數(shù)控技術在機械制造業(yè)中的應用及發(fā)展研究

陳元博

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院,河南 南陽 473000)

0 引言

隨著信息化和自動化技術的快速發(fā)展,數(shù)控技術在近幾十年來得到了迅猛進步,該技術融入了計算機、機械電子、自動控制系統(tǒng)等,是一種新型的現(xiàn)代化加工制造技術。相對于傳統(tǒng)機械制造行業(yè),現(xiàn)代化加工制造技術具有高生產(chǎn)率、高質量、高精度等優(yōu)點。數(shù)控技術涉及多個領域的專業(yè)知識,融合了UG、Hypermill、Mastercam等建模及加工軟件,一定程度上提高了生產(chǎn)力,同時數(shù)控技術加工出來的產(chǎn)品美觀、精準且耐用。

1 數(shù)控技術概述及現(xiàn)狀分析

1.1 概述

數(shù)控技術是通過數(shù)字信息轉換技術控制機器工作過程,再通過編程技術將信號輸入計算機設備,實現(xiàn)自動控制,設計參數(shù)包含角度、位置、速度等[1]。在國家標準《工業(yè)自動化系統(tǒng) 機床數(shù)值控制》(GB/T 8129—1997)中,也明確定義了機床數(shù)字控制概念,即在數(shù)字控制運行中不斷引入數(shù)字代碼,完成自動控制,叫數(shù)字控制(numerical control);計算機數(shù)控(computerized numerical control,CNC),就是借助電腦系統(tǒng)控制工件的加工[2]。數(shù)控技術可實現(xiàn)產(chǎn)品批量化、自動化生產(chǎn),數(shù)控技術作為當今制造業(yè)高集成應用,智能化、開放式、網(wǎng)絡化將成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢,融合了加工制造業(yè)、電子化技術、新型材料等,未來有更大的應用價值[2]。

1.2 數(shù)控技術特點

1.2.1 高效性

1)能夠快捷有效地進行生產(chǎn)參數(shù)的修改,為生產(chǎn)創(chuàng)新提供可能。2)能夠更好地按照生產(chǎn)要求進行產(chǎn)品加工,生產(chǎn)更精確。3)在生產(chǎn)中使用的工具都趨于標準化,加速了機械生產(chǎn)標準化進程。4)能快速、高效地實現(xiàn)對復雜零部件的加工。數(shù)控技術的高效性同樣體現(xiàn)在安裝和換刀時間的長短上,一體化成型大大提高了加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,更能保證工件的精度要求[3]。

1.2.2 經(jīng)濟性

機械制造產(chǎn)品采用數(shù)控技術進行批量生產(chǎn)加工時,其工件更加標準化、規(guī)范化,提高單位時間內(nèi)生產(chǎn)率的同時,還能縮短工作時間,大大降低了操作過程中的故障率[4]。此外,數(shù)控技術在汽車、電子等自動化行業(yè)中的應用,已經(jīng)基本實現(xiàn)了無人化或半無人化加工,降低了生產(chǎn)成本,產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益,使得企業(yè)利潤最大化。

1.3 發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控機床誕生于20世紀40—50年代,歷經(jīng)70年的發(fā)展變化,數(shù)控技術已具備高集成化、高智能化、高效率、高精度、高便捷性等方面的特點。此技術最早應用于航空領域,由美國帕森斯公司提出,為研究飛機螺旋槳葉片而提出的一種控制機床的設想,后來成為現(xiàn)實,直至20世紀60年代生產(chǎn)出的第四代機床,就可以基本實現(xiàn)計算機對機床的控制,推動了數(shù)控技術的進一步升級[5]。20世紀80年代初,研制了自動編程數(shù)控系統(tǒng)裝置,使數(shù)控產(chǎn)品有了檢測的功能。20世紀末隨著網(wǎng)絡信息化、智能化的發(fā)展,數(shù)控機床技術有了質的飛躍,空前解放了生產(chǎn)力。

