Тенденции развития станков с ЧПУ в эпоху интеллектуального производства

Станки с ЧПУ впервые родились в Соединенных Штатах. В 1948 году, когда американская компания Parsons разработала модель станка для обработки контуров лопастей вертолета, она предложила концепцию станка с ЧПУ. Позже ВВС США поручили ему сотрудничать с Массачусетским технологическим институтом для испытания первого в мире трехкоординатного вертикального фрезерного станка с ЧПУ, его система ЧПУ использует электронные трубки.

Начиная с 1960 года, Германия, Япония и Китай последовательно разрабатывают, производят и используют станки с ЧПУ, а в 1968 году Китай разработал первый станок с ЧПУ на Пекинском станкостроительном заводе № 1.

В 1974 году микропроцессор был непосредственно использован в станках с ЧПУ, что способствовало популяризации и быстрому развитию станков с ЧПУ.

1. Высокая скорость

С быстрым развитием автомобильной, национальной обороны, авиации, аэрокосмической и других отраслей промышленности и применением новых материалов, таких как алюминиевые сплавы, требования к обработке станков с ЧПУ становятся все выше и выше.

(1) Скорость шпинделя: В станке используется электрический шпиндель (встроенный шпиндельный двигатель), а максимальная скорость шпинделя составляет 200000 р/мин;

(2) Коэффициент подачи:При разрешении 0,01 мкм максимальная скорость подачи достигает 240 м/мин, и может быть получена точная обработка сложных поверхностей;

(3) Скорость вычисления:Быстрое развитие микропроцессоров обеспечило гарантию развития систем ЧПУ в направлении высокой скорости и высокой точности. Разработанные процессоры были разработаны для 32-разрядных и 64-разрядных систем ЧПУ, а частота была увеличена до нескольких сотен МГц и тысяч МГц. Из-за значительного увеличения скорости вычислений, когда разрешение составляет 0,1 мкм и 0,01 мкм, оно все еще может достигать до 24 ~ Скорость подачи 240 м/мин;

(4) Скорость смены ножа:В настоящее время время время обмена инструментов в зарубежных передовых обрабатывающих центрах, как правило, около 1s, высокая достигла 0,5 s. Немецкая компания Chiron спроектировала инструментальный арсенал в стиле корзины с главной осью в качестве оси и расположением инструмента по окружности. Время смены ножа от ножа до ножа составляет всего 0,9 с.

2. Высокая точность

Требования к точности станков с ЧПУ теперь не ограничиваются статической геометрической точностью, точность движения станков, тепловая деформация, а также мониторинг и компенсация вибрации получили все большее внимание.

За последние 10 лет точность обработки обычных станков с ЧПУ была увеличена с 10 мкм до 5 мкм, а прецизионные обрабатывающие центры-с 3 ~ 5 мкм увеличено до 1 ~ 1,5 мкм, и точность сверхточной обработки начала переходить на наноразмерный уровень (0,001 мкм).

(1) Повышение точности управления системой ЧПУ:Высокоскоростная технология интерполяции используется для достижения непрерывной подачи с помощью крошечных программных сегментов, что делает блок управления с ЧПУ усовершенствованным и использует устройство обнаружения положения с высоким разрешением для повышения точности определения положения (Япония разработала детектор положения с 106 импульсов/оборотов (серводвигатель переменного тока, его точность определения положения может достигать 0,01 мкм/импульс), позиционная сервосистема использует управление прямой связью и нелинейное управление;

(2) Использование технологии компенсации ошибок:Такие технологии, как компенсация обратного зазора, компенсация погрешности винта стержня и компенсация погрешности инструмента, используются для комплексной компенсации погрешностей тепловой деформации и пространственных ошибок оборудования. Результаты исследования показывают, что применение технологии комплексной компенсации ошибок может снизить погрешность обработки на 60% ~ 80%;

(3) использование сетки для проверки и повышения точности траектории движения обрабатывающего центра,И с помощью моделирования прогнозируется точность обработки станка, чтобы обеспечить точность позиционирования и точность повторного позиционирования станка, чтобы его производительность была стабильной в течение длительного времени, может выполнять различные задачи обработки в различных условиях эксплуатации и обеспечивать качество обработки деталей.

