數控工藝發展趨勢及產業化思考

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數控工藝發展趨勢及產業化思考簡介
    裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度,數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業(如信息技術及其產業、生物技術及其產業……
數控工藝發展趨勢及產業化思考正文
    裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度,數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業(如信息技術及其產業、生物技術及其產業、航空、航天等國防工業產業)的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經說過「各種經濟時代的區別,不在於生產什麼,而在於怎樣生產,用什麼勞動資料生產」。製造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料,而數控技術又是當今先進位造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國製造業廣泛採用數控技術,以提高製造能力和水平,提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資,不僅採取重大措施來發展自己的數控技術及其產業,而且在「高精尖」數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之,大力發展以數控技術為核心的先進位造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

    數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術,數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統製造產業和新興製造業的滲透形成的機電一體化產品,即所謂的數字化裝備,其技術範圍覆蓋很多領域:

    (1)機械製造技術;

    (2)信息處理、加工、傳輸技術;

    (3)自動控制技術;

    (4)伺服驅動技術;

    (5)感測器技術;

    (6)軟體技術等。

1 數控技術的發展趨勢

    數控技術的應用不但給傳統製造業帶來了革命性的變化,使製造業成為工業化的象徵,而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大,他對國計民生的一些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展起著越來越重要的作用,因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看,其主要研究熱點有以下幾個方面[1~4]。

    1.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢

    效率、質量是先進位造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率,提高產品的質量和檔次,縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代製造技術之一,國際生產工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。

    在轎車工業領域,年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一;在航空和宇航工業領域,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,才能對這些筋、壁進行加工。近來採用大型整體鋁合金坯料「掏空」的方法來製造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼裝,使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。

    從EMO2001展會情況來看,高速加工中心進給速度可達80m/min,甚至更高,空運行速度可達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,已經採用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min,快速為100m/min,加速度達2g,主軸轉速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件,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;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。

    在加工精度方面,近10年來,普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3~5μm,提高到1~1.5μm,並且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。

    在可靠性方面,國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上,伺服系統的MTBF值達到30000h以上,表現出非常高的可靠性。

    為了實現高速、高精加工,與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發展,應用領域進一步擴大。

    1.2 5軸聯動加工和複合加工機床快速發展

    採用5軸聯動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認為,1台5軸聯動機床的效率可以等於2台3軸聯動機床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時,5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、主機結構複雜等原因,其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍,加之編程技術難度較大,制約了5軸聯動機床的發展。

    當前由於電主軸的出現,使得實現5軸聯動加工的複合主軸頭結構大為簡化,其製造難度和成本大幅度降低,數控系統的價格差距縮小。因此促進了複合主軸頭類型5軸聯動機床和複合加工機床(含5面加工機床)的發展。

    在EMO2001展會上,新日本工機的5面加工機床採用複合主軸頭,可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一台機床上實現,還可實現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軸聯動加工,可由CNC系統控制或CAD/CAM直接或間接控制。

    1.3 智能化、開放式、網路化成為當代數控系統發展的主要趨勢

    21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統,智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化,如加工過程的自適應控制,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化,如智能化的自動編程、智能化的人機界面等;還有智能診斷、智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。

    為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟體的產業化生產存在的問題。目前許多國家對開放式數控系統進行研究,如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller),中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數控系統開放化已經成為數控系統的未來之路。所謂開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統一的運行平台上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結構對象(數控功能),形成系列化,並可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中,快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統,形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數控系統的體系結構規範、通信規範、配置規範、運行平台、數控系統功能庫以及數控系統功能軟體開發工具等是當前研究的核心。

    網路化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網路化將極大地滿足生產線、製造系統、製造企業對信息集成的需求,也是實現新的製造模式如敏捷製造、虛擬企業、全球製造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統製造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機,如在EMO2001展中,日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的「CyberProduction Center」(智能生產控制中心,簡稱CPC);日本大隈(Okuma)機床公司展出「IT plaza」(信息技術廣場,簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放製造環境,簡稱OME)等,反映了數控機床加工向網路化方向發展的趨勢。

    1.4 重視新技術標準、規範的建立

    1.4.1 關於數控系統設計開發規範

    如前所述,開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性,美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃,並進行開放式體系結構數控系統規範(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規範的制定,預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數控系統的規範框架的研究和制定。

    1.4.2 關於數控標準

    數控標準是製造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息交換都是基於ISO6983標準,即採用G,M代碼描述如何(how)加工,其本質特徵是面向加工過程,顯然,他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴於具體系統的中性機制,能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型,從而實現整個製造過程,乃至各個工業領域產品信息的標準化。

    STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命,對於數控技術的發展乃至整個製造業,將產生深遠的影響。首先,STEP-NC提出一種嶄新的製造理念,傳統的製造理念中,NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下,NC程序可以分散在互聯網上,這正是數控技術開放式、網路化發展的方向。其次,STEP-NC數控系統還可大大減少加工圖紙(約75%)、加工程序編製時間(約35%)和加工時間(約50%)。

    目前,歐美國家非常重視STEP-NC的研究,歐洲發起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1~2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球範圍內製造業數據交換軟體的開發者,他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級模型(Super Model),其目標是用統一的規範描述所有加工過程。目前這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數控系統的原型樣機上進行了驗證。

