高性能数控加工中心

                       高性能数控加工中心

  1、引言
    数控机床是现代制造业的关键设备,一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。
    我国数控机床的技术水平、性能和质量与国外产品比较还有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多数依靠进口。
    加工中心是数控技术的集中体现,市场活跃、需求旺盛,成为当前和未来数控机床市场争夺的前沿。如果我们不认真研究国外高性能加工中心的发展趋势,提高自主开发能力,积极培育新产品,我国的机床工业将失
去核心竞争力。
  2、高性能加工中心的特点
    高性能加工中心意味什么?它有那些主要特征?我们认为,应首先满足用户以下要求:
    (1)精度和可靠性高. 机床的牲能是稳定的,能够在不同运行条件下完成多种加工任务、并能够“保证”零件的加工质量,而不是依靠加工后的检验工序。
    (2)工序集约、复合加工. 在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序,同时又保持机床的通用性,能够迅速适应加工对象的改变。
    (3)信息化和智能化. 加工中心不仅提供“体力”,也有“头脑”,能够独立自主地管理自己,并与企业的管理系统和人通信,从而使企业管理人员和操作者、供应商和用户能够随时知道机床的状态和加工能力。
    (4)高性能不仅是某几项技术指标高,还要体现在机床的生产效率高、运行成本低,环境污染少,人机界面友好。
    为了达到上述要求,新一代加工中心必须具有以下特征:
    (1)机床不仅具有很高的几何精度,符合出厂检验标准(相当ISO230-1),还必须具有很高的运动轨迹精度(ISO230-3,以及新的IS0—7)和动态性能。
    (2)机床的加工精度,以及其可重复性和可信赖度高,性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并“保证”零件的加工质量。
    (3)机床具有自优化、自监控、自诊断和预维护功能。机床的加工过程是在一系列传感器的监视下进行的。
  3、复合加工
    高性能加工中心除具有高速和高精度的特征外,另一发展趋势是工序集约化,即在一台机床上能加工完成一个零件的所有工
序。近年来,车铣复合加工有很大进展。
    例如,Index公司最新推出的模块化车铣复合加工中心就能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序,根据用户需要构建成为完整加工机床,如图1所示。

                                  图1：车铣复合加工中心
    从图中可见,这种以车削加工中心为基础复合加工机床,借助不同结构的刀具转塔和铣削头可以进行车削、铣削等加工工序。在车削工作时,有两个12把刀具的刀架可以完成各种复杂的车削工序。在铣削工作时,刀架转过9O°,两个由电主轴驱动的铣头可在不同方向进行铣削加工从而完成一个零件全部加工工序,实现了完整加工。当加工需要磨削零件时,也可以换上磨头进行磨削。
    工序集约化不仅提高了工艺的有效性,由于零件在整个加工过程中只有一次装夹,加工的精度更容易获得保证。
    复合加工大大缩短了生产过程链,而且由于把加工任务只交给一个工作岗位,不仅使生产管理和计划调度简化,而且无需复杂的计划系统就能够迅速解决所发生的事情并使之优化。
    由于过程链的缩短和设备数量的减少,简化了物料流和工夹具管理,缩短了生产周期,占地面积和维护费用也随之减少,从而降低了生产成本。
  4.自主管理
    高性能加工中心不单纯是加工设备,往往还是企业的生产组织单元,网络中的一个节点。因为一台机床替代了若干台机床,是一个自动化的工段。
    例如,日本Mazak公司生产的e410H型车铣复合加工机床,不仅实现加工过程和刀具交换的自动化,能够进行零件的完整加工,还配备了计算机、手机、数码相机,能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。因此,它不仅能与MES、SCM和CRM联网,及时反映工作地的状态、加工进度、物料和刀具需求,还可以通过手机查询定单完成情况,发生故障时及时报警,如图2所示。

                           图2：完整加工和自主管理的机床
    近年来随着移动通信的普及,这个领域有很大进展和广阔的前景。
  5、新的运动学原理
    德国Chiron公司最新推出的Ⅴision型高速加工中心是一台具有创意的产品。该机床的外观和机床内部结构如图3所示。

                           图3：采用并联机构的加工中心
    从图中可见,主轴部件采用框架式轻型结构和λ式并联运动机构,其原理是两个杆件和铰链将主轴部件与机床框架连接,在直线电动机的驱动下,杆件前后伸缩,完成主轴部件的X和y坐标的运动,提高了机床的动态性能。主轴的z坐标的运动由传统的伺服电动机和滚珠丝杆驱动。
    机床的前方还配置有两坐标数控回转工作台,可实现五坐标数控加工。
  6、新-代数控系统
    为了使数控机床成为企业网络的一个节点,数控系统必须是开放的,具有下表所列的特征。
                              开放式控制系统的特征

开放式数控系统是大势所趋。德国Andron公司的最新产品Andronic2060数控系统是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式系统,其内部硬件结构如图4所示。

                   图4：Andronic 2060数控系统的硬件结构
    它采用由两台计算机和两个Intel处理器,通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算(NC计算机),另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NC CPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接,并且通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面
计算机通信。人机界面计算机地内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。
    Andron公司还采用SERCOS接口,实现了高速数据传输,开发了皮米(Pico)插补技术,将插补精度从1x

m提高到0.6x

m。在数控加工时,插补精度越高,机床加工零件的尺寸精度也越高,表面粗糙度值越小,机床运动越平稳,刀具磨损也越
小,可进一步提高加工质量,降低加工成本。
  7、聪明加工系统
    机床在加工过程中不可避免会产生各种误差,需要采用现代监控和补偿技术,以进一步提高机床的性能和通信能力。
    2005年,在增强制造业竞争能力的指道思想下,国家标准与技术研究所提出“聪明加工系统”(Smart Machining System)的研究计划如图5所示。聪明加工系统的实质是制造系统的智能化和网络化,其主要特征是:

                     图5：聪明加工系统
    (1)性能超群,知道本系统的加工能力和状态并能够上层进行通信(获得优胜奖章)。
    (2)能够自行度量加工(输出)的质量,能够监控和自主优化加工过程(自诊断)。
    (3)智能化和人性化,能够不断持续学习和提高自己的能力,具有知识获取、重用和管理的功能。
    聪明加工系统的5大目标是:
    (1)系统动态优化。将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模,进行系统的动态性能优化。
    (2)开发特征化的测量方法、模型和标准,并在运行状态下对机床性能进行测量和通信。
    (3)采用下一代数控系统。与STEP-NC兼容的接口和数据格式,使基于模型的控制能够无缝运行。
    (4)状态监控和可靠性,开发测量、传感和分析方法。在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。
  8、结束语
    复合加工方法的出现,使数控机床不仅是高效加工设备,而且是企业组织中的自主管理生产单元。开放式数控系统是将数控机床纳人企业网络的先决条件。SETP-NC使CAD/CAM/CNC之间的无缝集成以及远程制造和监控成为可能。发展高性能加工中心的最终
目标是大幅度提高生产率。