數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展研究

陳元博

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473000)

0 引言

隨著信息化和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)在近幾十年來得到了迅猛進(jìn)步,該技術(shù)融入了計(jì)算機(jī)、機(jī)械電子、自動(dòng)控制系統(tǒng)等,是一種新型的現(xiàn)代化加工制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè),現(xiàn)代化加工制造技術(shù)具有高生產(chǎn)率、高質(zhì)量、高精度等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí),融合了UG、Hypermill、Mastercam等建模及加工軟件,一定程度上提高了生產(chǎn)力,同時(shí)數(shù)控技術(shù)加工出來的產(chǎn)品美觀、精準(zhǔn)且耐用。

1 數(shù)控技術(shù)概述及現(xiàn)狀分析

1.1 概述

數(shù)控技術(shù)是通過數(shù)字信息轉(zhuǎn)換技術(shù)控制機(jī)器工作過程,再通過編程技術(shù)將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,設(shè)計(jì)參數(shù)包含角度、位置、速度等[1]。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng) 機(jī)床數(shù)值控制》(GB/T 8129—1997)中,也明確定義了機(jī)床數(shù)字控制概念,即在數(shù)字控制運(yùn)行中不斷引入數(shù)字代碼,完成自動(dòng)控制,叫數(shù)字控制(numerical control);計(jì)算機(jī)數(shù)控(computerized numerical control,CNC),就是借助電腦系統(tǒng)控制工件的加工[2]。數(shù)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量化、自動(dòng)化生產(chǎn),數(shù)控技術(shù)作為當(dāng)今制造業(yè)高集成應(yīng)用,智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化將成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì),融合了加工制造業(yè)、電子化技術(shù)、新型材料等,未來有更大的應(yīng)用價(jià)值[2]。

1.2 數(shù)控技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 高效性

1)能夠快捷有效地進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)的修改,為生產(chǎn)創(chuàng)新提供可能。2)能夠更好地按照生產(chǎn)要求進(jìn)行產(chǎn)品加工,生產(chǎn)更精確。3)在生產(chǎn)中使用的工具都趨于標(biāo)準(zhǔn)化,加速了機(jī)械生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。4)能快速、高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零部件的加工。數(shù)控技術(shù)的高效性同樣體現(xiàn)在安裝和換刀時(shí)間的長(zhǎng)短上,一體化成型大大提高了加工產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,更能保證工件的精度要求[3]。

1.2.2 經(jīng)濟(jì)性

機(jī)械制造產(chǎn)品采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)加工時(shí),其工件更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,提高單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)率的同時(shí),還能縮短工作時(shí)間,大大降低了操作過程中的故障率[4]。此外,數(shù)控技術(shù)在汽車、電子等自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用,已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了無人化或半無人化加工,降低了生產(chǎn)成本,產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益,使得企業(yè)利潤(rùn)最大化。

1.3 發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控機(jī)床誕生于20世紀(jì)40—50年代,歷經(jīng)70年的發(fā)展變化,數(shù)控技術(shù)已具備高集成化、高智能化、高效率、高精度、高便捷性等方面的特點(diǎn)。此技術(shù)最早應(yīng)用于航空領(lǐng)域,由美國(guó)帕森斯公司提出,為研究飛機(jī)螺旋槳葉片而提出的一種控制機(jī)床的設(shè)想,后來成為現(xiàn)實(shí),直至20世紀(jì)60年代生產(chǎn)出的第四代機(jī)床,就可以基本實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)床的控制,推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)[5]。20世紀(jì)80年代初,研制了自動(dòng)編程數(shù)控系統(tǒng)裝置,使數(shù)控產(chǎn)品有了檢測(cè)的功能。20世紀(jì)末隨著網(wǎng)絡(luò)信息化、智能化的發(fā)展,數(shù)控機(jī)床技術(shù)有了質(zhì)的飛躍,空前解放了生產(chǎn)力。

我國(guó)數(shù)控技術(shù)發(fā)展與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然較為落后,缺乏自主創(chuàng)新能力。自20世紀(jì)80年代初開始,隨著我國(guó)改革開放的推進(jìn),在國(guó)家的大力發(fā)展支持下,數(shù)控機(jī)床技術(shù)有了較快地發(fā)展,如武漢華中數(shù)控、廣州數(shù)控設(shè)備公司、北京機(jī)床研究所等,已經(jīng)有了較大的技術(shù)進(jìn)步,研制的機(jī)床具有質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn),但與國(guó)外相比,技術(shù)精度不高[6]。直到2000年,在我國(guó)寧夏銀川和北京建立了中日合資數(shù)控機(jī)床設(shè)備廠,生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)甚至世界先進(jìn)水平。近年來,我國(guó)自主研發(fā)能力有所提高,擁有自己的數(shù)控機(jī)床技術(shù),但仍有較大差距,國(guó)內(nèi)一些技術(shù)人員認(rèn)為,通過進(jìn)口設(shè)備同樣可以達(dá)到世界先進(jìn)加工水平,但國(guó)外的技術(shù)壟斷會(huì)長(zhǎng)期影響我國(guó)自主機(jī)床的發(fā)展。此外,我國(guó)缺乏技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境,短時(shí)間內(nèi)謀求效益最大化,不太注重人才及技術(shù)的支持,導(dǎo)致我國(guó)數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新性水平不強(qiáng),很長(zhǎng)一段時(shí)間存在發(fā)展緩慢的現(xiàn)象。

