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“数控一代”--中国智能制造的崛起

发布时间:2022-08-21 17:54:43 来源:火狐全站APP官网登录 作者:火狐大厅登录

  当今,机械产品在工业发展中不断创新,数控技术已成为中国智能制造的巨大驱动力,数控技术是用数字信息技术对工作过程和机械运动进行控制的技术,数控装备是信息技术与机械技术深度融合的典型体现。所谓数控一代就是将数控技术及产品(包括数控系统和驱动装置等)与各行各业的机械设备有机融合,实现机械设备的数字化控制,从而引发机械产品本身内涵发生根本性变化,使产品的功能极大丰富、性能发生质的飞跃,全面提升机械产品的质量水平和市场竞争力。综观全球实现产业结构调整和机械产品升级的历程(图):蒸汽机技术使机械工业由人力制作时代进入机械化时代,电气技术使机械工业由机械化时代进入电气化时代,数控技术正在使机械工业由电气化时代跃升为数字化时代;在可预见的将来,机械工业将由数字化时代进入智能化时代。可以看到,对于驱动和控制系统的创新具有鲜明的特征,具有本质的规律,可以普遍运用于各种机械产品创新,可以引起机械产品的升级换代,引起机械工业的深刻变革。这也是“数控一代”这样一个概念的缘由和根据。

  机械产业的发展是以科学发展为主题,以加快转变经济发展方式为主线。加快转变经济发展方式,必须加快推进产业结构的调整优化,核心是产品的技术创新和升级换代。

  经过多年的不断发展,中国机械工业实现了历史性的跨越式发展,制造业生产总值成为世界第一,我们国家已经成为“制造大国”。但是,我们还不是“制造强国”,机械工业还没有摆脱粗放型、外延式发展的模式,核心技术和关键技术掌握得不多,自主创新的产品少,附加值不高,核心竞争力不强。综观世界,中国制造既面临其他新兴发展中国家的低中端竞争,又面临西方发达国家重振先进制造业的压力,在全球制造产业新的调整中既面临大好发展机遇,又面临极为严峻的挑战。面临的挑战很多,问题主要有两个:产品质量问题和产品创新问题,因而,产品创新和产品质量应该成为今后一段时期机械工程科技进步的主要方向。

  应用数控技术实现我国机械产品的全面创新和升级换代,非常必要,完全可能,对于我国机械工业的科学发展,具有重要的战略意义。

  机械产品的创新可以有多种途径,主要的有两种方法:一是创新工作原理或者说工作装置;二是创新运动的驱动和控制系统。传统机械产品的构成如图2所示,包括动力装置、传动装置、工作装置。工作装置的创新是根本性的,极为重要,千百年来,人们一直在不断创造出各种新的机械,形成了适用于完成各种不同任务的成千上万的机械产品。数控化则是对于机械运动的驱动和控制系统的创新,数控机械产品的构成如图2所示。

  数控化是创新机械产品的有效途径,其核心的技术路线是用伺服电机驱动系统取代传统机械中的动力装置与传动装置,更重要的是用计算机控制系统对机械运动与工作过程进行控制。数控技术的核心是数字化,是先进的信息技术与自动控制、机械制造技术相结合的集成技术,是机械产品创新的使能技术。数控技术的应用引起机械产品本身的内涵发生根本性变化,使机械产品的功能极大丰富,性能发生质的变化,可以从根本上提高机械产品的水平和市场竞争力。

  (1)先进有效:产品功能、性能、质量均极大提高,同时,机械结构大大简化,节省能源和材料;

  (2)由于实现了数字控制,为各种先进信息技术的进一步应用乃至于将来实现智能化奠定了基础;

  当前,我国机械工业正处于产品数字化发展时期,全世界的机械工业也正处于产品数字化发展时期。由“电气一代”到“数控一代”是一场深刻的变革,必然要经过艰难的攀登过程。数控一代是中国机械产品升级换代的最佳机遇,是中国机械工业跨越式发展的最佳机遇,是中国智能制造水平提升的标注,主要理由是:

  (1)需求强大:需求是最强大的发展动力。由于国民经济持续快速发展,由于国际国内市场的激烈竞争,数控机械产品的市场需求越来越旺盛,企业产品创新积极性越来越高涨。我们现在面临的形势是:

  二是要攻克高端数控机械产品,以满足经济、社会、国防等方面日益提高的需求。

  (2)技术支持:数控技术的落后是长期以来制约我国机械产品创新与质量的一个重要因素。经过多年来对数控技术的持续攻关,特别是由于电机技术、功率器件技术、控制技术、计算机技术的突破性进展,我国的数控产业已经基本形成,国产经济型数控系统已主导国内市场,中档数控系统形成了产业规模,高档数控系统也已经掌握关键技术。我国的数控技术已发展到了技术成熟、质量可靠的阶段,全面推广应用的条件已经成熟。