Повышение точности обработки заключается не только в использовании шариковых винтов, статических направляющих, линейных направляющих качения, маглевых направляющих и других компонентов, что повышает точность управления системой с ЧПУ, применяет устройство обнаружения положения с высоким разрешением, но также использует различные технологии компенсации ошибок, такие как компенсация ошибок винта, компенсация ошибок инструмента, компенсация ошибок тепловой деформации, комплексная компенсация пространственных ошибок и т. Д.

3. Развитие в направлении гибкости, функционального комплекса и интеграции

Значение композитного станка означает, что обработка различных элементов от заготовки до готового продукта осуществляется или, насколько это возможно, выполняется на одном станке. По его структурным характеристикам его можно разделить на два типа: тип технологического комплекса и тип технологического комплекса. Станки с технологическими композитами, такие как расточные и фрезерные композитные обрабатывающие центры, токарные и фрезерные композитные токарные центры, фрезерные и сверлильные композитные обрабатывающие центры и т. Д., Процессорные композитные станки, такие как композитные станки с многогранной и многоосевой обработкой, и токарные центры с двумя шпинделями. и так далее. Использование композитных станков для обработки, сокращает дополнительное время погрузки и разгрузки заготовки, замены и регулировки инструмента, а также ошибки, возникающие в промежуточном процессе, повышает точность обработки деталей, сокращает цикл производства продукции, повышает эффективность производства и способность производителей реагировать на рынок, он имеет очевидные преимущества по сравнению с традиционными способами производства, которые являются децентрализованными.

Композитизация процесса обработки также привела к разработке станков в направлении модульности и многоосей. Последний токарный обрабатывающий центр немецкой компании Index представляет собой модульную структуру, которая может выполнять различные процессы, такие как токарная обработка, фрезерование, сверление, катание, шлифование, лазерная термообработка и т. Д., А также может выполнять всю обработку сложных деталей. С непрерывным улучшением требований к современной механической обработке большое количество многоосевых станков с ЧПУ все больше приветствуется крупными предприятиями. На Китайской международной выставке станков 2005 года (CIMT2005) отечественные и зарубежные производители представили различные формы многоосных обрабатывающих станков (включая двойные шпиндели, двойные держатели, 9-осевые элементы управления и т. Д.) И могут быть реализованы 4 ~ 5-осевой высокоскоростной портальный обрабатывающий центр, 5-осевой высокоскоростной фрезерный центр и т. Д.

Станки с ЧПУ, одновременно повышая гибкость одной машины, развивались в направлении гибкости и систематизации единицы, например, появились многоосевые обрабатывающие центры с ЧПУ, обрабатывающие центры с заменой ножей и коробчатые обрабатывающие центры с гибким и эффективным обрабатывающим оборудованием, появились гибкие производственные блоки, состоящие из нескольких станков с ЧПУ, состоящих из нижнего обрабатывающего оборудования (FlexibleManufacturingCell,FMC), flexibleManufacturingSystem (FMS), FlexibleManufacturingLine (FML).

На современных станках с цифровым управлением основными устройствами стали автоматические устройства смены ножей и автоматические устройства коммутации рабочего стола. С развитием станков с ЧПУ в направлении гибкости, функциональная интеграция в большей степени отражается в: автоматическая погрузка и разгрузка заготовки, автоматическое позиционирование заготовки, автоматическое сопоставление ножей, автоматическое измерение и компенсация заготовки, объединение сверления, фрезерования, фрезерования и шлифования. «Универсальная обработка» и интеграция погрузки и разгрузки, обработки, измерение как «полная обработка» и т. Д.

4, интеллектуальный контроль

С развитием технологии искусственного интеллекта, чтобы удовлетворить потребности развития гибкого производства и автоматизации производства в обрабатывающей промышленности, степень интеллекта станков с ЧПУ постоянно улучшается. Это отражается в следующих аспектах:

(1) технология адаптивного управления процессом обработки:Контролируя силу резания, мощность, ток, напряжение и другую информацию о силе резания, шпинделе и питающем двигателе во время обработки, используя традиционные или современные алгоритмы для идентификации силы, износа, состояния повреждения инструмента и состояния стабильности обработки станка, и в соответствии с этими состояниями, параметры обработки в режиме реального времени (скорость шпинделя, скорость подачи) и инструкции по обработке, чтобы привести оборудование в оптимальное рабочее состояние для повышения точности обработки, уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности и повышения безопасности эксплуатации оборудования;

