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2017年第2期(发布时间: Jun 20, 2017 发布者:icad)  下载: 2017年第2期.doc       全选  导出
1   2017-06-20 10:01:54.64 从国内外高档数控机床技术看装备制造业发展现状及趋势 (点击量:30)

机床作为当前机械加工产业的主要设备,其技术发展已经成为国内机械加工产业的发展标志。数控机床是制造装备业的工作母机,是先进的生产技术和军工现代化的战略装备。

高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数字化数控机床系统。高档数控机床作为世界先进机床设备的代表,其发展象征着国家目前的机床制造业占全世界机床产业发展的先进阶段,因此国际上把五轴联动数控机床等高档机床技术作为一个国家工业化的重要标志。

高档数控机床在传统数控机床的基础上,能完成一个自动化生产线的工作效率,是科技速度发展的产物,而对于国家来讲这是机床制造行业本质上的一种进步。高档数控机床集多种高端技术于一体,应用于复杂的曲面和自动化加工,在航空航天、船舶、机械制造、高精密仪器、军工、医疗器械产业等多种领域的设备制造业有着非常紧密的关系。

《中国制造“2025”》将数控机床和基础制造装备列为“加快突破的战略必争领域”,其中提出要加强前瞻部署和关键技术突破,积极谋划抢占未来科技和产业竞争制造点,提高国际分工层次和话语权。

1、国内外高档数控机床发展现状

美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。

美国的特点是:政府器重机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世界人才,特别讲究“效率”和“创新”,重视基础科研。哈斯自动化公司是全球最大的数控机床制造商之一,在北美洲的市场占有率大约为40%,所有机床完全在美国加州工厂生产,拥有近百个型号的CNC立式和卧式加工中心、CNC车床、转台和分度器。哈斯致力于打造精确度更高、重复性更好、经久耐用,而且价格合理的机床产品。

德国数控机床在传统设计制造技术和先进工艺基础上,不断采用先进电子信息技术,在加强科研的基础上自行创新开发。德国数控机床主机配套件,机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件在质量、性能上居世界前列。代表大型龙门加工中心最高水平的是德国瓦德里希?科堡公司(WALDRICH COBURG)的产品,国内北一机床采用的就是德国瓦德里希?科堡的技术。

日本政府通过规划和制订法规以及提供充足研发经费,鼓励科研机构和企业大力发展数控机床。在机床部件配套方面,日本学习德国;在数控技术和数控系统的开发研究方面,学习美国,改进和发展了两国的成果取得很大成效。日本机床也应为日本精密制造而闻名世界。

国内产品与国外产品在结构上的差别并不大,采用的新技术也相差无几,但在先进技术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。新产品开发能力和制造周期还满足不了国内用户需要,零部件制造精度和整机精度保持性、可靠性尚需很大提高,尤其是在与大型机床配套的数控系统、功能部件,如刀库、机械手和两坐标铣头等部件,还需要境外厂家配套满足。国内大型机床制造企业的制造能力很强,但大而不精,其主要原因还是加工设备落后,数控化率很低,尤其是缺乏高精水平的加工设备。同时,国内企业普遍存在自主创新能力不足,因为大型机床单件小批量的市场需求特点,决定了对技术创新的要求更高。

2、国内外数控系统发展现状

经过持久研发和创新,德、美、日等国已基本掌握了数控系统的领先技术。目前,在数控技术研究应用领域主要有两大阵营:一个是以发那科(FANUC)、西门子(SIEMENS)为代表的专业数控系统厂商;另一个是以山崎马扎克(MAZAK)、德玛吉(DMG)为代表,自主开发数控系统的大型机床制造商。

虽然国产高端数控系统与国外相比在功能、性能和可靠性方面仍存在一定差距,但近年来华中数控、航天数控、北京机电院、北京精雕等单位在多轴联动控制、功能复合化、网络化、智能化和开放性等领域也取得了一定成绩。

3、国内外高档数控机床发展趋势

目前,数控机床及系统的发展日新月异,作为智能制造领域的重要装备,除了实现数控机床的智能化、网络化、柔性化外,高速化、高精度化、复合化、开放化、并联驱动化、绿色化等也已成为高档数控机床未来重点发展的技术方向。

  

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。

  

新型功能部件应用

  

为了提高数控机床各方面的性能,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。

近年来,直线电动机的应用日益广泛,如:西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等;德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机;

  

高可靠性

  

五轴联动数控机床能够加工复杂的曲面,并能够保证平均无故障时间在20000h以上,这是一种对产品和原材料的高效使用,在其内部具有多种的报警措施能够使操作者及时处理问题,还拥有超级安全的防护措施,这是对产品的一种保障,更是对操作工人和社会的一种保障。机床的高可靠性使机床在生产时更放心,更能节约企业原材料和人工,这是对社会资源的一种节约,然而在外国,设备平均的无故障时间在30000h以上,存在的差距促使我国数控机床企业多借鉴国外技术,还要更加仔细的研究出更加完美的高档数控机床。

  

高精度

  

高档数控机床之所以能够反映一个国家的工业制造业的水准,正是因为其高精度特点。随着CAM(计算机辅助制造)系统的发展,高档数控机床不但能够高速度、高效率、最重要的是加工精度由丝级精度进化为微米级精度,其特有的往复运动单元能够极其细致的加工凹槽处理; 采用光、电化学等能源的特种加工精度可达到纳米级。同时,再进行结构的改进和优化后,还能将五轴联动数控机床的加工精度进入亚微米甚至是纳米的超精时代。

  

复合化

  

随着市场的需求不断变换,制造业的竞争日趋激烈,这就对机床的要求不只进行单件的大批量生产,更要能够完成小批量多品种的生产,这对机床的要求更高,机械化生产更个性。开发出复合程度更高的复合机床,使其能够生产多种大、小批量的类似生产机型,这是对高档数控机床的一种新式要求,在未来的发展中,也定占据主导地位,这将会是新型数控机床所要完成的新任务。

  

加工过程绿色化

  

随着日趋严格的环境与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的资源、环境问题尤为突出。因此,近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,并在不断发展当中。在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展,占领更多的世界市场。.

2   2017-06-20 10:02:49.913 机床行业迎来发展契机 智能机床将成重要发展方向 (点击量:15)

近年来,中国机床工具市场需求发生显著变化,需求总量明显减少、需求结构加速升级的市场新特征愈加明显。需求结构升级的主要方向在于 自动化 成套、客户化订制和普遍换挡升级。在提高产品技术和质量水平的基础上推动“数字化制造与智能制造”,为客户提供整体解决方案,是机床行业转型升级的重要标志,也是机床企业共同的努力方向。

中国作为全球最大的制造业大国,近年来机床产业得到快速发展,2014年产量达到39.1万台,比2010年增长65%。但与德、日等领先国家相比,仍存在较大差距,功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑。机床领域的技术研发与突破成为了“ 中国制造2025 ”战略重要工作。

4月份,在CIMT2017机床展期间,不少人员都反映,市场有了回暖的迹象。但随着国内机床上市公司一季报的陆续发布,却发现了数据支撑不够充足。但考虑到机床行业的特性,从接单到合同完成需要比较长的一个周期,因此一季报或许不能很好地判断目前的境况。