  (3)应用示范带动:数控机械产品的创新需要掌握数控技术、机械设计与制造技术、产品领域知识等复合型知识结构的人才,这也是长期以来影响我国机械产品创新的一个重要原因。经过多年努力,人才队伍和应用示范方面已具备了良好的基础。

  数控系统是数字控制系统的简称,根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制,它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。数控系统早期是与计算机并行发展演化的,用于控制自动化加工设备的,由电子管和继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控。19世纪70年代以后,分离的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替,称为计算机数控系统。

  目前世界上的数控系统种类繁多,形式各异,组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统,同样也有很大的区别,前者适用于回转体零件加工,后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说,基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响,在设计思想上也可能各有千秋。例如,美国Dynapath系统采用小板结构,便于板子更换和灵活结合,而日本FANUC系统则趋向大板结构,使之有利于系统工作的可靠性,促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统,它们的基本原理和构成是十分相似的。数控系统一般整个数控系统由三大部分组成,即控制系统,伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算,发出控制指令到伺服驱动系统;伺服驱动系统将控制指令放大,由伺服电机驱动机械按要求运动;测量系统检测机械的运动位置或速度,并反馈到控制系统,来修正控制指令。这三部分有机结合,组成完整的闭环控制的数控系统。

  伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一,在国内外普遍受到关注。在20世纪最后10年间,微处理器(特别是数字信号处理器DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。如果说20世纪80年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的线年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的10年。这一点在一些工业发达国家尤为明显。

  无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求,交流伺服系统具有高响应、免维护(无碳刷、换向器等磨损元部件)、高可靠性等特点,正好适应了这一需求。例如,日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国Siemens公司、AEG公司、力士乐Indramat公司、美国A.B公司、GE公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚,到20世纪80年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的ACS系列、扬州5308厂引进Siemens公司的610系列,这些产品采用大功率晶体管模块(GTR),属于模拟伺服,但从技术上填补了国内空白。

  所谓多轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴(包括直线坐标和旋转坐标)上同时进行加工,而且可在计算机数控系统(CNC)的控制下同时协调运动进行。多轴联动加工可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。现代数控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自动化和高可靠性方向发展,而多坐标轴数控机床正体现了这一点。

  随着加工技术的不断发展和完善,其中包含了程序的编写日益简单,这在很大程度上减轻了工程师们在程序上的计算量,同时也减轻了机床操作者的工作量和提高了生产效率,赢得了成本,多轴联动加工是现代机床的发展方向,体现了一个国家制造业水平的高低。

  数控切削加工作为制造技术的主要基础工艺,随着制造技术的发展,在20世纪末也取得了很大的进步,进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。它是制造业中重要工业部门,如汽车工业、航空航天工业、能源工业、军事工业和新兴的模具工业、电子工业等部门主要的加工技术,也是这些工业部门迅速发展的重要因素。当前以高速切削为代表的干切削、硬切削等新的切削工艺已经显示很多的优点和强大的生命力,成为制造技术提高加工效率和质量、降低成本的主要途径。

  发展高速切削等新的切削工艺促进制造技术的发展是现代切削技术面临的新任务。当代的高速切削不是切削速度的少量提高,是需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上,包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步,才能达到的切削速度和进给速度的成倍提高,才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。把当前的高速切削水平实用化,使我国机加工整体切削效率提高1~2倍,缩小与工业发达国家的差距,是我国从事切削加工与刀具技术的专业人员在新世纪的努力目标和面临的重大挑战。

  工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

  工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

  在发达国家中,工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流机器人发展前景及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线,以保证产品质量,提高生产效率,同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明,工业机器人的普及是实现自动化生产,提高社会生产效率,推动企业和社会生产力发展的有效手段。6.

  所谓在线检测就是直接安装在生产线上,通过软测量技术实时检测,实时反馈,以此来更好地指导生产,减少不必要的浪费。

  过程工业常常伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转移和传递,往往是一个十分复杂的工业大系统,其本身就存在大量的不确定性和非线性因素;通常伴随着十分苛刻的生产条件或环境,如高温、高压、低温、真空、高粉尘和高湿度,有时甚至存在易燃、易爆或有毒物质,生产的安全性要求较高;强调生产过程的实时性、整体性,各生产装置间存在复杂的耦合、制约关系,要求从全局协调,以求整个生产装置运行平稳、高效。这种种复杂特性使得在工业过程中很难建立起准确的数学模型。