(2) Интеллектуальная оптимизация и выбор параметров обработки:Используя опыт экспертов или техников, общие и специальные правила обработки деталей, используя современные интеллектуальные методы для создания «интеллектуальных оптимизаторов и селекторов параметров обработки» на основе экспертных систем или моделей и используя их для получения оптимизированных параметров обработки, чтобы достичь повышения эффективности программирования и уровня обработки, цель сокращения сроков подготовки производства;

(3) Интеллектуальная технология самодиагностики и самовосстановки неисправностей:В соответствии с существующей информацией о неисправностях, применять современные интеллектуальные методы для достижения быстрого и точного определения неисправности;

(4) Интеллектуальное воспроизведение неисправностей и технология имитации неисправностей:Способен полностью записывать различную информацию системы, воспроизводить и моделировать различные ошибки и аварии, возникающие на станках с ЧПУ, использовать для определения причин ошибок, поиска решений проблем и накопления производственного опыта;

(5) Интеллектуальный сервопривод переменного тока:Интеллектуальная сервосистема, которая может автоматически определять нагрузку и автоматически регулировать параметры, включая интеллектуальный привод переменного тока шпинделя и интеллектуальное устройство подачи сервопривода. Это приводное устройство может автоматически определять момент инерции двигателя и нагрузки, а также автоматически оптимизировать и регулировать параметры системы управления, чтобы обеспечить оптимальную работу системы привода;

(6) Интеллектуальная система ЧПУ 4M:В процессе производства интеграция обработки и обнаружения является эффективным способом достижения быстрого производства, быстрого обнаружения и быстрого реагирования, объединяя четыре измерения (Measurement), моделирование, обработку (Manufacturing) и работу машины (Manipulator) (т. е. 4M) в одной системе, реализовать обмен информацией и способствовать интеграции измерений, моделирования, обработки, зажима и операций.

5. Открытая система

(1) Открытие для будущих технологий:Поскольку интерфейсы программного и аппаратного обеспечения соответствуют общепринятым стандартным протоколам, с небольшими изменениями и настройками, новое поколение ресурсов программного и аппаратного обеспечения общего назначения может быть принято, поглощено и совместимо с существующими системами, что означает, что затраты на разработку системы будут значительно снижены, а производительность и надежность системы будут постоянно улучшаться и находиться в течение длительного срока службы;

(2) Открыто для особых требований пользователей:Обновление продуктов, расширение функций и предоставление различных комбинаций аппаратных программных продуктов для удовлетворения специальных требований приложений;

(3) Установление стандарта ЧПУ:На международном уровне изучается и разрабатывается новый стандарт системы ЧПУ, ISO 14649(STEP-NC), чтобы обеспечить нейтральный механизм, который не зависит от конкретной системы и который может описывать унифицированную модель данных на протяжении всего жизненного цикла продукта, что позволяет стандартизировать информацию о продукте на всем производственном процессе и даже в различных отраслях промышленности. Стандартизированный язык программирования не только удобен для пользователей, но и снижает потребление труда, непосредственно связанное с эффективностью работы.

6. Привод и объединение

Параллельные спортивные станки преодолевают присущие им дефекты, такие как высокое качество движущихся частей традиционного тандемного механизма станка, низкая жесткость системы, инструмент может быть подан только вдоль фиксированных направляющих, низкая свобода работы, гибкость обработки оборудования и недостаточная маневренность. (Обычно движущаяся платформа) и сиденье (обычно статическая платформа) между ними используется механизм параллельного соединения с несколькими полюсами. Благодаря длине стержня в системе стержня, платформа, поддерживаемая стержнем, может достигать соответствующих степеней свободы. Он может выполнять многокоординатную обработку с ЧПУ, сборку и измерение. Обработка сложных специальных деталей, высокая степень модульности современных роботов, легкий вес и высокая скорость и другие преимущества. Параллельные станки, как новый тип обрабатывающего оборудования, стали важным направлением исследований в современной технологии станков, которые высоко ценятся международной станкостроительной промышленностью и считаются «наиболее значимым прогрессом в станкостроении с момента изобретения технологии ЧПУ» и «21 век новое поколение ЧПУ обрабатывающее оборудование».

