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浅谈机床的数控改造

2012-6-4 21:00| 发布者: 数控技术| 查看: 2128| 评论: 0

摘要: 一、数控系统发展简史及趋势  1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进 ...

一、数控系统发展简史及趋势
  1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础。
  6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床。从此,传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来,数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
1.1、数控(NC)阶段(1952~1970年)
  早期计算机的运算速度低,对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC),简称为数控(NC)。随着元器件的发展,这个阶段历经了三代,即1952年的第一代--电子管;1959年的第二代--晶体管;1965年的第三代--小规模集成电路。
1.2、计算机数控(CNC)阶段(1970年~现在)
  到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件,从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。到1971年,美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上,称之为微处理器(MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元(简称CPU)。
  到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强,控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床,称之为群控),不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高,但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为计算机数控。
  到了1990年,PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。
  总之,计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机;1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC(国外称为PC-BASED)。
  还要指出的是,虽然国外早已改称为计算机数控(即CNC)了,而我国仍习惯称数控(NC)。所以我们日常讲的"数控",实质上已是指"计算机数控"了。
1.3、数控未来发展的趋势
1.3.1 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展
  基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
1.3.2 向高速化和高精度化发展
  这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
1.3.3 向智能化方向发展
  随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。
  (1)应用自适应控制技术
  数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。
  (2)引入专家系统指导加工
  将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。
    (3)引入故障诊断专家系统
  (4)智能化数字伺服驱动装置
  可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。
二、机床数控化改造的必要性
2.1、微观看改造的必要性
  从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
2.1.1 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
  由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
2.1.2 可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高3~7倍。
  由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了"柔性自动化"。
2.1.3 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要"修配"。
2.1.4 可实现多工序的集中,减少零件 在机床间的频繁搬运。
2.1.5 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工。
2.1.6 由以上五条派生的好处。
  如:降低了工人的劳动强度,节省了劳动力(一个人可以看管多台机床),减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应等等。
  以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
2.2、宏观看改造的必要性
  从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外,还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
三、机床与生产线数控化改造的市场
3.1、机床数控化改造的市场
  我国目前机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。近10年来,我国数控机床年产量约为0.6~0.8万台,年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20%,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。
3.2、进口设备和生产线的数控化改造市场
  我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计,从1979~1988年10年间,全国引进技术改造项目就有18446项,大约165.8亿美元。
  这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间,需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。
  这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。只要找出主要的技术难点,解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。
四、数控化改造的内容及优缺
4.1、国外改造业的兴起
  在美国、日本和德国等发达国家,它们的机床改造作为新的经济增长行业,生意盎然,正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步,机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有:烘干机大隈工程集团、免烧砖机岗三机械公司、振动筛千代田工机公司、粉碎机野崎工程公司、球磨机滨田工程公司、山本工程公司等。
4.2、数控化改造的内容
  机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点:
  其一是恢复原功能,对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;
其二是NC化,在普通机床上加数显装置,或加数控系统,改造成NC机床、cnc机床
其三是翻新,为提高精度、效率和自动化程度,对机械、电气部分进行翻新,对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新;
其四是技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新,较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
4.3、数控化改造的优缺
4.3.1 减少投资额、交货期短
  同购置新机床相比,一般可以节省60%~80%的费用,改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造,只花新机床购置费用的1/3,交货期短。但有些特殊情况,如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱,往往改造成本提高2~3倍,与购置新机床相比,只能节省投资50%左右。
4.3.2 机械性能稳定可靠,结构受限
  所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件,而不是那种焊接构件,改造后的机床性能高、质量好,可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制,不宜做突破性的改造。
4.3.3 熟悉了解设备、便于操作维修
  购买新设备时,不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然,可以精确地计算出机床的加工能力;另外,由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解,在操作使用和维修方面培训时间短,见效快。改造的机床一安装好,就可以实现全负荷运转。
4.3.4 可充分利用现有的条件
  可以充分利用现有地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。
4.3.5 可以采用最新的控制技术
  可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备的自动化水平和效率,提高设备质量和档次,将旧机床改成当今水平的机床。
五、数控系统的选择
    数控系统主要有三种类型,改造时,应根据具体情况进行选择。


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