我國數(shù)控技術發(fā)展與西方發(fā)達國家相比仍然較為落后,缺乏自主創(chuàng)新能力。自20世紀80年代初開始,隨著我國改革開放的推進,在國家的大力發(fā)展支持下,數(shù)控機床技術有了較快地發(fā)展,如武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控設備公司、北京機床研究所等,已經(jīng)有了較大的技術進步,研制的機床具有質量可靠、經(jīng)濟實用等特點,但與國外相比,技術精度不高[6]。直到2000年,在我國寧夏銀川和北京建立了中日合資數(shù)控機床設備廠,生產(chǎn)的數(shù)控機床達到當時國內(nèi)甚至世界先進水平。近年來,我國自主研發(fā)能力有所提高,擁有自己的數(shù)控機床技術,但仍有較大差距,國內(nèi)一些技術人員認為,通過進口設備同樣可以達到世界先進加工水平,但國外的技術壟斷會長期影響我國自主機床的發(fā)展。此外,我國缺乏技術創(chuàng)新環(huán)境,短時間內(nèi)謀求效益最大化,不太注重人才及技術的支持,導致我國數(shù)控技術創(chuàng)新性水平不強,很長一段時間存在發(fā)展緩慢的現(xiàn)象。

截至2023年,我國數(shù)控機床有了飛速的發(fā)展,研制出七軸六聯(lián)動機床,代表了當今世界機床的頂尖水平,也標志著我國數(shù)控機床企業(yè)已具備和歐美國家抗衡的實力,但在高端機床的精度、質量和穩(wěn)定性方面,與日本、德國還有一定差距,這些都是未來需要努力追趕的方向。

2 數(shù)控技術在機械加工技術中的價值分析

2.1 加快機械加工技術的發(fā)展

我國當前進入了信息化社會,為符合現(xiàn)代化社會的發(fā)展要求,在工業(yè)技術領域,信息技術的應用范圍也不段加大。將數(shù)控技術合理地應用到機械加工領域中,可全面提高我國工業(yè)領域的技術水平,保障工業(yè)領域技術的前沿性、先進性,促進我國工業(yè)穩(wěn)定、持續(xù)性發(fā)展。高精尖零部件生產(chǎn)加工時,應用數(shù)控技術可顯著提高生產(chǎn)質量及效率,簡化機械加工流程,對機械加工技術的發(fā)展有一定的促進作用。

2.2 增強機床的控制力

機械加工過程中,機床設備占比較高,將數(shù)控技術科學合理地應用到機械加工中,可增強對機床的控制力,減少加工過程中的安全隱患。因此,通過應用數(shù)控技術對傳統(tǒng)機械加工流程進行簡化,提高機械加工技術的同時,安全性也得到了有效保障,使設備能夠安全、穩(wěn)定、高效的運轉。

3 數(shù)控技術在機械制造行業(yè)中的應用

3.1 汽車工業(yè)中應用數(shù)控技術

近年來,隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,我國汽車行業(yè)也保持了良好的發(fā)展勢頭,現(xiàn)在數(shù)控技術應用于完整的汽車生產(chǎn)線加工。在整車生產(chǎn)中,開設了4條生產(chǎn)線,通過融合數(shù)控技術來完成汽車零部件加工。數(shù)控技術也應用于焊接生產(chǎn)線和沖壓生產(chǎn)線中,工人師傅們通過沖壓工序完成各種汽配零件成型沖壓,在數(shù)控技術下通過各零件裝配協(xié)調完成總裝。這些工序應用數(shù)控技術,加入運動單元,編入加工制造程序,操控機械手按指定坐標運動,不需要人工干預便可完成整個汽車的生產(chǎn)制造,具有操控精準、高效的特點[7]。

此外,通過數(shù)控技術可以使小批量、小規(guī)模的產(chǎn)品完成生產(chǎn)目標,糅合現(xiàn)代柔性制造技術、虛擬仿真控制技術,為汽車制造工業(yè)提供進一步發(fā)展。例如,汽車發(fā)動機的缸體制造,作為發(fā)動機的重要支撐體,需要利用數(shù)控機床進行端面和孔的銑刻加工與拋光,再進行最后的細節(jié)加工與精磨。對于精度要求較高的凸輪軸,在制造中需要較高的平衡度,發(fā)動機的缸蓋、變速箱等重要零部件,尤其涉及較多曲面加工時,需要多軸復合數(shù)控機床來完成這些復雜的工藝加工,軸類零件已基本實現(xiàn)數(shù)控機床機械自動化的生產(chǎn)制造。

3.2 模具工業(yè)加工中應用數(shù)控技術

將模具數(shù)據(jù)融入數(shù)控程序,是一種新型加工方法,可借助Mastercam、UG等軟件進行加工應用,在電火花、線切割、數(shù)控加工編程方面具有很好的應用價值。通過模具加工軟件,導入螺旋加工工具,可有效降低刀具間的速度,提高刀具的使用壽命,對加工設備起到較好的保護作用。

