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国内外高档数控机床技术现状及发展趋势

时间:2017-03-28  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”,一个国家的机床行业技术水平和产品质量,是衡量其装备制造业发展水平的重要标志

  ——《中国制造“2025”》

 

  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。

 

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美国哈斯数控机床

 

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Haas CNC Machine Tools

 

  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。

 

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Waldrich Coburg Taurus 4 Axis CNC Milling Machines

 

  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。

 

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使用MAZATROL Smooth X控制系统的数控机床

 

  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。

 

  2015年FANUC推出的Series oi MODEL F数控系统,推进了与高档机型30i系列的“无缝化”接轨,具备满足自动化需求的工件装卸控制新功能和最新的提高运转率技术,强化了循环时间缩短功能,并支持最新的I/O网络—I/OLink。

 

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FANUC全新的Series oi –F系列数控系统

 

  MAZAK提出的全新制造理念—Smooth Technology,以基于Smooth技术的第七代数控系统MAZATROL Smooth X为枢纽,提供高品质、高性能的智能化产品和生产管理服务。Smooth X数控系统搭配先进软硬件,在高进给速度下可进行多面高精度加工;图解界面和触屏操作使用户体验更佳,即使是复杂的五轴加工程序,通过简单的操作即可修改;内置的应用软件可以根据实际加工材料和加工要求快速地为操作者匹配设备参数。

 

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MAZATROL Smooth X

 

  DMG推出的CELOS系统简化和加快了从构思到成品的进程,其应用程序(CELOSAPP)使用户能够对机床数据、工艺流程以及合同订单等进行操作显示、数字化管理和文档化,如同操作智能手机一样简便直观。CELOS系统可以将车间与公司高层组织整合在一起,为持续数字化和无纸化生产奠定基础,实现数控系统的网络化、智能化。

 

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  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。

 

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  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。

 

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  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。具有代表性的新型功能部件包括:

 

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  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。

 

  4、我国高档数控机床发展途径分析

 

  我国机床行业在世界机床工业体系和全球机床市场中占有重要地位,但目前仍然不能算作机床强国。与世界机床强国相比,我国机床行业仍具有一定差距,尤其表现在中高档机床竞争力不强。此外,受到国内外复杂经济形势的影响,我国机床行业发展回归新常态,产业向中高端转型升级的要求迫切。

 

  我国已连续多年成为世界最大的机床装备生产国、消费国和进口国。未来10年,电子与通讯设备、航空航天装备、轨道交通装备、电力装备、汽车、船舶、工程机械与农业机械等

 

  重点产业的快速发展以及新材料、新技术的不断进步将对数控机床与基础装备提出新的战略性需求和转型挑战。对数控机床与基础制造装备的需求将由中低裆向高档转变、由单机向包括机器人上下料和在线检测功能的制造单元和成套系统转变、由数字化向智能化转变、由通用机床向量体裁衣的个性化机床转变,电子与通讯设备制造装备将是新的需求热点。

 

  在重点产品上

 

  将重点针对航空航天装备、汽车、电子信息设备等重点产业发展的需要,幵发高档数控机床、先进成形装备及成组工艺生产线。包括:电子信息设备加工装备、航空航天装备大型结构件制造与装配装备、航空发动机制造关键装备、船舶及海洋工程装备关键制造装备、轨道交通装备关键零部件成套加工装备、汽车关键零部件加工成套装备及生产线、汽车4大工艺总成生产线、大容量电力装备制造装备、工程及农业机械生产线等产品。

 

  高档数控系统方面

 

  重点开发多轴、多通道、高精度插补、动态补偿和智能化编程、具有自监控、维护、优化、重组等功能的智能型数控系统;提供标准化基础平台,允许开发商、不同软硬件模块介入,具有标准接口、模块化、可移植性、可扩展性及可互换性等功能的开放型数控系统。

 

  关键共性技术上

 

  近年来,机床制造基础和共性技术研究不断加强,产品开发与技术研究同步推进。机床产品的可靠性设计与性能试验技术、多轴联动加工技术等多项关键技术的成熟度有了很大提升。数字化设计技术研究成果在高精度数控坐标镗床、立式加工中心等产品设计上进行实际应用;多误差实时动态综合补偿和嵌入式数控系统误差补偿等软硬件系统在多个企业、多个产品上进行了示范应用,使数控机床精度得到了明显提升。

 

  未来将重点攻克数字化协同设计及3D/4D全制造流程仿真技术、精密及超精密机床的可靠性及精度保持技术、复杂型面和难加工材料高效加工及成形技术、100%在线检测技术。

 

  在应用示范工程方面

 

  将开展国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”智能化升级工程、航空航天高端制造装备应用示范工程、汽车轻量化材质关键部件及总成新工艺装备应用示范工程、舰船平面/ 曲面智能化加工流水线应用示范工程。

 

  在战略支撑与保障方面建议:

 

  一是组建国家数控机床共性技术协同创新中心,集中解决数字化设计技术、动静热特性试验技术以及可靠性、精度保持性等制约性关键技术;

 

  二是组建国家先进成形工艺创新中心、推进制造工艺与制造装备的紧密结合。

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