但可以肯定的是,在智能制造或 工业4.0 成为未来趋势的背景下,几乎所有的机床上市企业都在加大转型升级的力度,而智能制造则是大家共同努力的方向。

目前,中国数控机床消费总额占全球比例高达42%,机床保有量不断提高。伴随中国机床行业的快速增长、结构调整以及专业化分工深化,具有多方面技术和性能优势的电主轴将受益于下游机床工业产业升级。而进口电主轴价格高、交货期长、维修困难,国内产品进口替代空间广阔。此外,电主轴常因操作不当、部件磨损等原因导致故障,也会因长期使用精度下降而需要维护检修。

在低端产能过剩,需要各家都升级的形势下,做好差异化销售策略是很重要的。对于机床行业来说亦是如此,因此,机床需要自带诊断系统以智能诊断所有机床亚健康显得非常必要,通过智能化预测小故障让用户免去后顾之忧,是非常契合中国市场的客户需求的。只有真正帮助客户降低成本,产能更柔性,客户才觉得有未来。

在机床行业已经看得见有政府与企业开始共同打造智能生态圈,这其实也是一个需求。有人说,中国制造往后经过20年的发展,可能要慢慢脱离从大城市向中小城市,甚至到小镇上去发展,这些地方可能是未来承载中国制造业一个新的依托。

自中国经济进入新常态以来,未来经济肯定是波动式增长,波动中会出现下行,有一个下行曲线,只是围绕这个曲线出现波动。中国经济肯定是要保持在6.5%~8%的波动区间,2020年要实现小康目标,如果没有一定的经济增长速度,是很难实现这个目标的,但是高端取代低端产品却是必然的结果。

综上所述,在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引等综合作用下,机床行业的智能制造将步入加速成长期。智能制造的发展将对传统制造体系带来猛烈冲击,推动产业格局发生深刻变革。

在我国经济新常态下,机床工具行业面临市场需求升级的紧迫需求,经过新技术革命的洗礼,机床行业企业的经营模式将逐步转变。毋庸置疑,智能机床将成为智能制造体系中的核心装备,加快发展智能机床,是实施《中国制造2025》打造制造强国的首要任务。 .

3   2017-06-20 10:03:21.937 我国高档数控机床发展成果及前景预测 (点击量:11)

在航空领域,自主研制了800MN大型模锻压机、120MN铝合金板张力拉伸机等重型锻压设备,填补了国内航空领域大型关键件整体成形技术空白,为军机跨代发展和大飞机研制提供了强有力的保障。其中,800MN大型模锻压机已实现30余种航空领域钛合金关键件整体成形,120MN级铝合金宽厚板张力拉伸机生产出的高品质铝合金厚板已应用于飞机机翼等主承力结构零部件,摆脱了我国大飞机铝合金厚板完全依赖进口的困境。

在汽车制造领域,大型快速高效数控全自动冲压生产线在与世界一流企业的国际竞标中,赢得美国汽车本土工厂生产线的批量订单,得到了国际同行的认可和尊重。目前,汽车覆盖件冲压线国内市场占有率超过70%,全球市场占有率已超过30%,有力地推动了国产汽车装备自主化。

在发电设备领域,3.6万吨黑色垂直金属挤压机实现了1000MW超超临界火电机组所用的国产高端耐热钢大口径厚壁无缝钢管自主化生产;大型开合式热处理设备生产出亚洲最大的核电整锻转子锻件,形成了大型转子的批量化生产能力;为三代核电核岛和常规岛设备研制的超重型数控立式车铣复合加工机床、数控重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床、超重型数控落地铣镗床、超重型数控卧式镗车床、专用数控轴向轮槽铣床等,解决了核电压力容器和吊篮、热交换器、汽轮机缸体、发电机转子等加工难题,已在多台核电装备上装机应用。

数控机床产品结构优化调整,技术水平也有了稳步提高。

首先,中高档装备水平迅速提升。目前,大型汽车覆盖件自动冲压线等10多类设备已达到国际领先水平,完全可实现进口替代。高速龙门五轴加工中心等20多类产品基本达到国际先进水平,具备替代进口产品的水平。精密卧式加工中心形成具有自主知识产权的和柔性制造系统核心技术。高速、复合等高档数控加工中心已完成阶段性研发,但在功能性能、可靠性方面与国际先进水平还存在一定差距。

其次,数控系统梯次前移。我国在中高档数控系统研究开发方面取得了长足的进步,2010年以来,已累计在航空航天、能源、船舶、汽车等重点领域实现了3.5万余台国产中高档数控系统配套应用,实现了进口替代。多通道、多轴联动等高性能数控系统系列产品打破国外技术垄断,主要技术指标已基本达到国际主流高档数控系统的水平,实现了为多种高速、精密数控机床配套。高档数控系统在重点军工企业实现小批量应用。开发的标准型数控系统实现了批量生产,国内市场占有率从10%提高到25%.形成了数家产业化生产基地,其中广州数控设备有限公司已形成年产各类数控系统10万台的生产能力,产量位居世界第二。我国数控系统已初步具备与国外同类产品的竞争能力,并实现了数控系统批量出口,2010——2014年累计出口各类数控系统9600余套,其中五轴联动数控系统近700套。最后,功能部件产品质量水平稳步提高,品种系列不断完善。国产功能部件已实现与机床主机的批量配套;工具产品已经基本具备为汽车行业提供现代切削工具的能力。数控系统、功能部件和工具与数控机床主机的应用示范和批量配套,有助于形成完整的产业链,推动机床产业的结构调整。

高档数控机床发展前景

当前机床行业下游用户需求结构出现高端化发展态势,多个行业都将进行大范围、深层次的结构调整和升级改造,对于高质量、高技术水平机床产品需求迫切,总体上来说,中高档数控机床市场需求上升较快,用户需要更多高速、高精度、复合、柔性、多轴联动、智能、高刚度、大功率的数控机床,发展前景广阔。例如,汽车行业表现出生产大批量、多品种、车型更新快的发展趋势,新能源汽车发展加速,从而要求加工设备朝着精密、高效、智能化方向不断发展。在航空航天产业领域,随着民用飞机需求量的剧增以及军用飞机的跨代发展,新一代飞机朝着轻质化、高可靠性、长寿命、高隐身性、多构型、快速响应及低成本制造等方向发展,新一代技术急切需要更先进的加工装备来承载,航空制造装备朝着自动化、柔性化、数字化和智能化等方向发展。例如,在“两机专项”致力于突破的飞机发动机制造中,发动机叶片、整机机匣和叶盘等典型零件逐渐向尺寸大型化、型面复杂化、结构轻量化和制造精密化发展,尤其是高强度的高温耐热合金等新型轻质材料的大量应用,这些整体结构件的几何构型复杂且难加工,对大扭矩、高精度数控机床提出新的更高要求。燃气轮机的大型结构件和大型设备异地维修所需的便携性或可移动式多轴联动数控装备,这种用无固定基座、可重构拼组的小机床加工大型工件的加工方式对新型数控装备的结构设计、工艺规格和高能效加工技术提出更大挑战。

4   2017-06-20 10:04:00.907 机床智能化是机床发展重要方向 (点击量:16)

在智能制造或工业4.0成为未来趋势的背景下,几乎所有的机床上市企业都在加大机床发展转型升级的力度,而机床智能化则是大家共同努力的方向。

近年来,中国机床工具市场需求发生显著变化,需求总量明显减少、需求结构加速升级的市场新特征愈加明显。需求结构升级的主要方向在于自动化成套、客户化订制和普遍换挡升级。在提高产品技术和质量水平的基础上推动“数字化制造与智能制造”,为客户提供机床智能化整体解决方案,是机床行业转型升级的重要标志,也是机床企业共同的努力方向。

