绿色机床和聪明机床数控机床发展的新趋势络筒机
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绿色机床和聪明机床--数控机床发展的新趋势
绿色机床和聪明机床--数控机床发展的新趋势 2011年12月03日 来源： 数控机床的发展趋势 数控机床的出现已有半个多世纪，历经了从数字控制（Numerical Control-NC）、直接数字控制（Direct Numerical Control-DNC）到今天制造业普遍应用的计算机数控（Computer Numerical Control-CNC）。展望未来，其发展趋势究竟如何，是大家普遍关心的问题。 数控技术的基础是加工设备的可编程自动化，机床可以按照设定的程序自动运行，使操作者与加工设备在时间和空间上得以分离，赋予机床和加工系统一定的智能和自主性，它的基本轨迹是信息的交互、处理和集成。 可以预测，在未来的3~5年，各国机床制造商和研发机构将在下列领域争夺制高点： 1. 虚拟机床（NC Verification）。 通过研发机电一体化的、硬件和软件集成的仿真技术，来实现机床的设计水平和使用绩效的提高。 2. 绿色机床（Green Machining）。 强调节能减排，力求便生产系统的环境负荷达到最小化。 3. 聪明机床（Smart Machining）。 提高生产系统的可靠性、加工精度和综合性能。 4. e-机床（Autonomous Machine）。 提高生产系统的独立自主性以及与使用者和管理者的交互能力，使机床不仅是一台加工设备，而是成为企业管理网络中的一个节点。 绿色机床将成为研究热点 机床是将毛坯转化为零件的工作母机，在使用过程中不仅消耗能源，还会产生固体、液体和气体废弃物，对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。从整个机床生命周期内审视，尽量减少对环境带来不利冲击的绿色机床就成为当前研究的热点。 什么是绿色机床？它应该具有以下特点： 1 机床主要零部件由再生材料制造。 2 机床的重量和体积减少50%以上。 3 通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30～40%。 4 使用过程中产生的各种废弃物减少50~60%，保证基本没有污染的工作环境。 5 报废后机床的材料100%可回收。 1. 减重节能 据统计，机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25%左右，各种损耗和辅助功能占去大部分。典型机床的功率消耗分配如图1所示，红色部分是各种损耗和辅助功能。
图1 典型机床的功率分配
机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床（Eco-efficient Machine tool）。绿色机床提出一种全新的概念：大幅减少机床重量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。 传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机床重量”。因此，现有机床重量的80%用于“保证”机床的刚度，而只有20%用于满足机床运动学的需要。 绿色机床就是在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量，达到省材、节能的目的。实现这个目标的途径有两个：通过采用新结构或新的复合材料来实现轻量化，如图2所示。
图2 借助新材料和新结构实现轻量化
一台通过结构优化并采用了新材料的龙门铣床案例如图3所示。
图3 通过轻量化降低驱动功率的案例
2. MQL减排 机床使用过程中的润滑冷却液是有害排放物，特别是磨削时采用的乳化液对环境和工人健康都非常有害。因此，大幅度减少冷却液的使用和排放是绿色机床的基本特徵。实现这个目标的途径有以下两方面： 1）干切削，不使用冷却液。这需要机床具有足够的刚性和锋利的刀具，仅适用于某些加工形状比较简单的铣削和车削工序。 2）微量润滑（Minimized Quantity Lubrication, MQL）。MQL适用范围较广，可用于各种加工方法，但需要专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），并使用专门的润滑剂。 3. 刀具增效 机床的生产效率出至刀尖上。采用先进的刀具，选择合理的刀具几何角度和切削参数，可以有效提升切削加工的效率，降低切削过程所需的功率，延长刀具的寿命，从而达到以较少的资源消耗获得较大产出的目的。 4. 变废为宝增值再用 金属切削加工切屑是机床使用过程中主要的固体废弃物。传统的方法是将它作为废品出售给废品回收单位，进入社会废品循环。 江苏省扬力集团在该企业内部将每年数千吨的铁屑和钢屑经过分拣、压块、配料、熔化浇铸出高质量的球墨铸铁件，变废为宝，制成诸如压力机曲轴等关键零件，如图4所示。
图4 由再生废料制成的压力机曲轴（a. 铸成的曲轴毛坯 b. 加工完成的曲轴）
智能机床致力于“用户友好” 如果说绿色机床的愿景是环境友好，那么智能机床的目标就是用户友好。“用户友好”的含义在于大幅提升工作效率和确保工作更加舒适且安全。这就要求机床能够自主管理自己，自动识别加工任务和加工状态，无需或很少需要人工干预，同时还能够及时与操作者沟通，变得“聪明”起来，开拓数控机床的新纪元。 机床在加工过程中不可避免地会产生各种误差，需要采用现代监控和补偿技术，从而进一步提高机床的性能和通信能力。2005年，美国国家标准与技术研究所（>