2 對我國數控技術及其產業發展的基本估計

    我國數控技術起步於1958年,近50年的發展歷程大致可分為3個階段:第一階段從1958年到1979年,即封閉式發展階段。在此階段,由於國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制,數控技術的發展較為緩慢。第二階段是在國家的「六五」、「七五」期間以及「八五」的前期,即引進技術,消化吸收,初步建立起國產化體系階段。在此階段,由於改革開放和國家的重視,以及研究開發環境和國際環境的改善,我國數控技術的研究、開發以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的「八五」的後期和「九五」期間,即實施產業化的研究,進入市場競爭階段。在此階段,我國國產數控裝備的產業化取得了實質性進步。在「九五」末期,國產數控機床的國內市場佔有率達50%,配國產數控系統(普及型)也達到了10%。

    縱觀我國數控技術近50年的發展歷程,特別是經過4個5年計劃的攻關,總體來看取得了以下成績。

    a.奠定了數控技術發展的基礎,基本掌握了現代數控技術。我國現在已基本掌握了從數控系統、伺服驅動、數控主機、專機及其配套件的基礎技術,其中大部分技術已具備進行商品化開發的基礎,部分技術已商品化、產業化。

    b.初步形成了數控產業基地。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上,建立了諸如華中數控、航天數控等具有批量生產能力的數控系統生產廠。蘭州電機廠、華中數控等一批伺服系統和伺服電機生產廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數控主機生產廠。這些生產廠基本形成了我國的數控產業基地。

    c.建立了一支數控研究、開發、管理人才的基本隊伍。
   
    雖然在數控技術的研究開發以及產業化方面取得了長足的進步,但我們也要清醒地認識到,我國高端數控技術的研究開發,尤其是在產業化方面的技術水平現狀與我國的現實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發展速度很快,但橫向比(與國外對比)不僅技術水平有差距,在某些方面發展速度也有差距,即一些高精尖的數控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。從國際上來看,對我國數控技術水平和產業化水平估計大致如下。

    a.技術水平上,與國外先進水平大約落後10~15年,在高精尖技術方面則更大。

    b.產業化水平上,市場佔有率低,品種覆蓋率小,還沒有形成規模生產;功能部件專業化生產水平及成套能力較低;外觀質量相對差;可靠性不高,商品化程度不足;國產數控系統尚未建立自己的品牌效應,用戶信心不足。

    c.可持續發展的能力上,對競爭前數控技術的研究開發、工程化能力較弱;數控技術應用領域拓展力度不強;相關標準規範的研究、制定滯后。

    分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。

    a.認識方面。對國產數控產業進程艱巨性、複雜性和長期性的特點認識不足;對市場的不規範、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足;對我國數控技術應用水平及能力分析不夠。

    b.體系方面。從技術的角度關注數控產業化問題的時候多,從系統的、產業鏈的角度綜合考慮數控產業化問題的時候少;沒有建立完整的高質量的配套體系、完善的培訓、服務網路等支撐體系。

    c.機制方面。不良機製造成人才流失,又制約了技術及技術路線創新、產品創新,且制約了規劃的有效實施,往往規劃理想,實施困難。

    d.技術方面。企業在技術方面自主創新能力不強,核心技術的工程化能力不強。機床標準落後,水平較低,數控系統新標準研究不夠。

3 對我國數控技術和產業化發展的戰略思考

    3.1 戰略考慮

    我國是製造大國,在世界產業轉移中要盡量接受前端而不是後端的轉移,即要掌握先進位造核心技術,否則在新一輪國際產業結構調整中,我國製造業將進一步「空芯」。我們以資源、環境、市場為代價,交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的國際「加工中心」和「組裝中心」,而非掌握核心技術的製造中心的地位,這樣將會嚴重影響我國現代製造業的發展進程。

    我們應站在國家安全戰略的高度來重視數控技術和產業問題,首先從社會安全看,因為製造業是我國就業人口最多的行業,製造業發展不僅可提高人民的生活水平,而且還可緩解我國就業的壓力,保障社會的穩定;其次從國防安全看,西方發達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰略物質,對我國實現禁運和限制,「東芝事件」和「考克斯報告」就是最好的例證。

    3.2 發展策略

    從我國基本國情的角度出發,以國家的戰略需求和國民經濟的市場需求為導向,以提高我國製造裝備業綜合競爭能力和產業化水平為目標,用系統的方法,選擇能夠主導21世紀初期我國製造裝備業發展升級的關鍵技術以及支持產業化發展的支撐技術、配套技術作為研究開發的內容,實現製造裝備業的跨躍式發展。

    強調市場需求為導向,即以數控終端產品為主,以整機(如量大面廣的數控車床、銑床、高速高精高性能數控機床、典型數字化機械、重點行業關鍵設備等)帶動數控產業的發展。重點解決數控系統和相關功能部件(數字化伺服系統與電機、高速電主軸系統和新型裝備的附件等)的可靠性和生產規模問題。沒有規模就不會有高可靠性的產品;沒有規模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品;當然,沒有規模中國的數控裝備最終難以有出頭之日。

    在高精尖裝備研發方面,要強調產、學、研以及最終用戶的緊密結合,以「做得出、用得上、賣得掉」為目標,按國家意志實施攻關,以解決國家之急需。

    在競爭前數控技術方面,強調創新,強調研究開發具有自主知識產權的技術和產品,為我國數控產業、裝備製造業乃至整個製造業的可持續發展奠定基礎。

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