  近年来,随着科学技术的迅猛发展和市场竞争的日益激烈,为了保证产品的质量和经济效益,先进控制和优化控制纷纷被应用于工业过程中。然而,不管是在先进控制策略的应用过程中还是对产品质量的直接控制过程中,一个最棘手的问题就是难以对产品的质量变量进行在线实时测量。受工艺、技术或者经济的限制,一些重要的过程参数和质量指标难以甚至无法通过硬件传感器在线检测。目前,生产过程中通常采用定时离线分析的方法,即每几小时采样一次,送化验室进行人工分析,然后根据分析值来指导生产。由于时间滞后大,因此远远不能满足在线控制的要求。

  在线检测技术正是为了解决这类变量的实时测量和控制问题而逐渐发展起来的。在线检测技术,根源于推理控制中的推理估计器,即采集某些容易测量的变量(也称二次变量或辅助变量),并构造一个以这些易测变量为输入的数学模型来估计难测的主要变量(也称主导变量)。从而为过程控制、质量控制、过程管理与决策等提供支持,也为进一步实现质量控制和过程优化奠定基础。在线连续检测技术已是现代流程工业和过程控制领域关键技术之一,它的成功应用将极大地推动在线质量控制和各种先进控制策略的实施,使生产过程控制得更加理想,像浓度、粘度、分子量、转化率、比值、液位等质量参数都可以实现在线检测。

  数控刀具是机械制造中用于切削加工的工具,又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具,还包括磨具;同时“数控刀具”除切削用的刀片外,还包括刀杆和刀柄等附件。各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上;镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。

  制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性,必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性,良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等),并不易变形。在选择刀具的角度时,需要考虑多种因素的影响,如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等,必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度,是指制造和测量用的标注角度在实际工作时,由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变,实际工作的角度和标注的角度有所不同,但通常相差很小。

  PLC的全称为可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

  PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置,专为在工业现场应用而设计,它采用可编程序的存储器,用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入、输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯,特别是PLC的程序编制,不需要专门的计算机编程语言知识,而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式,使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后,只需按说明书的提示,做少量的接线和简易的用户程序编制工作,就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。9.CAM

  CAM(ComputerAidedManufacturing,计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控编程),是通过计算机编程生成机床设备能够读取的NC代码,从而使机床设备运行,更加精确,更加高效,为企业节约大量的成本。CAM软件是具有CAM功能的软件的统称,

  CAM的核心是计算机数字控制(简称数控),是将CAM计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床,包括称为“加工中心”的多功能机床,能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置,能连续完成锐、钻、铰、攻丝等多道工序,这些都是通过程序指令控制运作的,只要改变程序指令就可改变加工过程,数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。

  计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作,它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围,并根据一个总体的管理策略控制每项作业。

  从自动化的角度看,数控机床加工是一个工序自动化的加工过程,加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化,计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程,而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。

  一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络,它由两级或三级计算机组成,中央计算机控制全局,提供经过处理的信息,主计算机管理某一方面的工作,并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控,计算机工作站或微型计算机承担单一的工艺控制过程或管理工作。

  计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面:硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等,软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

  在机械制造发展的如今,数控系统已经普遍存在于企业的各个环节中,作为一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术,数控已经成为近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的,是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础,是现代机床装备的灵魂和核心,有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。未来随着信息化程度的逐步提高,对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展,为了产品在市场上增强竞争力,提高综合效益,机械制造企业将会更多的考虑如何把传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下,思考如何用信息化技术去促进数控适应本企业的需求快速向高端发展。在全球市场环境影响和推动下,改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长,生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境,减少消耗,降低成本,提高生产效率,提高运行安全性,必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗,产品只能通过全流程数字控制的优化设计来实现。

  因此,未来我国在发展数控技术的时候,必须以数控技术和产品的应用推广为牵引,提高机械设备行业企业的自主创新能力,改变生产方式,提高生产效率,增加机械设备产品附加值,实现产品转型升级和机械装备的更新换代,大力促进我国机械工程领域的科技进步。数控一代既是数控技术应用工程,更是机械产品创新工程;既有机械工业发展强大需求的推动,又有成熟数控技术的支撑;要充分发挥我国的制度优越性,采取协同创新技术路线,在整个机械行业推进有组织的创新。

  数控一代的战略目标是:在机械行业全面推广应用数控技术,在5--8年内,实现各行各业各类各种机械产品的全面创新,使中国的机械产品整体升级为“数控一代”,为我国机械工业从“大”到“强”的跨越式发展做出重大贡献。

  当今数控技术高速发展,学科间相互交叉与融合,使得数控一代技术的发展不是个人或者企业的行为,且不仅需要科学技术与工业生产的紧密结合,还需要整个产业结构模式紧密结合。因此,在这次针对数控化的机械发展革命中,为了更好的发展数控一代,必须以整个机械行业为先导,拓展创新包括数控核心技术、数控装备、配套技术,建立相应的传播平台,应用服务与培训体系在内的服务支撑体系,为未来加快“数控一代”的发展和推广应用打下良好的基础。(wy)

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