曹麗萍

摘要:本文從世界上數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展趨勢(shì)上,重點(diǎn)從3方面闡述了研究的熱點(diǎn),結(jié)合實(shí)際,提出了我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略性思考。

關(guān)鍵詞:發(fā)展趨勢(shì);自動(dòng)控制;加工精度;發(fā)展策略

工業(yè)的技術(shù)水平和發(fā)展程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和發(fā)展程度,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)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的首要技術(shù)和最基本的裝備。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù),以提高制造能力和水平,提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資,因此,大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,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(kuò)大,它對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因?yàn)檫@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(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:

1.1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)

效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一,國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。

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,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一;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,剛度很差,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,才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)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(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝,使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。

從EMO2001展會(huì)情況來看,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min,甚至更高,空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,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(jī)床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min,快速為100m/min,加速度達(dá)2g,主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件,只用30min,而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h,在普通銑床加工需8h。

在加工精度方面,近10年來,普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級(jí)加工中心則從3～5μm,提高到1～1.5μm,并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。

在可靠性方面,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上,伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上,表現(xiàn)出非常高的可靠性。

1.2 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展

采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為,1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí),5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。

當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn),使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。在EMO2001展會(huì)上,新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭,可實(shí)現(xiàn)4個(gè)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(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn),還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。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(dòng)加工,可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。

1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)

21世紀(jì)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(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等;簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化,如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)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(jī),如日本山崎馬扎克公司,日本大隈機(jī)床公司,德國西門子公司等,都反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。

2 對(duì)我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)

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(gè)階段:第一階段從1958年到1979年,即封閉式發(fā)展階段。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,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期,即引進(jìn)技術(shù),消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,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,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究,進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。在此階段,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達(dá)到了10%。

3 對(duì)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,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,即要掌握先進(jìn)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,我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià),交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,沒有掌握核心技術(shù)的制造中心的地位,這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

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(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo),用系統(tǒng)的方法,選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)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)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主,以整機(jī)(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)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(jī)、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。

因此,在現(xiàn)今的競(jìng)爭(zhēng)世界,我國的數(shù)控技術(shù)應(yīng)以不斷創(chuàng)新,不斷研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品為第一要?jiǎng)?wù),為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。