淺談數(shù)控機(jī)械制造裝備創(chuàng)新開發(fā)研究進(jìn)展

楊 磊

（襄陽技師學(xué)院，湖北 襄陽 441021）

1 創(chuàng)新開發(fā)在數(shù)控機(jī)械制造裝備生產(chǎn)中的重要意義

機(jī)械制造企業(yè)在參與工業(yè)生產(chǎn)競爭時，不僅僅要重視產(chǎn)品創(chuàng)新，同時還要投入資源實現(xiàn)工藝創(chuàng)新，通過創(chuàng)新開發(fā)等行為，提高產(chǎn)品競爭力，獲取持續(xù)發(fā)展動力[1]。1）創(chuàng)新開發(fā)有助于提高經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)借助工藝創(chuàng)新不僅能夠提升產(chǎn)品質(zhì)量，同時還能降低損耗，以此來獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，減少損失，響應(yīng)國家當(dāng)前的環(huán)保政策，實現(xiàn)構(gòu)建綠色體系的發(fā)展目標(biāo)。2）創(chuàng)新開發(fā)有助于提升產(chǎn)品的市場競爭力。在創(chuàng)新研發(fā)過程中，企業(yè)可以不斷消除產(chǎn)品原本的質(zhì)量缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品的性能，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。

2 數(shù)控機(jī)械制造裝備創(chuàng)新開發(fā)進(jìn)展

2.1 虛擬樣機(jī)

2.1.1 技術(shù)特點

虛擬樣機(jī)技術(shù)融合了計算機(jī)技術(shù)、CAD建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與設(shè)計過程管理技術(shù)。虛擬樣機(jī)使機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的流程與方法發(fā)生變化，避免了研制物理樣機(jī)時的客觀阻礙因素，借助數(shù)據(jù)與理論即可實現(xiàn)對樣機(jī)的開發(fā)。針對數(shù)字化樣機(jī)可以多次分析、修改、優(yōu)化與仿真，確保設(shè)計質(zhì)量的同時，還能夠減少裝備開發(fā)成本，大幅縮短研發(fā)設(shè)計周期，該技術(shù)滿足了機(jī)械制造企業(yè)的大部分設(shè)計需求[2]。虛擬樣機(jī)的技術(shù)功能極為豐富，包括分析產(chǎn)品設(shè)計性能，可結(jié)合具體機(jī)械裝備產(chǎn)品的技術(shù)要求與工作環(huán)境，分析影響設(shè)計的關(guān)鍵性因子；分析制造可行性，與CAM技術(shù)進(jìn)行配合，分析與確定設(shè)計的可裝配性與可加工性；分析生產(chǎn)系統(tǒng)的可行性，該技術(shù)支持優(yōu)化調(diào)度企業(yè)資源，使產(chǎn)品形成更快的市場化速度；在CAD技術(shù)的支持下，可圍繞產(chǎn)品展開數(shù)字化建模，在異地協(xié)同設(shè)計條件下，用戶也可以管理產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1.2 創(chuàng)新開發(fā)進(jìn)展

虛擬樣機(jī)支持機(jī)械制造企業(yè)開設(shè)新型研發(fā)模式，原本的裝備研發(fā)采用串行式流程，而虛擬樣機(jī)將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿惺侥Ｊ?，在產(chǎn)業(yè)的所有研發(fā)階段都可實現(xiàn)信息交流與資源共享，使裝備研發(fā)周期大幅縮短；虛擬樣機(jī)可更有效地保障裝備質(zhì)量，設(shè)計者的研發(fā)成本也將得到有效控制，通過計算機(jī)即可分析、測試與控制裝備的性能指標(biāo)，賦予產(chǎn)品最優(yōu)性能。對虛擬樣機(jī)與相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)與創(chuàng)新時，主要從仿真技術(shù)與設(shè)計方法的角度切入，用研發(fā)成果來完善性能補(bǔ)償與預(yù)測機(jī)制、修改設(shè)計方案與仿真數(shù)字化樣機(jī)的性能，提升產(chǎn)品在數(shù)控生產(chǎn)中的適用性。虛擬樣機(jī)依靠集成工具箱與開發(fā)接口，可將各種外部軟件集成到內(nèi)部系統(tǒng)中，不同的軟件之間的信息能夠共享，用戶可統(tǒng)一管理系統(tǒng)中的信息，沒有授權(quán)的用戶無法存取與處理數(shù)據(jù)，獲得授權(quán)的用戶可以根據(jù)設(shè)計需求管理數(shù)據(jù)，以保障數(shù)據(jù)安全。