中国作为全球最大的制造业大国,近年来机床产业得到快速发展,2014年产量达到39.1万台,比2010年增长65%。但与德、日等领先国家相比,仍存在较大差距,功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑。机床领域的技术研发与突破成为了“中国制造2025”战略重要工作。 4月份,在CIMT2017机床展期间,不少人员都反映,市场有了回暖的迹象。但随着国内机床上市公司一季报的陆续发布,却发现了数据支撑不够充足。但考虑到机床行业的特性,从接单到合同完成需要比较长的一个周期,因此一季报或许不能很好地判断目前的境况。

但可以肯定的是,在智能制造或工业4.0成为未来趋势的背景下,几乎所有的机床上市企业都在加大转型升级的力度,而智能制造则是大家共同努力的方向。

目前,中国数控机床消费总额占全球比例高达42%,机床保有量不断提高。伴随中国机床行业的快速增长、结构调整以及专业化分工深化,具有多方面技术和性能优势的电主轴将受益于下游机床工业产业升级。而进口电主轴价格高、交货期长、维修困难,国内产品进口替代空间广阔。此外,电主轴常因操作不当、部件磨损等原因导致故障,也会因长期使用精度下降而需要维护检修。

在低端产能过剩,需要各家都升级的形势下,做好差异化销售策略是很重要的。对于机床行业来说亦是如此,因此,机床需要自带诊断系统以智能诊断所有机床亚健康显得非常必要,通过智能化预测小故障让用户免去后顾之忧,是非常契合中国市场的客户需求的。只有真正帮助客户降低成本,产能更柔性,客户才觉得有未来。

在机床行业已经看得见有政府与企业开始共同打造智能生态圈,这其实也是一个需求。有人说,中国制造往后经过20年的发展,可能要慢慢脱离从大城市向中小城市,甚至到小镇上去发展,这些地方可能是未来承载中国制造业一个新的依托。 自中国经济进入新常态以来,未来经济肯定是波动式增长,波动中会出现下行,有一个下行曲线,只是围绕这个曲线出现波动。中国经济肯定是要保持在6.5%~8%的波动区间,2020年要实现小康目标,如果没有一定的经济增长速度,是很难实现这个目标的,但是高端取代低端产品却是必然的结果。

综上所述,在国家产业政策支持、新技术革命推动和市场需求牵引等综合作用下,机床行业的智能制造将步入加速成长期。智能制造的发展将对传统制造体系带来猛烈冲击,推动产业格局发生深刻变革。

在我国经济新常态下,机床工具行业面临市场需求升级的紧迫需求,经过新技术革命的洗礼,机床行业企业的经营模式将逐步转变。毋庸置疑,智能机床将成为智能制造体系中的核心装备,加快发展智能机床,是实施《中国制造2025》打造制造强国的首要任务。

5   2017-06-20 10:04:46.35 我国数控机床行业有能力冲刺国际先进水平 (点击量:4)

数控机床与工业联系最为密切。大力发展高档数控机床与基础制造装备,具有全局性战略性的深远意义。经过高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项的支持,我国数控机床行业在国际市场格局中,已经从第三方阵进入第二方阵,并且培养出一批有能力冲刺国际先进水平的力量。

  如果把现代工业看作摩天大厦的话,那么高档数控机床与基础制造装备则是这座大厦的基石。诸如汽车、飞机、舰船、百万千瓦级核电设备等工业现代化所需的各类装备设施制造,均离不开它的保障。

  基于此,高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项(简称专项)作为16个科技重大专项之一,并已被纳入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020)》。

  专项技术总师、中国工程院院士卢秉恒

  专项实施以来,成就斐然,已取得预期成效。专项技术总师、中国工程院院士卢秉恒近日接受了记者专访,就该专项实施取得的重大突破、支撑国家需求、服务经济社会发展等方面进行权威解读。

  全面支撑国家重大需求

  卢秉恒指出,专项涵盖了高速、精密、智能、复合等功能的高档数控机床和用热加工、表面处理工艺对材料和零件进行成形、改性处理的基础制造装备,重点围绕汽车、航空航天、船舶、发电设备等四大领域所需的高档数控机床与基础制造装备及其配套的数控系统、功能部件、关键技术进行研发。

  其中,多轴联动是数控机床中一项关键技术。多轴联动是在一台机床的多个坐标轴上同时运动,进行复杂形状零件的加工,刀具或工件可在数控系统控制下同时协调运动,实现复杂形状的加工,在现代国防装备具有重要意义。舰艇、飞机、火箭、卫星、飞船中许多关键零件的材料、结构、加工工艺都有一定的特殊性和加工难度,用传统加工方法无法达到要求,必须采用多轴联动、高速、高精度的数控机床才能满足加工要求。

  专项解决了很多重要的制造问题。卢秉恒说,以前我国做不了五轴联动机床,所使用的数控系统也是国外制造的。这就会带来一些问题。国外高档数控机床对我们的航空航天企业不仅限制进口,即使进口了,其数控系统也留有信息后门,能对我们进行监控,对于国防安全是一个很大的隐患。如今解决了五轴联动,对于军工和航空航天等领域需求是很大的保障。

  针对中高档数控机床进口依赖度高的现状,十一五期间,专项重点对进口量大、市场需求面广的加工中心和数控车床的研发进行了部署。机床企业开发出了一大批适应市场需求,符合企业转型升级方向的新产品,龙门式加工中心、五轴联动加工中心等高档产品制造技术趋于成熟;高精度加工装备在制造精度上取得重要进展,部分解决了机床箱体、导轨等关键零件的加工需求。同时,专项大力推动了机床企业对高档机床的研发和机床可靠性研究,在重要应用领域建立了综合检验验证平台,加强了创新实验室建设,为企业的科研和质量保障提供了支撑。

  加减法互补生辉

  数控机床与3D打印同属于数控制造装备领域。如果说3D打印是加法的话,那么数控机床加工则是减法。二者对制造业同等重要,需要同样的关注与支持。卢秉恒认为,3D打印是通过材料的累加做增加,而数控机床是按照图纸把大的材料切割成小的,做的是减法,3D打印与数控机床有很好的交叉点。

  增材制造可以大幅度减少航空航天等结构件的加工余量,可以简便地加工复杂形状的零件,从而减少对五轴联动等高档数控机床的需求量。通过增减一体化,两者互补,实现完美统一。卢秉恒说。

  不过,相比之下,发展国产数控机床显然是当务之急。目前,我国已连续多年成为世界第一大机床消费国。高档数控机床的市场竞争、技术竞争十分激烈。美国、日本、德国等制造业强国在本国机床产业发展的不同阶段,都出台过许多扶植政策。

  我国数控机床行业有能力冲刺国际先进水平

  卢秉恒表示,专项并非一般意义上的科研项目,而是国家层面的一项系统工程,体现了国家的意志。2008年,国务院常务会议审议并通过专项实施方案。专项的总体目标是:到2020年总体技术水平进入国际先进行列,部分产品国际领先;形成高档数控机床与基础制造装备主要产品的自主开发能力,数控系统与功能部件研发和配套能力;形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系;培养和建立一支高素质的研究开发队伍;航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80%立足国内;研究开发出若干具有原创性的技术和产品,形成这一领域内自主创新在一些点上的突破。