7, поляризация (большая и миниатюризация)

Развитие национальной обороны, авиации и аэрокосмической промышленности и крупномасштабное промышленное оборудование, такое как энергетика, требуют поддержки крупных и хорошо работающих станков с ЧПУ. Технология сверхточной обработки и микро-нано-технология являются стратегическими технологиями 21-го века. Необходимо разработать новые производственные процессы и оборудование, которые могут адаптироваться к микроразмеру и точности микро-нано-обработки. Станки, микропроцессорные станки, спрос на микро-лазерные станки и микро-прессы постепенно увеличивается.

8. Сеть информационного взаимодействия

Для предприятий, сталкивающихся с жесткой конкуренцией, очень важно, чтобы станки с ЧПУ имели двустороннюю и высокоскоростную сетевую функцию связи, чтобы обеспечить беспрепятственный поток информации между различными отделами цеха. Он может не только осуществлять совместное использование сетевых ресурсов, но также осуществлять дистанционный мониторинг, управление, обучение, обучение и управление станками с ЧПУ, а также цифровые услуги оборудования с ЧПУ (удаленная диагностика, техническое обслуживание и т. Д.). Например, японская компания Mazak представила новое поколение обрабатывающих центров, оснащенных внешним оборудованием, известным как информационная вышка (e-Tower), включая компьютеры, мобильные телефоны, наружные и внутренние камеры, которые могут выполнять функции сигнализации о сбоях связи с голосом, графикой, видео и текстом, онлайн-помощь для устранения неполадок и т. д. Это независимая, независимая производственная единица.

9, новые функциональные компоненты

Чтобы улучшить производительность станков с ЧПУ, применение новых функциональных компонентов с высокой точностью и высокой надежностью стало неизбежным. Типичные новые функциональные компоненты включают в себя:

(1) Высокочастотный электрический шпиндель:Высокочастотный электрический шпиндель представляет собой интеграцию высокочастотного двигателя и компонентов шпинделя, который обладает рядом преимуществ, таких как небольшой размер, высокая скорость и бесступенчатое регулирование скорости. Он широко используется в различных новых станках с ЧПУ;

(2) линейный двигатель:В последние годы применение линейных двигателей становится все более распространенным. Хотя его цена выше, чем у традиционных сервосистем, из-за применения ключевых технологий, таких как возмущения изменения нагрузки, компенсация тепловой деформации, магнитное разделение и защита, структура механической трансмиссии была упрощена, а динамика станков Может быть улучшено. Например: трехфазные линейные двигатели с постоянным магнитом переменного тока серии 1FN1, производимые Siemens, начали широко использоваться в высокоскоростных фрезерных станках, обрабатывающих центрах, шлифовальных станках, параллельных станках и станках с высокими требованиями к динамическим характеристикам и точности движения; EX-CELL-O в Германии XHC Горизонтальный обрабатывающий центр имеет два линейных двигателя в трех движениях;

(3) Электрический шариковый стержень:Электрический шариковый стержень представляет собой интеграцию серводвигателя и шарикового стержня, что может значительно упростить конструкцию станка с ЧПУ и имеет ряд преимуществ, таких как небольшое количество трансмиссий и компактная структура.

10, высокая надежность

Станки с ЧПУ по сравнению с традиционными станками, увеличение систем ЧПУ и соответствующих устройств мониторинга и т. Д., Применение большого количества электрических, гидравлических и электромеханических устройств, легко привести к увеличению вероятности отказа; колебания и помехи напряжения промышленной сети на станках с ЧПУ надежность крайне неблагоприятна, поверхность деталей, обработанных станками с ЧПУ, является относительно сложной, а цикл обработки является длительным, что требует среднего времени без отказов более 20 000 часов. Чтобы обеспечить высокую надежность станков с ЧПУ, необходимо тщательно спроектировать систему, строго изготовить и уточнить цели надежности, а также проанализировать режим неисправности и найти слабые звенья посредством технического обслуживания. Среднее время отказа иностранных систем ЧПУ составляет 7 ~ Более 100 000 часов, среднее время безотказной работы отечественной системы ЧПУ составляет всего около 10 000 часов, среднее время безотказной работы иностранных машин составляет более 800 часов, в то время как самый высокий внутренний-всего 300 часов.