2.2 機(jī)器人

2.2.1 技術(shù)特點

工業(yè)機(jī)器人具有以下技術(shù)特點：1）擬人化。從機(jī)械結(jié)構(gòu)角度來看，工業(yè)機(jī)器人與人體結(jié)構(gòu)有一定的相似性，往往由腰轉(zhuǎn)、行走、手爪、手腕、小臂與大臂等部分組成，利用計算機(jī)即可控制機(jī)器人按照指令進(jìn)行動作；智能型機(jī)器人安裝皮膚接觸傳感器、聲覺傳感器、視覺傳感器與負(fù)載傳感器，在諸多創(chuàng)新技術(shù)的支持下，擬人化程度大幅增強(qiáng)。2）可編程性。依靠編程器即可結(jié)合工作內(nèi)容，調(diào)整機(jī)器人的工作程序，因此這種工業(yè)機(jī)器人能夠靈活地應(yīng)對各種生產(chǎn)任務(wù)，尤其是在柔性制造中有良好的表現(xiàn)，可滿足高效率、多品種以及小批次的機(jī)械制造加工需求。3）通用性。工業(yè)機(jī)器人與其他的數(shù)控機(jī)械設(shè)備相比，通用性更強(qiáng)，只需進(jìn)行簡單的調(diào)整即可完成指定生產(chǎn)任務(wù)。

2.2.2 創(chuàng)新開發(fā)進(jìn)展

輪式移動機(jī)器人具有自動化導(dǎo)航的功能，能夠在物流活動中發(fā)揮作用，其自動導(dǎo)航車的自由度極高，能夠自動化地進(jìn)行原地自旋、轉(zhuǎn)彎、行走以及全方位移動，可通過電子羅盤、陀螺、超聲波、視覺技術(shù)、激光掃描與無線遙控等輔助導(dǎo)航功能[3]。將作業(yè)機(jī)器人與輪式移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，開發(fā)出新型物流機(jī)器人，支持自動定位姿態(tài)與位置的功能。自動導(dǎo)航牽引車同樣屬于輪式移動工業(yè)機(jī)器人，其被賦予了移動牽引功能，能夠安全地拖動數(shù)臺車輛并且自動行駛，牽引力達(dá)到5 000 N。作業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與創(chuàng)新也取得了諸多進(jìn)展，其包括切削機(jī)器人、焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人以及檢測機(jī)器人等。點焊機(jī)器人在汽車整車加工中有較高的使用率；弧焊機(jī)器人綜合了精確跟蹤焊縫軌跡、協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化集成等技術(shù)；激光加工機(jī)器人是工業(yè)領(lǐng)域中的重要工具，利用計算機(jī)可以精準(zhǔn)控制機(jī)器人完成修補(bǔ)模具、打孔、焊接以及表面處理等任務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人既可根據(jù)指示，以獨立的方式完成作業(yè)任務(wù)，也可進(jìn)行組合，在相互協(xié)作過程中執(zhí)行更加復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，包括對長管道、集裝箱與大型罐實施局部切削加工、焊接與噴漆等工藝。

2.3 多軸聯(lián)動復(fù)合數(shù)控機(jī)床

2.3.1 六軸聯(lián)動式混聯(lián)數(shù)控機(jī)床

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床采用串聯(lián)式的運動功能，轉(zhuǎn)動范圍相對偏大，運動算法并不復(fù)雜，六軸與五軸數(shù)控機(jī)床支持臥式、立式加工，主軸頭的擺動范圍超過90°，工作臺轉(zhuǎn)動范圍超過360°，可對工件安裝面以外的其他工作表面進(jìn)行加工。但是在實際的機(jī)械制造應(yīng)用過程中，暴露了運動件質(zhì)量過大、懸臂結(jié)構(gòu)剛度較小以及運動誤差不斷累積的問題。創(chuàng)新與研發(fā)并聯(lián)機(jī)床的可提高其精度、剛度與運行速度，但是其動作范圍偏小，無法滿足臥式與立式加工需求，運動算法過于復(fù)雜，同時機(jī)床的關(guān)節(jié)剛度不足。因此可以將并聯(lián)與串聯(lián)兩種方式結(jié)合，實現(xiàn)揚長避短的開發(fā)目標(biāo)[4]。針對串聯(lián)機(jī)床，在創(chuàng)新其運動功能方案時，主要借助創(chuàng)成方法來實現(xiàn)?；炻?lián)型數(shù)控機(jī)床在采用創(chuàng)成方法的同時，依靠運動等效原理，轉(zhuǎn)換機(jī)床的串聯(lián)運動，將其轉(zhuǎn)換為并聯(lián)運動，可實現(xiàn)數(shù)個軸之間的聯(lián)動。調(diào)整機(jī)床的各關(guān)節(jié)部位，給機(jī)床使用滾滑復(fù)合式關(guān)節(jié)，主軸頭機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行多個方位的擺動動作，浮動支承的形狀為圓柱形，具有自動移動回轉(zhuǎn)的功能，各軸移動范圍基本與串聯(lián)式機(jī)床一致，遠(yuǎn)超并聯(lián)式機(jī)床，能夠支持臥式鏜銑與立式鏜銑加工工作，數(shù)控系統(tǒng)具有開放化特征。這種混聯(lián)機(jī)床在加工復(fù)雜輪廓工件時有良好的應(yīng)用效果，創(chuàng)新開發(fā)環(huán)節(jié)中融合了智能預(yù)測技術(shù)、仿真技術(shù)與虛擬樣機(jī)技術(shù)[5]。