  专项重点任务主要包括主机、数控系统、功能部件和关键部件、共性技术、创新平台建设、技术服务基地建设及应用示范工程七个方面。大力发展高档数控机床与基础制造装备,具有全局性战略性的深远意义。

  助力中国智造2025

  2018年专项将进入收官之年。卢秉恒告诉记者。

  卢秉恒指出,预计到2020年,通过突破关键核心技术,形成高档数控机床与基础制造装备的自主开发能力,总体技术水平进入国际先进行列,部分技术国际领先,研究开发出若干具有原创性的重大产品和技术;满足国内主要行业对制造装备的基本需求。

  就目前而言,在专项已安排的产品类研发任务中,大型汽车覆盖件自动冲压线等10多类设备已达到国际领先水平,完全可实现进口替代;高速龙门五轴加工中心等20多类产品基本达到国际先进水平,具备替代进口产品的水平;高档数控系统、精密卧式加工中心等产品已完成阶段性研发。但是,在功能性能、可靠性方面与国际先进水平还存在一定差距,五轴工具磨床、光栅尺及编码器等产品尚需要进一步的研发及产业化验证。

  卢秉恒认为,就世界数控机床整体发展水平来看,我国的数控机床行业刚从第三方阵进入第二方阵,与第一方阵还是有很大差距,但是经过专项的支持,我们已经培养了一批力量,有能力冲刺国际先进水平。

  典型案例

  科德数控:突破五轴数控技术创新

  在数控机床专项的支持下,科德数控股份有限公司(简称科德数控)在母公司大连光洋科技集团(简称光洋集团)的领导下,研制出多种类型的系列化五轴联动高档数控机床,有力地保障了国产导弹发动机涡轮、航空发动机机匣、核电汽轮机叶片等关键零部件的生产。

  科德五轴团队2009年即承担了专项首批课题,担当五轴联动卧式车铣复合加工中心研制任务,实现了S910燃气轮机叶片首次在全国产五轴卧式车铣复合加工中心上完成铣削精加工。

  科德数控生产车间

  2010年,科德五轴团队与牵头承担透平叶片五轴加工方向的无锡透平叶片有限公司,共同致力于核电大型叶片的五轴机床研制。在2015年研制出国内首台可加工67英寸核电叶片的五轴叶片铣削加工中心。目前,两台已交付用户的KTurboM3000五轴叶片铣削加工中心已24小时连续生产,实现国产五轴机床与瑞士同类机床在相同工时定额下同等的加工质量和加工精度。

6   2017-06-20 10:00:56.36 国产高档数控机床的发展现状及展望 (点击量:3)

制造业是推动经济发展的发动机,而数控机床作为现代制造业的关键核心装备,其发展一直受到国家和相关行业的高度关注。近些年随着我国经济社会的快速发展,我国机床行业有了长足的进步,产业规模、产品质量和系列规格都有了很大提升,而国民经济发展中急需的高档数控机床过度依赖进口的局面已有所改善。

受累于低迷的世界经济形势,我国机床行业从2011年下半年进入下行状态,在国产数控机床行业总产值及利润纷纷下滑的情况下,高档数控机床的需求却稳步上升,成为我国机床行业当前发展的一大亮点,高档数控机床也成为我国机床行业推进产业结构调整、实现转型升级的重要着力点。在“高档数控机床与基础制造装备” 国家科技重大专项(04专项)的推动下,我国高档数控机床近几年得到快速发展,航空航天、船舶等高端制造业作为用户企业,其在促进我国高档数控机床发展中发挥的重要作用也得到业内专家的广泛认可,紧密结合用户企业的未来需求成为我国高档数控机床产业化及批量应用的重要保障。

我国数控机床行业的发展现状

经过多年发展,我国数控机床行业的产业规模、产品类型及应用领域等都有了长足进步,而在04专项的支持下,通过数控机床制造企业及机床用户企业的共同努力,我国的高档数控机床也有了较大发展,已在我国航空航天、船舶、汽车、发电等高端制造业得到初步应用。

我国机床行业近年来产业规模大幅增加。“十一五”期间,金切机床行业工业总产值年平均增长率达23.6%,2010年达1306亿元人民币,并在2011年达到1542.9亿元人民币的历史最高点,其中数控机床的发展速度更快,数控机床产量占金切机床总产量的比重由2005年的13.2%提高到2010年的29.6%,国产数控机床产值市场占有率也在2010年达到56.7%。

在高档数控机床方面,随着04专项的深入实施,一大批数控机床关键制造技术得到突破,多种构型的国产五轴联动及复合加工机床实现了在用户生产现场的小批量应用,广泛用于飞机结构件、大型水轮机叶片等多种复杂零件的加工,加工材料涵盖了铝合金、钛合金、不锈钢、复合材料等。以国产高档数控机床在中航工业成飞公司的应用为例,成飞公司现装备6台国产五轴联动数控机床,故障率比国外同型机床稍高,但已基本满足飞机结构件批量加工。

五坐标数控龙门机床方面,济南二机床集团有限公司的XKV27系列龙门移动式五轴联动镗铣床,配备大扭矩机械式A/C双摆角数控万能铣头,工作台面宽度可达5m,长度可达40m,已在鞍钢重型机械有限责任公司、上海航天设备制造总厂应用。中航工业北京航空制造工程研究所的G5 2560 ABJ五坐标数控龙门铣床配备A/B摆角式机械主轴头,适用于钛合金、合金钢等复杂飞机结构件加工,目前已在中航工业成飞等多家飞机制造企业应用。

五坐标立式加工中心方面,以沈阳中捷的VMC 25100U、中航工业北京航空制造工程研究所的V5 1030 ABJ为代表的国产五坐标立式低速加工中心(A/B摆角)已在中航工业成飞用于飞机钛合金零件加工,除部分指标及整机可靠性略低外,这两款机床的零件加工能力与Rambaudi公司的1201机床接近,基本满足钛合金航空结构件的五轴加工需求。

五坐标桥式机床方面,中航工业北京航空制造工程研究所的B5 2580 E桥式五坐标高速数控龙门铣床工作台尺寸为2.5m×8m,主轴转速达到24000r/min,已有多台在我国航空制造企业应用。济南二机床集团有限公司的XHSV25系列机床配备大功率、高转速双摆角数控万能铣头,工作台面最大宽度可达5m,长度最大可达30m,已在航天二院二八三厂应用。车铣复合机床方面,北一机床的XKA 28105X300超重型数控龙门车铣复合机床已在哈尔滨汽轮机有限公司投入使用。

数控系统方面,中高档数控系统的开发和生产取得明显进展,部分国产数控系统已配套五轴联动数控机床。04专项通过设立国产数控系统成套装置研制课题,已初步解决了高档数控系统的多通道、多轴联动、绕刀具中心旋转、静态误差补偿等技术难题,开发了与数控系统配套的伺服驱动及电机等硬件,形成了系列化产品。典型如华中8型、广数GSK25i、沈阳高精GJ400数控系统等,上述数控系统已配套多台04专项支持的中高档数控机床,部分已投入实际现场应用。

7   2017-06-20 10:05:47.597 “工业4.0”时代到来 中国数控机床如何弯道超车? (点击量:6)

