試論數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

余碧瓊

[摘要]隨著加工自動(dòng)化技術(shù)的日新月異，數(shù)控技術(shù)在設(shè)計(jì)和加工領(lǐng)域里的應(yīng)用越來越廣泛。Pro／Engineer作為參數(shù)化CAD／CAM的軟件代表，提供強(qiáng)大功能，使設(shè)計(jì)制造過程生動(dòng)的展現(xiàn)，極大的提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率，同時(shí)也保證產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量。主要論述Pro／E在數(shù)控加工中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)1010144—01

一、數(shù)控加工概述及現(xiàn)狀

數(shù)控技術(shù)(Numeral Control Technology，簡(jiǎn)稱NCT)的誕生開創(chuàng)了機(jī)械制造業(yè)的新時(shí)代。歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)，從電子管、晶體管、集成電路、小型計(jì)算機(jī)發(fā)展到微處理器，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要特征。它是實(shí)現(xiàn)集成、柔性數(shù)字化工廠或數(shù)字化制造車間的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府和制造企業(yè)無一不重視數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度已成為衡量一個(gè)國家或企業(yè)的制造能力、生產(chǎn)效率、管理水平和企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一。

近年來，在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息工程和材料工程等高新技術(shù)的推動(dòng)下，傳統(tǒng)的制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，迅速發(fā)展成為一門新必的制造技術(shù)數(shù)字化制造技術(shù)。對(duì)比傳統(tǒng)制造技術(shù)，其重要的特征就是數(shù)控加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，這一發(fā)展的原動(dòng)力來自于制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品制造效率的強(qiáng)烈追求。在這一背景下。以制造業(yè)為主要服務(wù)對(duì)象的數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅速。大量高速、高效、柔性、復(fù)合、環(huán)保的數(shù)控加工新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)發(fā)生了根本的變化。進(jìn)入21世紀(jì)隨著國際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著高速化、高精化、復(fù)合化、智能化、高柔性化及信息網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。

二、數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

(一)高速切削。受高生產(chǎn)率的驅(qū)使，高速化已是現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。機(jī)床高速化既表現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速上，也表現(xiàn)在工作臺(tái)快速移動(dòng)和進(jìn)給速度的提高，以及刀具交換、托盤交換時(shí)間的縮短上，并且具有高加(減)速率。

高速切削機(jī)床主軸的高轉(zhuǎn)速減少了切削力，也減小了切削深度，有利于克服機(jī)床振動(dòng)，排屑率大大提高，熱量被切屑帶走，傳人零件中的熱量減低，熱變形大大減小，提高了加工精度，也改善了加工面粗糙度。因此，經(jīng)過高速加工的工件一般不需要精加工。當(dāng)今著名數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給率都有了大幅度的提高，目前的最高水平是在分辨率為1um時(shí)，最大快速進(jìn)給速度可達(dá)240m／min。在程序段長(zhǎng)度為imm時(shí)，其最大進(jìn)給速度達(dá)80m／min，并且具有1.5g的加減速率。主軸高速化的手段是采用電主軸(內(nèi)裝式主軸電動(dòng)機(jī))，即主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件，從而可將主軸轉(zhuǎn)速大大提高。目前日本的超高速數(shù)控立式銑床，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)100000r／min，換刀時(shí)間可達(dá)0.9s(刀到刀)和2.8s(切削到切削)，工作臺(tái)(托盤)交換速度為6.3s。

(二)高精度加工。高精度加工實(shí)際上是高速加工技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用的必然結(jié)果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數(shù)量級(jí)上，但隨著計(jì)算機(jī)硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1um，加工精度進(jìn)入了亞微米世界。提高數(shù)控設(shè)備的加工精度，除通過提高機(jī)械設(shè)各的制造精度和裝配精度外，還可通過減小數(shù)控系統(tǒng)的控制誤差和采用補(bǔ)償技術(shù)來達(dá)到。在減小CNC系統(tǒng)控制誤差方面，通常采用提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率、以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給、使CNC控制單位精細(xì)化、提高位置檢測(cè)精度以及位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。在采用補(bǔ)償技術(shù)方面，除采用齒隙補(bǔ)償、絲桿螺距誤差補(bǔ)償和刀具誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)外，近年來設(shè)備的熱變形誤差補(bǔ)償和空間誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)的研究已成為世界范圍的研究熱點(diǎn)。研究結(jié)果表明，綜合誤差補(bǔ)償拉術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。

(三)復(fù)合化加工機(jī)床高速化。復(fù)合化加工機(jī)床高速化主要是從提高機(jī)床的運(yùn)行速度來提高機(jī)床的加工生產(chǎn)率，而機(jī)床的復(fù)合化加工則是通過增加機(jī)床的功能，減少工件加工過程中的多次裝夾、重新定位、對(duì)刀等輔助工藝時(shí)間，來提高機(jī)床利用率的，因此復(fù)合化加工是現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)發(fā)展的另一重要方面。

(四)控制智能化。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化的發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1，加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)。通過監(jiān)測(cè)加工過程中的刀具磨損、破損、切削力、主軸功率等信息并反饋，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行調(diào)帶運(yùn)算，實(shí)時(shí)修調(diào)加工參數(shù)或加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度和設(shè)備運(yùn)行的安全性，降低工件表面粗糙度值。

2，加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇。將加工專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、切削加工的一般規(guī)律與特殊規(guī)律，按人工智能中知識(shí)表達(dá)的方式建立知識(shí)庫存入計(jì)算機(jī)中，以加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立專家系統(tǒng)，并通過它提供經(jīng)過優(yōu)化的切削參數(shù)，使加工系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝技術(shù)水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。目前已開發(fā)出帶自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工專家系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)帶有人工智能式自動(dòng)編程功能。

3，故障自診斷功能。故障診斷專家系統(tǒng)是診斷裝置發(fā)展的最新動(dòng)向，其為數(shù)控設(shè)備提供了一個(gè)包括二次監(jiān)測(cè)、故障診斷、安全保障和經(jīng)濟(jì)策略等方面在內(nèi)的智能診斷及維護(hù)決策信息集成系統(tǒng)。

(五)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化。隨著信息技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，世界正在經(jīng)歷著一場(chǎng)深刻的“革命”。在以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化為基本特征的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及新的制造哲理深刻地影響新世紀(jì)的制造模式和制造觀念。作為制造裝備的數(shù)控機(jī)床也必須適應(yīng)新制造模式和觀念的變化，必須滿足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下制造系統(tǒng)集成的要求。網(wǎng)絡(luò)功能正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)的特征之一。諸如現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程加工信息共享、遠(yuǎn)程操作(危險(xiǎn)環(huán)境的加工)、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等都是以網(wǎng)絡(luò)功能為基礎(chǔ)的。如美國波音公司利用數(shù)字文件作為制造載體，首次利用網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)了無圖紙制造波音777新型客機(jī)。

Pro／Engineer提供的設(shè)計(jì)理念將設(shè)計(jì)、制造、裝配以及生產(chǎn)管理融為一體，賦予“設(shè)計(jì)”完整的概念，符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。強(qiáng)大的CAD＼cAM集成功能使模具設(shè)計(jì)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)更加快捷，大大縮短了模具設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也為工程技術(shù)人員和生產(chǎn)管理人員在短期內(nèi)完成高質(zhì)量的產(chǎn)品開發(fā)提供保證。