2.3.2 六軸聯(lián)動式臥式復(fù)合數(shù)控機(jī)床

車銑復(fù)合加工機(jī)床的優(yōu)勢在于切削效果極佳，適用性強(qiáng)，通過一次裝夾即可結(jié)束加工區(qū)域中的大多數(shù)工序，不需要使用過多的工裝夾具，占地空間不多。將這種數(shù)控機(jī)床設(shè)計成臥式結(jié)構(gòu)，并將精加工與粗加工機(jī)構(gòu)分離，設(shè)置三個移動方向不同的刀架，分別為縱向、橫向與垂直，通過更換主軸頭可以滿足磨削、精車銑與精銑等不同的加工需求。在主軸上方區(qū)域增設(shè)刀庫，也可將刀庫設(shè)置到側(cè)門架部位，或者直接選擇落地型刀庫[6]。

這種臥式結(jié)構(gòu)的復(fù)合型數(shù)控機(jī)床可以將細(xì)加工與粗加工結(jié)合，精粗加工所需的刀架都處于機(jī)床上，二者可以保持獨立的工作狀態(tài)，精加工可以維持更高的精度水平；進(jìn)行粗銑加工與車削加工時，不再由處于床身與床鞍之間設(shè)置的導(dǎo)軌承受所有的顛覆力矩，龍門架上的導(dǎo)軌與機(jī)床床身導(dǎo)軌可以共同承受顛覆力矩。

2.3.3 五軸聯(lián)動式復(fù)合激光加工機(jī)床

五軸聯(lián)動式復(fù)合激光加工機(jī)床在傳統(tǒng)三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，其優(yōu)勢在于支持五軸聯(lián)動，可滿足對工件存在的復(fù)雜曲面實施激光焊接、激光切割與激光淬火。三軸型機(jī)床只支持對加工對象的四面實施加工，而創(chuàng)新開發(fā)的新型機(jī)床僅在一次裝夾活動中就可以進(jìn)行五面的加工任務(wù)。工作臺上的回轉(zhuǎn)軸是該機(jī)床的創(chuàng)新點之一，同時機(jī)床還應(yīng)用了先進(jìn)軟件、伺服系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)，控制水平也比較高，同時主軸結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，且剛性穩(wěn)定，整體制造成本不高?？刂频毒咻S線時，應(yīng)充分考慮切削效率與加工質(zhì)量，同時控制夾具、工件給刀具造成的不良影響。該機(jī)床在進(jìn)行激光淬火、焊接與切割等加工活動時，有效避免了焦點偏離的情況，最大程度地保障切口部位的質(zhì)量，借助視覺傳感器裝置即可在加工過程中精準(zhǔn)跟蹤焊縫，及時發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，并進(jìn)行彌補(bǔ)與調(diào)整[7]。

2.4 檢測裝置

2.4.1 并聯(lián)與混聯(lián)原理檢測設(shè)備

這種檢測設(shè)備在并聯(lián)部分設(shè)置了多個運動軸，與數(shù)字化控制系統(tǒng)形成了聯(lián)動關(guān)系，能夠滿足臥式檢測與立式檢測，支持獨立使用。也可根據(jù)檢測項目的具體情況，增加串聯(lián)軸，形成五軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)，以此在脫機(jī)或者聯(lián)機(jī)狀態(tài)下檢測機(jī)械制作的加工精度，同時也可實現(xiàn)對空間形位精度的精準(zhǔn)檢測。