一年一度的德国工业博览会于今年4 月底在德国汉诺威隆重开幕。即将迈入70 周年的汉诺威工业博览会,已成为当今规模最大的国际工业盛会。今年德国工业博览会将以工业4.0 为核心,重点展出工业自动化、数字化工厂、工业零部件等工业领域的领先产品成果。数控机床作为工业自动化和数字工厂的重要组成部分,被广泛应用于汽车制造、金属加工、航天航空等多个领域,是工业现代化的基石。数控机床的技术能力体现了一个国家制造业的核心竞争力。

  中国作为全球最大的制造业大国,近年来数控机床产业得到快速发展,2014 年产量达到39.1 万台,比2010 年增长65%。但与德、日等领先国家相比,仍存在较大差距,功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑。例如,2014 年国内高档数控系统仍有90% 需要依赖进口。数控机床领域的技术研发与突破成为了“中国制造2025”战略重要工作。本文通过枯燥的专利申请数据,透视全球数控机床技术竞争格局,尝试探讨我国数控机床产业发展之路。

  工业4.0 时代到来,数控机床技术进入新一轮更新周期,产业格局面临洗牌

  截止2016 年12 月,数控机床领域全球申请量达到10708 件。从申请趋势来看,自2006 年后呈现爆发式的增长,并在2012 年前后达到高峰。目前数控机床专利申请量进入了阶段性的回落,2016年更是出现了大幅度下滑。随着工业4.0 的深入推进,数控机床技术进入新一轮的更新周期,技术的更新换代必将导致产业格局的重新洗牌。

  中国成为最大专利产出国,但技术的国际竞争力不足

  在新一轮的技术更新中,世界主要工业国家都积极开展技术和专利布局。目前,中国、日本、美国、德国是数控机床专利的主要产出地,四国的专利产出量超过专利总量的85%。而其中,中国成为了最大专利产出国,专利产出量为6586 件,约占总申请量的60%。从专利受理情况来看,中国、日本和美国是当前数控机床技术竞争最为激烈的地区。

  虽然中国专利产出量巨大,但对外输出量少,只有26 件,技术的国际竞争力弱。相比之下,日本专利对外输出高达1121 件,其中向中国输出82 件( 占输出总量4.06%),向美国输出247 件( 占输出总量12.24%),向德国输出224 件( 先输出总量11.10%),其技术能力展现出很强的国际竞争力。此外,美国和德国数控机床专利输出量也比较大,分别是506 件和220 件,也展示了较强的国际竞争力。

  日本、德国技术沉淀凸显工匠精神,中国技术积累根基尚浅

  从各国的专利申请趋势来看,日本、德国数控机床专利从上世纪70 年代后一直维持较为稳定的输出,一方面反映出这两个国家的数控机床技术具有较长时间积累,另一方面说明了日本、德国对技术的持续研发和完善,凸显出日本和德国企业对技术精益求精的工匠精神。中国数控机床专利申请主要集中在2005 年以后,得益于“十一五”后,国家推动了制造业产业升级和发展,数控机床技术因此得到长足发展。但是与日本、德国超过40 年的技术沉淀相比,中国技术积累有所欠缺,根基尚浅。

  关键技术关联度高,技术研发需要全面突破

  数控机床专利分主要有控制技术、加工技术、机床零件、相关附件等。从专利申请量来看,数控机床技术集中在控制技术(2827 件)、加工技术

  (3505 件) 和机床部件(3286 件) 三大方面。从控制技术、加工技术和机床部件技术的专利申请态势来看,这三种关键技术具有明显的相关性,相关系数约为0.95。由于各类型技术关联度高,关键技术的发展需要全面突破,才能实现协同发展。

  中国企业技术研发能力有待加强,技术产业转化能力有待提升

  全球专利申请人前20 名中,日本企业占11 个,中国企业( 大学) 共4 个,与日本企业相比,中国企业的技术实力存在明显劣势,企业技术研发能力有待加强。此外,从中国专利申请人前20 看,中国的高校和科研院所具有较强的知识和技术产出能力,但是并未能真正转化为产业成果,需要加强产学合作,提升技术产业转化能力。

  结语

  数控机床作为工业4.0 重要发展领域,已经成为主要工业国家重点竞争领域。中国数控机床产业在国家战略的支持下,近年来呈现出快速发展态势,技术追赶势头不可阻挡。在新一轮产业发展周期中,中国有望通过加大技术研发实现产业的弯道超车。然而德国、日本企业的技术优势是几十年精益求精、不断沉淀的成果,中国企业的劣势并非朝夕可改,中国企业只有以同样的工匠精神,几十年如一日地保持对高端工艺的追求和技术的渴望,才能打造出过硬的企业竞争力,不断迈向产业高端领域,在新一轮的产业竞争中占据有利位置。

8   2017-06-20 10:19:49.827 五轴联动数控机床的进口替代,为什么又是济二? (点击量:7)

如果说作为“工作母机”的机床是一个国家制造业水平的象征,那么五轴联动数控机床则代表着机床制造业的最高水平,它对一个国家航空航天等关键领域的发展至关重要。目前济南二机床集团有限公司(以下简称济二)不仅能够提供五轴联动数控机床,而且能够制造其关键零部件-双摆角数控万能铣头(俗称“五轴头”),实现了真正意义上的五轴联动数控机床的国产化和进口替代。济二已经实现了汽车冲压生产线的进口替代,并走向世界。这次为什么又是济二?

  科研先行

  像所有机床行业企业一样,济二在20世纪80年代末迎来了市场需求的第一次饱和期,国内生产通用机床的一批企业陷入了市场低迷。

  当时济二提出了“锻压设备自动化,金切机床数控化”的战略方针,开始对数控金切机床进行研发。其后的十多年,济二的数控机床逐渐得到市场认可。然而,没曾想到2010年前后,普通数控机床也表现出饱和的端倪。济二审时度势,瞄准市场发展需求,进军高档数控机床领域,加快研发五轴联动数控机床。

  一方面是消化吸收合作伙伴欧洲机床制造商的关键技术,另一方面是不断结合科研项目和市场需求,济二形成了自己在五轴联动数控机床方面的研发能力。

  早在2002年,济二就自主研发出国内第一台五轴联动定梁龙门镗铣床,用户是无锡水泵厂,用于南水北调工程的水泵叶片加工;2003年,又为长春客车提供了龙门移动式五轴联动镗铣床,用于高铁铝合金零件加工;2006年,受国务院三峡工程建设委员会委托,研制出机械主轴式五轴联动数控双龙门镗铣床,用于水轮发电机大型叶片的加工;2007年,赢得北京航天大型五轴联动龙门铣床,使国产大型五轴联动数控机床首次进入航天领域。

  在2009年启动的“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(04专项)中,济南二机床共承担11个课题,包括金属成形机床课题6项、金属切削机床课题5项。其中,作为数控机床核心功能部件研发的“双摆角数控万能铣头”项目包含了三个子课题,涵盖了电主轴式、机械主轴式和力矩电机直驱式三种结构形式,分别用以实现高速高精切削或高效重型切削,可以满足不同行业的各种工艺需求。