表1 聪明机床的特徵
聪明加工系统的四大目标是： 1 系统动态优化。将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动态性能优化。 2 设备自适应化。开发新的测量方法、模型和标准，在运行状态下对机床状态监控，借助在线测量、传感和实时分析进行自我诊断和误差补偿，提高机床的工作性能。 3 采用新一代数控系统。与STEP-NC兼容的接口和数据格式，使基于CAD模型的机器控制能够无缝运行。 4 在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。 1. 智能主轴 主轴是机床的心脏，它的状态直接关系到加工精度和加工效率。德国阿亨工业大学与西班牙技术中心合作对主动磁浮轴承的主轴进行研究，借助磁浮轴承中的力、电流和位置传感器，来测量切削力、以及刀尖点的位置、速度、加速度的变化，并基于此开发出高速、高精度的主轴。 瑞士GF阿奇夏米尔集团生产的MIKRON HSM系列高速铣削加工中心可配置聪明加工系统，其功能之一就是加工过程监控，以便用户观察铣削过程是否正常。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动能够以加速度 “g载荷”值的形式显示，如图5所示。
图5 具有振动监控的高速主轴
振动大小在0~10g范围内分为10级。其中，0~3g表示加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态；3~7g表示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具寿命的降低； 7~10g表示危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具和工件的损坏。而且，控制系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。 在过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值，当振动超过此值时，系统报警并自动停机。系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分析，记录的数据包括：日期、时间、g值、g极限、主轴转速、刀具号、进给率、数控程序块号和程序名。可记录程序块的容量达18,000个，如果取时间间隔为2.5秒，可记录过程状态长达12.5小时之久。 2. 热变形补偿 机床热变形是影响加工精度的主要因素之一。产生热变形的因素很多，主要是来自机床的工作环境和机床内部的热影响： 1） 环境影响。例如，车间的温度分布和温度变化以及空气对流；日光、暖气和邻近机床等热源的影响；以及来自机床基础的热传导。 2）机床内部的影响。例如，机床零部件的发热（轴承、丝杆、导轨、电动机、齿轮、液压系统等），切削过程产生的热量以及冷却系统的发热。 上述热影响对机床结构来说是一种复杂的热输入，它随时间和机床工作状态而变化，是不可预测的，而最终造成机床热变形的大小和部位还取决于机床结构材料的热性能，即材料的热胀系数、导热率和热容量以及机床的结构设计，即部件形状、质量和热源的分布。 因此，机床结构的热场分布是不均匀且不稳定的，呈现为一种动态的三维梯度的热场。为了对机床在工作状态下的热变形进行补偿，还需要考虑切削和运动载荷所造成的变形。这就需要在机床的关键部位安放温度和位置传感器，测出主轴、3个坐标轴和环境温度分别造成的误差，最后汇总为δx、δy、δz，输入数控系统进行补偿，其原理如图6所示。
图6 机床在载荷下的热变形补偿原理图
e-机床 随着网络技术的日渐普及，数控机床走向网络化和信息化已成为必然趋势，互联网进入车间只是时间问题。从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备—数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制约制造业信息化的瓶颈，无法真正解决工厂的最关键问题。 所以，对于面临日益严峻的全球化竞争的现代制造工厂来说，不仅要提高机床的数控化率，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间以及底层与上层之间的通信畅通无阻。 例如，日本Mazak公司推出的新一代加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括了计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。该机床与生产计划调度联网，可以实时反映机床工作状态和加工进度。 操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程。拥有故障报警显示功能、并能在线帮助排除问题。它是独立的、自主管理的制造单元，如图7所示。
图7 资讯化的车削加工中心（日本Maxak）
利用企业的生产计划调度系统，可安排一周的加工任务，将其发送到信息塔。信息塔向操作者发出指令，并在屏幕上显示机床的实时工作状态。操作者则可按照屏幕指示进行操作，遇到问题时也能随时查阅计算机中的操作手册。 正常情况下，机床自动工作，操作者与机床在时间和空间上都是分离的。管理者和操作者皆配备有手机，通过手机查询生产工况、预计加工完成时间以及获取报告和故障报警。 机床发生故障时，屏幕会显示排除故障的方法，Mazak公司的维修中心能够同时看到问题所在，远距离地及时提供帮助，尽可能减少机床的停机时间。