2.4.2 絕對角度檢測儀

這種檢測儀器依憑絕對標(biāo)準(zhǔn)是電子化水平儀，通過數(shù)字化系統(tǒng)與兩軸系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)合控制，能夠獨立完成絕對姿態(tài)與角度的檢測。同時也將其與精度水平較高的位移傳感器或者激光干涉儀等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)用，完成相對測量任務(wù)[8]。

2.4.3 動態(tài)回轉(zhuǎn)運動檢測儀

該設(shè)備同樣運用數(shù)字化控制方式，具有精度水平高與零傳動的特點。該設(shè)備也可與位移傳感器或者干涉儀共同使用，以動態(tài)化的方式檢測回轉(zhuǎn)角度與回轉(zhuǎn)運動。

3 數(shù)控機(jī)械制造裝備創(chuàng)新開發(fā)建議

3.1 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)不斷地升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升該產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)中的地位，集聚區(qū)域內(nèi)的資金、人才等資源，增強(qiáng)制造行業(yè)的整體競爭實力，打造掌握創(chuàng)新創(chuàng)造能力與先進(jìn)技術(shù)的高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)集群。中小規(guī)模的制造企業(yè)應(yīng)確立“專精特”的發(fā)展方向，盡快形成技術(shù)層面的發(fā)展優(yōu)勢，借助外部金融支持與優(yōu)惠政策，加大對裝備元器件、材料與零部件等組成部分的研發(fā)力度。還要逐步參與到專用型數(shù)控機(jī)床、工業(yè)軟件與傳感器的創(chuàng)新研發(fā)中，在產(chǎn)業(yè)協(xié)作過程中充分展現(xiàn)自身技術(shù)力量[9]。

3.2 強(qiáng)化研發(fā)能力

企業(yè)在數(shù)控機(jī)械制造研發(fā)活動中處于主導(dǎo)地位，其應(yīng)當(dāng)聯(lián)合各大院校，針對生產(chǎn)加工系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)控系統(tǒng)、關(guān)鍵材料與核心零部件等，將技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)研發(fā)與學(xué)科發(fā)展相結(jié)合，形成創(chuàng)新開發(fā)結(jié)合體。企業(yè)可為技術(shù)人員提供充足的研發(fā)資源與空間，加強(qiáng)科研與生產(chǎn)之間的聯(lián)系，加快對復(fù)雜型面材料、仿真技術(shù)、全流程建模、伺服驅(qū)動技術(shù)與新型數(shù)控技術(shù)的研發(fā)速度。企業(yè)也可依靠技術(shù)研發(fā)成果來優(yōu)化升級數(shù)控機(jī)床，使其生產(chǎn)中表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3.3 拓展融資途徑

金融機(jī)構(gòu)與政府均需要支持?jǐn)?shù)控機(jī)械加工領(lǐng)域中發(fā)展?jié)摿^強(qiáng)的企業(yè)，通過融資為企業(yè)提供技術(shù)研發(fā)所需的資金，可將短期融資券發(fā)放給企業(yè)，銀行可通過信貸服務(wù)來支持企業(yè)，拓寬現(xiàn)有的融資渠道，消除技術(shù)集中型企業(yè)在創(chuàng)新技術(shù)中遇到的資金阻礙[10]。在資金支持基礎(chǔ)上，還可以打造公共服務(wù)平臺，針對企業(yè)技術(shù)研發(fā)需求提供技術(shù)評估、專業(yè)化咨詢、政策解讀等服務(wù)，從多個角度助力數(shù)控機(jī)械加工企業(yè)發(fā)展。

3.4 加大人才引進(jìn)力度

企業(yè)的數(shù)控機(jī)床研發(fā)以及技術(shù)應(yīng)用需要有高質(zhì)量的人才保障，要為人才建設(shè)良好的發(fā)展環(huán)境，儲備掌握高新技術(shù)與核心創(chuàng)新能力的高質(zhì)量人才。不少機(jī)械制造企業(yè)都存在人才缺口，尤其是高新技術(shù)型、綜合型人才。高校、科研院所與企業(yè)都要參與到機(jī)械制造業(yè)人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建工作中，高?？蔀槠髽I(yè)輸送數(shù)控加工專業(yè)人才，企業(yè)則可為人才提供實踐機(jī)會，同時人才也能夠為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。在人才隊伍的支持下，數(shù)控機(jī)械制造行業(yè)將產(chǎn)生更多創(chuàng)新型產(chǎn)品，工業(yè)技術(shù)研發(fā)也能夠隨之進(jìn)入良性循環(huán)。