  济二多年来贯彻执行“科研先行”的战略,记者在这家国家高新技术企业深切地感受到一种“工程师文化”。这家拥有80年历史的老国企,建国以来一直以锻压设备和金切机床为两大主导产品,都属于大重型关键装备,技术含量高、质量标准严,对技术、生产、管理人员的要求极高。就拿济二的高层领导团队来说,除了财务总监之外,其余清一色是研究员级高工。“领导懂技术,对新产品、新技术的研发会把握得更准、推进得更快。我们承担的国家重大专项,全部是领导亲自挂帅”,济二董事长张志刚如是说。张志刚董事长就是一位设计出身兼具销售、生产、管理才能的复合型专家。

  核心部件先行

  21世纪初,国内能够提供五轴联动数控机床的并不止济二一家。然而除了济二,国内机床厂能够提供的五轴联动数控机床实际是这样一个概念,即做一个框架,核心部件双摆角数控万能铣头配置进口产品。

  2011年,济二承担的“双摆角数控万能铣头”重大专项顺利通过了国家验收。由此,济二成为国内首家具备配置自主双摆角数控万能铣头能力的企业。这一局面的形成,得益于济二“核心部件先行”的研发理念。核心部件先行,就是核心部件的研发先于主机的研发。核心功能部件技术复杂,研发周期长,难度大,风险高。核心部件先行,并开展好试验研究工作,可以降低市场订单制约下的新产品研发周期和技术难度的双重风险。

  “核心部件先行”这种说法现在接受起来比较容易,是因为目前业界已经基本对零部件的重要性达成共识,特别是2015年国务院印发《中国制造2025》规划,提出要实施“工业强基工程”等五大工程,零部件开始纳入国家战略,其重要性更加凸显。

  实际上十年前的中国制造业,整体上比较注重总量和规模,以扩大企业产值和规模为主要目标。甚至有些规模已经做的很大的企业,机床主铣头、附件铣头等主要功能部件仍然依赖进口,没有自己的核心竞争力。此时的济二并没有跟风,而是坚持自己的观点,就如张志刚所说,“五轴机床没有自己的核心部件,就不能算是国产化的五轴数控机床”。济二主管数控机床的副总经理任立伟也认为,“不同行业工艺特点差异很大,只有自主研发五轴头,才能更好的适应用户需求。”

  如果要探究济二为什么能够有自己的独到观点,还要从他们的企业文化中去解读,“我们的高管本身都是搞技术、搞设计的,对技术的发展是融入到血液里的,买国外铣头去组装,我们不服气”,在张志刚看来,做机床就必然要做零部件,特别是关键零部件不能依赖别人,这是技术进步的基本要求。“买铣头,买不出来差异性,买不出来竞争力,不是长久之计。”

  与用户结合

  从2002年到2011年,十年间,济二一直潜心五轴头的研发。但产品研发出来,谁会相信,使用济二的产品呢,特别是在五轴头一直被国外产品垄断的现实情况下,岂非舍易求难?

  “用户不用你的产品,你就永无出头之日。”济二是有准备的人,他需要的只是一个机会。

  上海航天设备制造总厂先后与济二签订了多台不同类型的龙门加工中心。其中2011年订购的一台大型五轴联动数控机床,配置的德国CYTEC公司K50型五轴头,调试中出现严重故障,两年内三次送回德国返修,用户不得不退货。在此情况下,济二向上海航天推荐自制的五轴头并免费供他们使用。上海航天起初也有顾虑,没想到,在后来一年半的生产应用中,配置济二自制五轴头的镗铣床在实行三班工作制、每天加工时间18个小时的情况下,质量稳定可靠,完全能够满足航天工业大型复杂结构件的加工需要。用户领导说,“济二的五轴头是一个意外的惊喜”。

  就是在上海航天设备制造总厂的使用过程中,济二和用户成立联合课题组,开展加工工艺的研究,使国产五轴头的切削效率达到了进口产品的水平。

  济南637所采购的是一台机械主轴式五轴联动龙门铣床,用于某型号零件的精密加工。在机床的使用过程中,济二和用户联合开展机床性能和工艺优化研究,解决了五轴头复杂的热变形问题,加工出了合格零件。

  昌河飞机采购的是一台用于钛合金零件加工的五轴联动龙门铣床,机床处于生产线的线首,重要性不言而喻。项目中与济二竞争的国内厂家都推荐进口五轴头,最终昌河飞机还是把订单给了配置自制五轴头的济二,现在机床运行良好。

  西安飞机在采购济二一台电主轴式高速五轴联动龙门铣床,用于铝合金零件加工之后,又继续选择济二的机械主轴式重型五轴联动龙门铣床,用于钛合金零件的加工。

  面对用户的理解、包容、支持和信任,张志刚深有感触,“没有用户,就没有国产高档数控机床发展。国产高档数控机床的发展离不开用户的支持和贡献”。

  市场之道

  在高档数控机床的国产化问题上,首台套是第一个困局。尽管机床企业费尽千辛万苦研制了一台样机,然而那些国防军工领域的用户并不敢用。对于他们来说,保证军工产品的精度和安全,才是他们的首要任务,至于是否国产化倒是一个其次的问题。但对于机床企业来说,没有用户就没有产品的进步。在多方努力下,国家在2014年出台了鼓励使用国产设备的“首台套”政策,帮助机床企业的高端产品找到第一个用户。然而不久,批量化的问题又开始凸显,成为第二个困局。国家重大专项支持的产品如果只有个别用户,将难以达到实现国产化的最终目的。

  依托技术创新,借力重大专项,济二的视野始终以市场为导向,根据用户的各种定制化要求,在与国外企业的竞争中,不断实现进口替代,扩大自己的市场。2016年,济二赢得了中航汉中零组件公司六台大型五轴联动龙门铣床的订单。2017年,济二的市场拓展到轻轨领域,赢得比亚迪云轨35米大型五轴联动龙门铣床的订单。这些机床全部配置了自主知识产权的五轴头。

  从航天、航空,再到高铁、轻轨,迄今为止,济二配置自主知识产权五轴头的五轴联动数控机床已经实现五十余台的批量应用。

  在行业里敢为人先,敢于进取,人无我有。在研发中耐得住寂寞,厚积薄发,十年一剑。又是济南二机床,这次他们是五轴联动数控机床的进口替代者。济二这个来自济南的“国家队”,对标的是国际一流的企业,他们的目标是在世界舞台上树立一个令国人骄傲的“中国JIER造”。

  从济二的发展经验看,国产装备水平的提升,需要国内用户敢于给这些机床企业机会,在改进提升的过程中给予应有的支持和理解。当前国内仍有大量企业用着国家的政策和资金,长期进口、批量进口国外机床。而业界和社会更希望看到的是国内用户与装备制造企业真正联合起来,不断改进提升自身的技术质量水平,让进口不再成为常态。

9   2017-06-20 10:21:19.51 数控机床如何实现智能化? (点击量:7)

 智能机床最早出现在赖特(P·K·Wright)与伯恩(D·A·Bourne)1998年出版的智能制造研究领域的首本专著《智能制造》(Manufacturing Intelligence)中。由于对先进制造业具有重要作用,智能技术引起各个国家的重视。美国推出了智能加工平台计划(SMPI);欧洲实施 “Next Generation Production System”研究;德国推出了“Industry 4.0”计划;中国中长期科技发展对“数字化智能化制造技术”提出了迫切需求,并制定了相应的“十三五”发展规划;在2006年美国芝加哥国际制造技术展览会(IMTS2006)上,日本Mazak公司推出的首次命名为“Intelligent Machine”的智能机床和日本Okuma公司推出的命名为“thinc”的智能数控系统,开启了数控机床智能化时代。 本文从传感器出发,将数控机床的智能技术按层次划分为智能传感器、智能功能、智能部件、智能系统等部分,对智能技术进行了总结,指出不足,揭示了发展方向,并对未来进行了展望。