3.3 機床設備中應用數(shù)控技術

目前,數(shù)控技術應用極為廣泛,各種機器零部件或機械產(chǎn)品的加工都可以通過數(shù)控技術完成,對生產(chǎn)制造起到至關重要的作用。借助計算機軟件加強系統(tǒng)的控制能力,對主軸轉速、刀具變換、工藝面切換等通過程序代碼輸入到計算機系統(tǒng),通過計算機控制并操作機床加工工件。隨著機床設備不斷更新發(fā)展,數(shù)控技術應用逐漸成熟,生產(chǎn)加工精準度、精細化程度不斷提高,可以滿足更高的生產(chǎn)需求[8]。

3.4 航空工業(yè)中應用數(shù)控技術

21世紀以來,世界各國的工業(yè)技術有了突飛猛進的進步,信息技術、制造技術同樣有質的飛躍,極大地加快了航空工業(yè)的發(fā)展,數(shù)控技術已經(jīng)廣泛應用于航空工業(yè)材料及零部件制造、航空模型制造,以及航空器結構制造。利用數(shù)控技術,可以制作帶有復雜幾何形狀的零部件和飛機模型,減少了制造過程中的人工干預,具有輕量化、高強度等特點。復雜幾何形狀的航天器結構,如外殼、機翼等也可進行特殊精細化加工。數(shù)控技術已經(jīng)深度融合到航空制造領域,并發(fā)揮著不可代替的作用,通過不斷發(fā)展,數(shù)控技術將為航空制造業(yè)提供更多發(fā)展和機遇。

4 數(shù)控技術未來發(fā)展方向

4.1 高智能化

通常來說,數(shù)控加工的生產(chǎn)指標涉及生產(chǎn)速度、加工效率及精度,未來要想使數(shù)控技術朝著更高端的方向發(fā)展,就應圍繞這3個方面進行革新。未來機械制造行業(yè)以數(shù)控技術、計算機技術作為基礎,朝智能化生產(chǎn)線發(fā)展,對整個生產(chǎn)過程智能化遠程控制,隨時收集并處理信息。

在高端數(shù)控領域進行切削加工時,多軸數(shù)控機床通過多軸聯(lián)動、車銑復合加工等,使加工出來的零部件質量和加工效率有質的提高。應用多軸機床生產(chǎn)加工出的工件產(chǎn)品精度高、外觀好、光潔度高,多軸技術還可實現(xiàn)零件產(chǎn)品加工全過程的實時監(jiān)測,一旦出現(xiàn)問題第一時間預警報告,便于及時解決。例如,我國自主研發(fā)的華中818系列數(shù)控機床,將PC總線技術應用于數(shù)控機床和PC通訊之中,極大加快了傳輸速度。

4.2 高精密化

在加工制造業(yè)中,精度水平是體現(xiàn)加工質量好壞的重要指標之一,是機床性能的集中體現(xiàn)。在數(shù)控機床制造同質化的現(xiàn)狀下,加工精度及穩(wěn)定性越來越直觀地體現(xiàn)一個國家重型數(shù)控機床的制造水平,如今現(xiàn)代數(shù)控機床的加工精度將繼續(xù)朝著微米級、納米級前進。未來,提高數(shù)控機床的穩(wěn)定性,將大規(guī)模采用混合式集成電路的方式或更高集成度的芯片控制,提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度,滿足用戶的個性化需求。

4.3 高度一體化

借鑒當今機電一體化技術發(fā)展,數(shù)控技術未來也可能會朝著一體化方向發(fā)展,以此實現(xiàn)機械生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的有機統(tǒng)一,促進細小零件的精細加工,方便進行集中監(jiān)督,讓數(shù)控機械加工過程在統(tǒng)一有效的管理中展開。此外,一體化方向也可促進未來開放式發(fā)展,適應不同的設備需求,實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)。

5 結語

機械制造業(yè)的發(fā)展代表了一個國家的工業(yè)水平,數(shù)控技術將會有很大的發(fā)展前景,越來越向精準化、人性化、智能化發(fā)展,在各行各業(yè)中凸顯其優(yōu)勢。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,對數(shù)控技術提出了更大挑戰(zhàn)。機械電子信息技術的融合將是數(shù)控技術未來的發(fā)展趨勢,不論是智能化、精準化、人性化,數(shù)控技術必須不斷提升自身控制能力,更好地服務于社會生產(chǎn),以滿足市場的生產(chǎn)需要。