11, зеленый процесс обработки

С все более строгими экологическими и ресурсными ограничениями экологизация производства и переработки становится все более важной, а ресурсы и экологические проблемы Китая особенно заметны. Поэтому в последние годы постоянно появляются и развиваются станки, которые не используют или используют меньше охлаждающей жидкости для достижения сухой резки, полусухой резки, энергосбережения и защиты окружающей среды. В 21-м веке общая тенденция зеленого производства ускорит развитие различных энергосберегающих и экологически чистых станков и занять больше мировых рынков.

12. Применение мультимедийных технологий

Мультимедийная технология объединяет компьютеры, аудио-и коммуникационные технологии, позволяя компьютерам всесторонне обрабатывать звук, текст, изображения и видеоинформацию, поэтому она также выдвигает графические требования к пользовательскому интерфейсу. Разумный и удобный пользовательский интерфейс значительно облегчает использование непрофессиональных пользователей, люди могут работать через окна и меню, чтобы облегчить программирование чертежей и быстрое программирование, трехмерное цветное стерео динамическое графическое отображение, графическое моделирование, графическое динамическое отслеживание и моделирование, различные направления представления и реализация функции масштабирования локального дисплея. Кроме того, применение мультимедийных технологий в области технологии ЧПУ может быть интегрировано и интеллектуально обработанной информацией, а также используется для диагностики неисправностей систем мониторинга в реальном времени и производственного оборудования, мониторинга параметров производственного процесса и т. Д., Поэтому он имеет большое значение для применения.

Отечественные станки с ЧПУ не имеют основной технологии, от высокопроизводительных систем ЧПУ до ключевых функциональных компонентов, которые в основном зависят от импорта, даже если некоторые отечественные производители в последние годы изо всех сил создали свои собственные бренды, но их функции и надежность производительности по-прежнему отличаются от зарубежных продуктов. Существует определенный разрыв. В последние годы отечественные производители станков с ЧПУ приобрели некоторые передовые технологии ЧПУ благодаря внедрению технологий, слияниям и поглощениям в стране и за рубежом, а также иностранным закупкам, но им не хватает исследований по основным технологиям, таким как структура и точность станков, надежность и гуманизированный дизайн, и они игнорировали возможности самостоятельного развития, технический уровень отечественных станков с ЧПУ, производительность и качество все еще далеки от зарубежных стран, и также трудно получить признание большинства пользователей.

Некоторые отечественные производители станков с ЧПУ не уделяют достаточного внимания улучшению общего процесса и уровня производства. Методы обработки в основном основаны на обычных станках и неэффективных инструментах. Сборка и ввод в эксплуатацию полностью зависят от ручной работы. Кроме того, управление производством многих отечественных производителей станков с ЧПУ по-прежнему следует оригинальному методу управления ручными счетами, а низкий уровень процесса и эффективность управления не позволяют предприятиям формировать достаточные масштабы производства. Например, иностранные производители станков могут устанавливать и выводить продукцию каждую неделю, в то время как внутренний производственный цикл слишком длинный и его трудно контролировать. Поэтому, внедряя технологии, мы должны обратить внимание на усиление наших собственных технологических преобразований и повышения уровня управления.

В связи с быстрым развитием индустрии станков с ЧПУ, некоторые компании игнорируют долгосрочные интересы и не уделяют достаточного внимания улучшению своего комплексного уровня обслуживания, даже не имеют реального понимания обслуживания и сосредоточены только на продажах, а не на предпродажном и послепродажном обслуживании. Некоторые компании не имеют достаточного понимания производимых станков с ЧПУ, не будут использовать или не будут использовать станки с ЧПУ, не говоря уже о том, чтобы направлять пользователей на использование хороших станков, некоторым не хватает базового понимания передовых и эффективных инструментов, и они не могут предоставить лучшие технологические решения. Пользователи, естественно, испытывают недостаток доверия к производителям. Услуги производителя должны начинаться с изучения продуктов, процессов, типов производства и требований к качеству пользователей, чтобы помочь пользователям выбрать оборудование, рекомендовать передовые технологии и технические средства, оснащенные профессиональным обучением и хорошей учебной средой, чтобы помочь пользователям использовать станки Максимальные преимущества и обработка высококачественных конечных продуктов, таким образом, мы можем постепенно получить одобрение пользователей и увеличить долю рынка отечественных станков с ЧПУ.