  智能传感器由机床、刀具、工件组成的数控机床制造系统在加工过程中,随着材料的切除,伴随着多种复杂的物理现象,隐含着丰富的信息。在这种动态、非线性、时变、非确定性环境中,数控机床自身的感知技术是实现智能化的基本条件。 数控机床要实现智能,需要各种传感器收集外部环境和内部状态信息,近似人类五官感知环境变化的功能,如表1所示。对人来讲,眼睛是五官中最重要的感觉器官,能获得90%以上的环境信息,但视觉传感器在数控机床中的应用还比较少。随着自动化和智能化水平的提高,视觉功能在数控机床中将发挥越来越重要的作用。表1数控机床可用传感器

  随着MEMS(微机电系统)技术、嵌入技术、智能材料与结构等技术的发展,传感器趋向小型化。MEMS微传感器、薄膜传感器以及光纤传感器等微型传感器的成熟应用,为传感器嵌入数控机床奠定了基础。 由于制造过程中存在不可预测或不能预料的复杂现象和奇怪问题,以及所监测到的信息存在时效性、精确性、完整性等问题,因此,要求传感器具有分析、推理、学等智能,这要求传感器要有高性能智能处理器来充当“大脑”。美国高通公司正在研制能够模拟人脑工作的人工智能系统微处理器。将来可通过半导体集成技术,将高性能人工智能系统微处理器与传感器、信号处理电路、I/O接口等集成在同一芯片上,形成大规模集成电路式智能传感器,不但具有检测、识别、记忆、分析等功能,而且具有自学甚至思维能力。相信随着计算机技术、信号处理技术、MEMS技术、高新材料技术、无线通信技术等不断进步,智能传感器将会在数控机床智能感知方面带来全新变革。

  智能功能数控机床向高速、高效、高精化发展,要求数控机床具有热补偿、振动监测、磨损监测、状态监测与故障诊断等智能功能。融合几个或几种智能传感器,采用人工智能方法,通过识别、分析、判断及推理,实现数控机床的智能功能,为智能部件的实现打下基础。 数控机床的误差包括几何误差、热(变形)误差、力(变形)误差、装配误差等。研究表明,几何误差、热误差占到机床总误差的50%以上,是影响机床加工精度的关键因素,如图1所示。其中,几何误差是制造、装配过程中造成的与机床结构本身有关的误差,随时间变化不大,属于静态误差,误差预测模型相对简单,可以通过系统的补偿功能得到有效控制,而热误差随时间变化很大,属于动态误差,误差预测模型复杂,是国际研究的难点和热点。

  数控机床在加工过程中的热源包括轴承、滚珠丝杠、电机、齿轮箱、导轨、刀具等。这些部件的升温会引起主轴延伸、坐标变化、刀具伸长等变化,造成机床误差增大。由于温度敏感点多、分布广,温度测试点位置优化设计很重要,主要方法有遗传算法、神经网络、模糊聚类、粗糙集、信息论、灰色系统等[6]。在确定了温度测点的基础上,常用神经网络、遗传算法、模糊逻辑、灰色系统、支持向量机等来进行误差预测与补偿。

  在航空航天领域,随着钛合金、镍合金、高强度钢等难加工材料的广泛应用,以及高速切削条件下,切削量的不断增大,刀具、工件间很容易发生振动,严重影响工件的加工精度和表面质量。由于切削力是切削过程的原始特征信号,最能反映加工过程的动态特性,因此可以借助切削力监测与预报进行振动监测。借助测力仪、力传感器、进给电机的电流等,利用粒子群算法、模糊理论、遗传算法、灰色理论等对切削力进行建模和预测。考虑到引起机床振动的原因主要有主轴、丝杠、轴承等部件,也可以采集这些部件的振动、切削力、声发射等信号,利用神经网络、模糊逻辑、支持向量机等智能方法直接进行振动监测。

  刀具安装在主轴前端,与加工工件接触,直接切削工件表面,对加工质量的影响是最直接和关键的。刀具磨损、破损等异常现象影响加工精度和工作安全。鉴于直接测量法需要离线检测的缺陷,常采集电流、切削力、振动、功率、温度等一种或多种间接信号,采用RBF神经网络、模糊神经网络、小波神经网络、支持向量机等智能算法对刀具磨损状态进行智能监测。 随着自动化程度的提高,数控机床集成越来越多的功能,复杂程度不断提高。为了高效运行,对数控机床的内部状态进行监测与性能评价、对故障进行预警与诊断十分必要。由于故障模式再现性不强,样本采集困难,因此BP神经网络等要求样本多的智能方法不适合这种场合。状态监测与故障诊断常采用SOM神经网络、模糊逻辑、支持向量机、专家系统和多Agent等智能方法。 研究人员不断探索和研究智能功能的新方法或多种方法的混合,但大部分集中在实验室环境下,缺少实时性高、在线功能强的方法,尚需深入发展简洁、快速、适应性强的智能方法。

  智能部件数控机床机械部分主要包括支撑结构件、主传动件、进给传动件、刀具等部分,涉及到床身、立柱、主轴、刀具、丝杠与导轨以及旋转轴等部件。这些部件可以集成智能传感器的一种或几种智能功能构成数控机床智能部件。

  主轴是主传动部件,作为核心部件,直接关系到工件加工精度。由于主轴转速较高,特别是电主轴,发热、磨损、振动对加工质量影响很大,因此,越来越多的智能传感器被集成到主轴中,实现对工作状态的监控、预警以及补偿等功能。日本山崎马扎克研制的“智能主轴”,装有温度、振动、位移及距离等多种传感器,不但具有温度、振动、夹具寿命监控和防护功能,而且能够根据温度、振动状态,智能协调加工参数。瑞士Step-Tec、IBAG等制造的电主轴,装有温度、加速度、轴向位移等多种传感器,如图3所示,能够进行热补偿、振动监测等。

10   2017-06-20 10:22:02.177 张曙教授浅析智能机床发展现状及展望 (点击量:6)

智能机床是智能制造的基础。如今,机床智能化发展极大地推进了我国机床行业的发展,助推国产机床走向世界,创造了更多的价值。本文,同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授对智能机床的现状进行分析以及对未来的展望。以下为主要内容。

  智能机床是智能制造的基础。机床智能化可分为3个方面:①机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等;②数控系统智能化,从加工设备控制器进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂;③机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。

  沈阳i5智能机床

  传统的数控机床是按照G指令和M指令驱动机床部件,实现刀具与工件的相对运动,对机床的实际工作状态并无感知和反馈。机床在工作过程中,在切削力、惯性力、摩擦力以及内部和环境热载荷的作用下,产生变形和振动,导致刀具的实际路径偏离理论路径,降低加工精度、表面质量和生产效率。

  智能机床的核心在于构建一个基于模型的闭环加工系统。借助温度、加速度和位移等传感器监测机床工作状态和环境的变化,实时进行调节和控制,优化切削参数,抑制或消除振动,补偿热变形,充分发挥机床的潜力。智能机床的另一功能是网络通信,它是工厂网络的一个节点,可实现机床之间和车间管理系统的相互通信,提高生产系统效率和效益。

