖、通信規(guī)范窗慎、配置規(guī)范、運行平臺卤材、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心遮斥。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線扇丛、制造系統(tǒng)术吗、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造帆精、虛擬企業(yè)较屿、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機卓练,如在EMO2001展中隘蝎,日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”(智能生產(chǎn)控制中心,簡稱CPC)襟企;日本大隈(Okuma)機床公司展出“ITplaza”(信息技術(shù)廣場嘱么,簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment(開放制造環(huán)境顽悼,簡稱OME)等曼振,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 1.4重視新技術(shù)標準孝仅、規(guī)范的建立 1.4.1關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范 如前所述卑绢,開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性叉室、適應(yīng)性蛮嘹、擴展性,美國布撑、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃诲要,并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定粱目,世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定楣善,預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定挫蓝。 1.4.2關(guān)于數(shù)控標準 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢陡花。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準,即采用G抒寂,M代碼描述如何(how)加工结啼,其本質(zhì)特征是面向加工過程,顯然屈芜,他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要郊愧。 為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649(STEP-NC)井佑,其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制属铁,能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,從而實現(xiàn)整個制造過程躬翁,乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化焦蘑。 STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命,對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)盒发,將產(chǎn)生深遠的影響例嘱。首先,STEP-NC提出一種嶄新的制造理念迹辐,傳統(tǒng)的制造理念中,NC加工程序都集中在單個計算機上甚侣。而在新標準下袍城,NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上,這正是數(shù)控技術(shù)開放式妇保、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向篓翠。其次,STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75%)雨担、加工程序編制時間(約35%)和加工時間(約50%)酥徽。 目前,歐美國家非常重視STEP-NC的研究由颗,歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1~2001.12.31)铸老。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術(shù)機構(gòu)坛铭。美國的STEPTools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者翰谋,他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(SuperModel),其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS签孤、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證订骂。 2對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年,近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段:第一階段從1958年到1979年份殿,即封閉式發(fā)展階段膜钓。在此階段,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制卿嘲,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢颂斜。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期腔寡,即引進技術(shù)焚鲜,消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段放前。在此階段忿磅,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善凭语,我國數(shù)控技術(shù)的研究葱她、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間似扔,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究吨些,進入市場競爭階段。在此階段弯棠,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步词羹。在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50%笋据,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達到了10%膛灯。 縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程,特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關(guān)下碗,總體來看取得了以下成績谚熙。 a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)僵棍。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)摘形、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機癞屹、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)垒土,其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ),部分技術(shù)已商品化嫁料、產(chǎn)業(yè)化栏荷。 b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上,建立了諸如華中數(shù)控驴党、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠瘪撇。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠港庄、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠倔既。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。 c.建立了一支數(shù)控研究鹏氧、開發(fā)渤涌、管理人才的基本隊伍。 a.技術(shù)水平上吏辫,與國外先進水平大約落后10~15年,在高精尖技術(shù)方面則更大撑停。 b.產(chǎn)業(yè)化水平上劳威,市場占有率低,品種覆蓋率小适唆,還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)鸯式;功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低;外觀質(zhì)量相對差货吊;可靠性不高掩若,商品化程度不足嘁凤;國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)抠蕊,用戶信心不足。 c.可持續(xù)發(fā)展的能力上租躁,對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)姆迄、工程化能力較弱;數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強查吊;相關(guān)標準規(guī)范的研究谐区、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 a.認識方面宋列。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性昭抒、復(fù)雜性和長期性的特點認識不足;對市場的不規(guī)范炼杖、國外的封鎖加扼殺灭返、體制等困難估計不足;對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠坤邪。 b.體系方面熙含。 從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多,從系統(tǒng)的艇纺、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少怎静;沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓黔衡、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系祟背。 c.機制方面。不良機制造成人才流失陨楼,又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新辽嘹、產(chǎn)品創(chuàng)新,且制約了規(guī)劃的有效實施蘸橡,往往規(guī)劃理想漠阻,實施困難。 d.技術(shù)方面层褥。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強哮怯,核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后彼兆,水平較低危漱,數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。 3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 3.1戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國邀秕,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移赐匕,即要掌握先進制造核心技術(shù),否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中仓坞,我國制造業(yè)將進一步“空芯”背零。我們以資源、環(huán)境无埃、市場為代價徙瓶,交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位嫉称,這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程侦镇。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題灵疮,首先從社會安全看,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)壳繁,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平震捣,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力,保障社會的穩(wěn)定闹炉;其次從國防安全看伍派,西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì),對我國實現(xiàn)禁運和限制剩胁,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證诉植。 3.2發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā),以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向楞虾,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標蘑砖,用系統(tǒng)的方法,選擇能夠主導(dǎo)21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)引宙、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容永僚,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導(dǎo)向夸莱,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主伙二,以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床恤柴、高速高精高性能數(shù)控機床崔三、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展扯蕾。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機软旁、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。 沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品锚署;沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品扛肩;當然,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日骨田。 在高精尖裝備研發(fā)方面耿导,要強調(diào)產(chǎn)、學态贤、研以及最終用戶的緊密結(jié)合舱呻,以“做得出、用得上抵卫、賣得掉”為目標狮荔,按國家意志實施攻關(guān)胎撇,以解決國家之急需介粘。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面殖氏,強調(diào)創(chuàng)新,強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品姻采,為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)雅采、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
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