截至2023年,我國(guó)數(shù)控機(jī)床有了飛速的發(fā)展,研制出七軸六聯(lián)動(dòng)機(jī)床,代表了當(dāng)今世界機(jī)床的頂尖水平,也標(biāo)志著我國(guó)數(shù)控機(jī)床企業(yè)已具備和歐美國(guó)家抗衡的實(shí)力,但在高端機(jī)床的精度、質(zhì)量和穩(wěn)定性方面,與日本、德國(guó)還有一定差距,這些都是未來需要努力追趕的方向。

2 數(shù)控技術(shù)在機(jī)械加工技術(shù)中的價(jià)值分析

2.1 加快機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)當(dāng)前進(jìn)入了信息化社會(huì),為符合現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展要求,在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域,信息技術(shù)的應(yīng)用范圍也不段加大。將數(shù)控技術(shù)合理地應(yīng)用到機(jī)械加工領(lǐng)域中,可全面提高我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)水平,保障工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的前沿性、先進(jìn)性,促進(jìn)我國(guó)工業(yè)穩(wěn)定、持續(xù)性發(fā)展。高精尖零部件生產(chǎn)加工時(shí),應(yīng)用數(shù)控技術(shù)可顯著提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率,簡(jiǎn)化機(jī)械加工流程,對(duì)機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。

2.2 增強(qiáng)機(jī)床的控制力

機(jī)械加工過程中,機(jī)床設(shè)備占比較高,將數(shù)控技術(shù)科學(xué)合理地應(yīng)用到機(jī)械加工中,可增強(qiáng)對(duì)機(jī)床的控制力,減少加工過程中的安全隱患。因此,通過應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工流程進(jìn)行簡(jiǎn)化,提高機(jī)械加工技術(shù)的同時(shí),安全性也得到了有效保障,使設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用

3.1 汽車工業(yè)中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)汽車行業(yè)也保持了良好的發(fā)展勢(shì)頭,現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于完整的汽車生產(chǎn)線加工。在整車生產(chǎn)中,開設(shè)了4條生產(chǎn)線,通過融合數(shù)控技術(shù)來完成汽車零部件加工。數(shù)控技術(shù)也應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線和沖壓生產(chǎn)線中,工人師傅們通過沖壓工序完成各種汽配零件成型沖壓,在數(shù)控技術(shù)下通過各零件裝配協(xié)調(diào)完成總裝。這些工序應(yīng)用數(shù)控技術(shù),加入運(yùn)動(dòng)單元,編入加工制造程序,操控機(jī)械手按指定坐標(biāo)運(yùn)動(dòng),不需要人工干預(yù)便可完成整個(gè)汽車的生產(chǎn)制造,具有操控精準(zhǔn)、高效的特點(diǎn)[7]。

此外,通過數(shù)控技術(shù)可以使小批量、小規(guī)模的產(chǎn)品完成生產(chǎn)目標(biāo),糅合現(xiàn)代柔性制造技術(shù)、虛擬仿真控制技術(shù),為汽車制造工業(yè)提供進(jìn)一步發(fā)展。例如,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體制造,作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要支撐體,需要利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行端面和孔的銑刻加工與拋光,再進(jìn)行最后的細(xì)節(jié)加工與精磨。對(duì)于精度要求較高的凸輪軸,在制造中需要較高的平衡度,發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、變速箱等重要零部件,尤其涉及較多曲面加工時(shí),需要多軸復(fù)合數(shù)控機(jī)床來完成這些復(fù)雜的工藝加工,軸類零件已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床機(jī)械自動(dòng)化的生產(chǎn)制造。

3.2 模具工業(yè)加工中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)

將模具數(shù)據(jù)融入數(shù)控程序,是一種新型加工方法,可借助Mastercam、UG等軟件進(jìn)行加工應(yīng)用,在電火花、線切割、數(shù)控加工編程方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。通過模具加工軟件,導(dǎo)入螺旋加工工具,可有效降低刀具間的速度,提高刀具的使用壽命,對(duì)加工設(shè)備起到較好的保護(hù)作用。