  智能主轴

  智能主轴的特征是自主性、自学习、兼容性和开放性。从感知到决策到控制,再到执行是实现智能的四部曲。主轴的智能化分为两类:①与主轴结构相关,即对温度或热误差、主轴平衡、主轴健康的监控和控制,进而实现温度控制和热误差补偿、不平衡度监控和主动平衡、主轴元器件损坏和失效监控与基于主轴实际状态的预测维护。②与加工过程有关,对颤振、刀具状态、主轴干涉的监控和控制,从而实现颤振的辨识及抑制和控制、刀具磨损和破损监测、刀具变形补偿、有效预防干涉与碰撞。

  瑞士StepTec智能主轴是智能主轴的范例,它的智能化系统由电感轴向位移传感器、热电偶温度监控、主轴诊断模块、拉杆位置传感系统、加速度计振动测量、前轴承液压预紧载荷系统组成。可通过V3D三维振动测量和SDS主轴诊断软件优化主轴性能;通过AMS轴向位移传感器、TMS温度控制系统、SDM主轴诊断模块进行误差控制。

  图1 基于模型的闭环加工系统

  德国Prometec公司的主轴传感系统和分析(Spindle Sensor System and Analysis,3SA)环由固定的外环和旋转的内环组成,可安装在任何电主轴的前端,实现主轴智能化。安装在主轴壳体上的固定外环上分布有传感器,与安装在主轴上的旋转内环相互作用,进行主轴工作状态监控。3SA环可记录主轴的载荷状态、监控轴承或主轴的损伤和不平衡度,将信号发送给机床数控系统,补偿主轴的位置误差。3SA环提高了主轴的可用性和性能、以及知识的积累,实现基于主轴工作状态的维护,同时进行刀具和加工过程的监控。3SA环记录主轴工况变化的所有数据,如连接计算机或数控系统人机界面可随时显示,并对最近90次变化进行趋势分析。

  智能机床结构

  日本Makino T4钛合金加工机床的力控制智能导轨是一种控制导轨表面摩擦力与切削力保持平衡而消除振动的方法,其原理是借助测微计测量移动部件与导轨之间的间隙,控制伺服阀,调整气垫腔的上浮力,从而改变摩擦力,抵消切削力的变化。

  增加机床结构的阻尼可减小受激振动的振幅,并使其很快衰减。机床结构阻尼器有两种:调谐阻尼器与主动阻尼器。调谐阻尼器(Turned Damping Device)是在主体结构上附加一定质量比的振动系统,用相位差来抵消振动,同时吸收能量并转化成热能耗散,兼具动力吸振和阻尼性能改善。主动阻尼器(Active Damping Device,ADD)是借助传感器感知机床结构的振动,经放大后转换成电信号,通过动圈式作动器改变机床主体结构的阻尼性能,抑制其振动。主动阻尼器具有频率响应范围宽、惯性质量小、安装方便等优点。

  智能数控系统

  智能数控系统是新一代的机床“大脑”,具有以下4方面功能:①自主选择加工参数+优化刀具路径=智能编程,进一步从三维CAD模型提取特征语义,直接生成无G指令的数控程序;②数控系统从运动控制器进化为车间管理系统的终端,成为工厂网络的基层节点,并可接入云平台;③数控系统嵌入MTConnect适配器和代理应用程序,能够实现机床之间的通信,进行信息交互;④数控系统连接到数字镜像服务器,与虚拟机床构成数字双胞胎,使产品设计、加工制造和测量检验连接成数字主线,实时看到如何相互影响,以便做出更好的决策,更高效、高质量地运行。

  德国SolidCam公司的iMachining是智能编程的例子,它的“工艺向导”汇集了数百位经验丰富的CAM和CNC工程师所掌握的知识和经验,根据机床、材料和刀具优化进给、主轴转速、切削深度和宽度。从第一刀切削开始到加工完毕,iMachining都对毛坯、刀具材料和机床规格进行计算自动生成最佳的切削条件,借助“控制步距”技术,iMachining刀具路径保证切削条件严格遵循工艺向导,而且iMachining可根据主轴的刚性、夹具的刚性和刀具的伸出长度来设置相关的参数。

  iMachining能够进行刀具路径优化,采用变体螺旋(Morphing)刀路而不是传统的次摆线(Trochoidal)刀路,减少退刀次数,尽量保证“刀具在切削中”;为了保证材料的最大去除率,iMachining会把刀路自动分成几个小的部分,以保证变体螺旋切削的最大效能;iMachining从最初进刀和最后退刀,动态的毛坯更新及追踪,确保刀路始终在切削材料,消除无用时间和运动;iMachining移动刀具从一个位置运动到下一个切深,仅在绝对需要抬刀的时候才退刀。

  日本OKUMA的OSP Suite是智能数控系统的范例,该系统不仅能够实现热亲和、防碰撞、加工导航、伺服导航、5轴机床误差校正这5项智能化技术,同时让生产指示、作业指示,以及机床状态数据的管理可视化,从而缩短加工时间、提高运转率、缩短准备时间。

  此外,无G指令的STEP-NC编程能够根据髙层产品数据对加工过程进行优化,提高生产效率与产品质量;可明确地描述需要加工的特征、工艺和允差;面向对象结构化的产品几何与制造信息模型,避免各环节间的数据格式转换;具有通用性和可重用性,STEP-NC文件能不经修改地用于不同的数控机床;实现信息双向传输,下游环节对产品数据的修改可直接保存,并反馈给上游环节。

  终端-网络-云平台

  在互联网条件下,数控系统不仅能够实现机床与机床的互联,还是一个能够生成车间管理数据、并与有关部门进行数据交换的网络终端。通过制造过程的“数据透明”,实现制造过程和生产管理的无缝连接。这不仅为了方便加工零件,同时产生服务于管理、财务、生产、销售的实时数据。实现了设备、生产计划、设计、制造、供应链、人力、财务、销售、库存等一系列生产和管理环节的资源整合与信息互联,减少浪费,提高效率。

  图2 沈阳机床i5智能机床和云协同制造平台

  在数控系统提供“透明”数据的前提下,需要与商业模式相配合的云端平台和云端应用。沈阳机床集团旗下智能云科公司研发的云协同制造平台(i-Smart Engineering&Services Online,iSESOL)平台,通过i5智能机床的在线信息,打造了一套云端产能分享平台,用户可以将闲置产能公示于iSESOL产能平台,有产能需求的用户无需购买设备即可快速获得制造能力,通过这种方式产能提供方可以利用闲置产能获得收益,产能需求方可以以较低的成本获得制造能力,双方通过分享获得利益最大化。这种制造能力的分享模式将会改变制造业的组织形式,并且充分挖掘社会闲置制造资源,进行产能切换,从闲置资源中获得利益最大化。基于iSESOL平台的智能机床互联网应用框架如图2所示。

  结束语

  机床智能化的第一个方面聚焦于机床部件本身,包括主轴单元、进给驱动、结构件的智能化,用以抑制振动和热变形补偿等。第二个方面是从加工设备进化到工厂网络的终端,生产数据能够自动采集,实现机床与机床、机床与各级管理系统的实时通信,使生产透明化,机床融入企业的组织和管理,缔造智能化工厂。机床智能化和网络化为制造资源社会共享、构建异地的、虚拟的云工厂创造了条件,从而迈向共享经济新时代,创造更多的价值。