机械加工中数控机床的应用与发展方向
机械加工中数控机床的应用与发展方向摘要 随着科学技术和生产的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。产品加工工艺过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施之一。但是，在产品加工中，大批量生产的零件并不很多，据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。对这些多品种且加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合适。为在竞争中求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，但传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决以上问题，各企业在生产中采用了数控技术来生产，数控机床作为目前一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效的自动化机床。本文就针对数控机床在机械加工中的应用范围、特点、要求和发展方向作出论述。 关键词：应用范围； 特点； 应用要求； 发展方向目录1 引言2 数控机床的应用范围和要求2.1 数控机床的应用范围2.2 数控机床的使用要求2.2.1 对操作维修人员的技术水平要求较高2.2.2对夹具和刀具的要求较高3数控机床的加工有以下几方面的特点3.1 适应性强3.2 精度高，质量稳定3.3 生产效率高3.4 能实现复杂的运动3.5 良好的经济效益3.6 有利于生产管理的现代化4数控机床的发展方向4.1 高速化4.2 高精度化4.3 功能复合化4.4 控制智能化4.5 体系开放化4.6 驱动并联化4.7 极端化(大型化和微型化)4.8 信息交互网络化4.9 新型功能部件4.10 高可靠性4.11 加工过程绿色化4.12 多媒体技术的应用5 结束语参考文献1引 言从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展方向。2 数控机床的应用范围和要求21 数控机床的应用范围（1）多品种、小批量生产的零件 （2）形状结构比较复杂的零件 （3）需要频繁改型的零件 （4）价格昂贵，不允许报废的零件 （5）需要最短周期的急需零件 （6）批量较大、精度要求高的零件22 数控机床的使用要求2.2.1 对操作维修人员的技术水平要求较高 数控机床采用计算机控制，伺服系统技术复杂，机床精度要求很高。因此，要求操作、维修及管理人员具有较高的文化水平和技术素质。数控机床是根据程序进行加工的，程序的编制即要有一定的技术理论又要有一定的技巧，可由操作人员手工编定，也可以使用计算机辅助编制。加工程序的编制直接关系着数控机床功能的开发和利用，并直接影响数控机床的加工精度。因此，数控机床的操作人员除了要有一定的工艺基础知识外，还应对数控机床的结构特点、工作原理以及程序编制进行必备的技术理论培训和操作训练。正确和有效的维护是提高数控机床效率的基本保证。数控机床的维修人员应有较高的、较全面的数控理论知识和维修技术。维修人员应有比较宽的机、点、液专业知识，才能综合分析，判断故障根源，缩短故障停机时间，实现高效维修。因此，数控机床维修人员也必须经过专门的培训才能上岗。使用数控机床，不但要对从事数控加工和维修人员进行培训，而且对与数控机床有关人员都应该进行数控加工技术知识的普及，以利于数控机床发挥更高效能。2.2.2 对夹具和刀具的要求较高A 数控机床对夹具的要求是：（1） 单件或小批量生产时，一般采用通用夹具；批量生产时，为节省加工时间，应使用专用夹具或组合夹具；（2） 夹具应该定位可靠，能自动夹紧或松开工件，具有良好的排屑、冷却结构。B 数控机床对刀具的要求是：（1） 精度较高、寿命长、尺寸稳定、变化小；（2） 能实现机外预调、快速换刀；（3） 刀柄应为标准系列；（4） 能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出；（5） 具有良好的可冷却性能。3数控机床的加工有以下几方面的特点3.1 适应性强适应性即所谓的柔性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制程序，输入新的程序后就能实现对新的零件的加工；而不需改变机械部分和控制部分的硬件，且生产过程是自动完成的。这就为复杂结构零件的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。适应性强是数控机床最突出的优点，也是数控机床得以生产和迅速发展的主要原因。3.2 精度高，质量稳定产品合格率高，加工质量稳定。数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的，一般情况下工作过程不需要人工干预，这就消除了操作者人为产生的误差。在设计制造数控机床时，采取了许多措施，使数控机床的机械部分达到了较高的精度和刚度。数控机床工作台的移动当量普遍达到了0.010.0001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，高档数控机床采用光栅尺进行工作台移动的闭环控制。数控机床的加工精度由过去的±0.01 mm提高到±0.005mm甚至更高。定位精度九十年代初中期已达到±0.002mm±0.005mm。此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性。通过补偿技术，数控机床可获得比本身精度更高的加工精度。尤其提高了同一批零件生产的一致性。3.3 生产效率高零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床主轴的转速和进给量的变化范围比普通机床大，因此数控机床每一道工序都可选用最有利的切削用量。由于数控机床结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强力切削，这就提高了数控机床的切削效率，节省了机动时间。数控机床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，刀具可自动更换，辅助时间比一般机床大为减少。数控机床更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，节省了零件安装调整时间。数控机床加工质量稳定，一般只作首件检验和工序间关键尺寸的抽样检验，因此节省了停机检验时间。在加工中心机床上加工时，一台机床实现了多道工序的连续加工，生产效率的提高更为显著。3.4 能实现复杂的运动普通机床难以实现或无法实现轨迹为三次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、汽轮机叶片之类的空间曲面；而数控机床则可实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适应于复杂异形零件的加工。3.5 良好的经济效益数控机床虽然设备昂贵，加工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高。但在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工可节省划线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工零件一般不需制作专用夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投资。因此使用数控机床可获得良好的经济效益。3.6 有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，特别是在数控机床上使用计算机控制，为计算机辅助设计、制造以及管理一体化奠定了基础。4 数控机床的发展方向4.1 高速化 随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。 （1）主轴转速：机床采用电主轴(内装式主轴电机)，主轴最高转速达200000r/min； （2）进给率：在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工； （3）运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度； （4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。4.2 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。 （1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲)，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法； （2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%； 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，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。4.3 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，