3.3 機(jī)床設(shè)備中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)

目前,數(shù)控技術(shù)應(yīng)用極為廣泛,各種機(jī)器零部件或機(jī)械產(chǎn)品的加工都可以通過數(shù)控技術(shù)完成,對(duì)生產(chǎn)制造起到至關(guān)重要的作用。借助計(jì)算機(jī)軟件加強(qiáng)系統(tǒng)的控制能力,對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、刀具變換、工藝面切換等通過程序代碼輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng),通過計(jì)算機(jī)控制并操作機(jī)床加工工件。隨著機(jī)床設(shè)備不斷更新發(fā)展,數(shù)控技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟,生產(chǎn)加工精準(zhǔn)度、精細(xì)化程度不斷提高,可以滿足更高的生產(chǎn)需求[8]。

3.4 航空工業(yè)中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)

21世紀(jì)以來,世界各國(guó)的工業(yè)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步,信息技術(shù)、制造技術(shù)同樣有質(zhì)的飛躍,極大地加快了航空工業(yè)的發(fā)展,數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)材料及零部件制造、航空模型制造,以及航空器結(jié)構(gòu)制造。利用數(shù)控技術(shù),可以制作帶有復(fù)雜幾何形狀的零部件和飛機(jī)模型,減少了制造過程中的人工干預(yù),具有輕量化、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。復(fù)雜幾何形狀的航天器結(jié)構(gòu),如外殼、機(jī)翼等也可進(jìn)行特殊精細(xì)化加工。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)深度融合到航空制造領(lǐng)域,并發(fā)揮著不可代替的作用,通過不斷發(fā)展,數(shù)控技術(shù)將為航空制造業(yè)提供更多發(fā)展和機(jī)遇。

4 數(shù)控技術(shù)未來發(fā)展方向

4.1 高智能化

通常來說,數(shù)控加工的生產(chǎn)指標(biāo)涉及生產(chǎn)速度、加工效率及精度,未來要想使數(shù)控技術(shù)朝著更高端的方向發(fā)展,就應(yīng)圍繞這3個(gè)方面進(jìn)行革新。未來機(jī)械制造行業(yè)以數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ),朝智能化生產(chǎn)線發(fā)展,對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程智能化遠(yuǎn)程控制,隨時(shí)收集并處理信息。

在高端數(shù)控領(lǐng)域進(jìn)行切削加工時(shí),多軸數(shù)控機(jī)床通過多軸聯(lián)動(dòng)、車銑復(fù)合加工等,使加工出來的零部件質(zhì)量和加工效率有質(zhì)的提高。應(yīng)用多軸機(jī)床生產(chǎn)加工出的工件產(chǎn)品精度高、外觀好、光潔度高,多軸技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)零件產(chǎn)品加工全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一旦出現(xiàn)問題第一時(shí)間預(yù)警報(bào)告,便于及時(shí)解決。例如,我國(guó)自主研發(fā)的華中818系列數(shù)控機(jī)床,將PC總線技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和PC通訊之中,極大加快了傳輸速度。

4.2 高精密化

在加工制造業(yè)中,精度水平是體現(xiàn)加工質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一,是機(jī)床性能的集中體現(xiàn)。在數(shù)控機(jī)床制造同質(zhì)化的現(xiàn)狀下,加工精度及穩(wěn)定性越來越直觀地體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家重型數(shù)控機(jī)床的制造水平,如今現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的加工精度將繼續(xù)朝著微米級(jí)、納米級(jí)前進(jìn)。未來,提高數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性,將大規(guī)模采用混合式集成電路的方式或更高集成度的芯片控制,提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度,滿足用戶的個(gè)性化需求。

4.3 高度一體化

借鑒當(dāng)今機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展,數(shù)控技術(shù)未來也可能會(huì)朝著一體化方向發(fā)展,以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的有機(jī)統(tǒng)一,促進(jìn)細(xì)小零件的精細(xì)加工,方便進(jìn)行集中監(jiān)督,讓數(shù)控機(jī)械加工過程在統(tǒng)一有效的管理中展開。此外,一體化方向也可促進(jìn)未來開放式發(fā)展,適應(yīng)不同的設(shè)備需求,實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)。

5 結(jié)語

機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平,數(shù)控技術(shù)將會(huì)有很大的發(fā)展前景,越來越向精準(zhǔn)化、人性化、智能化發(fā)展,在各行各業(yè)中凸顯其優(yōu)勢(shì)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)數(shù)控技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)。機(jī)械電子信息技術(shù)的融合將是數(shù)控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì),不論是智能化、精準(zhǔn)化、人性化,數(shù)控技術(shù)必須不斷提升自身控制能力,更好地服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn),以滿足市場(chǎng)的生產(chǎn)需要。