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毕业论文数控技术在机械制造业中的应用与发展样本
长春汽车工业高等专科学校
毕业实践报告
题目/实践名称:
数控技术在生产中的应用
专业/班级:
学生姓名:
学号:
企业指导教师:
校内指导教师:
起止时间:
2013年4月—2014年4月
实习单位:
一汽大众MQ200传动器车间
1.摘要.................................................................................................................2
2.数控技术在机械制造业中的应用与发展绪论.............................................3
3.数控技术的基本原理......................................................................................3
4.数控技术当前成就..........................................................................................4
5.数控技术的应用..............................................................................................5
6.数控技术的发展趋势......................................................................................7
7.结语.................................................................................................................10
8.参考文献资料...............................................................................................11
内容摘要
随着目前机械制造业的市场竞争日趋激烈,以往传统的机械制造技术已经不能够满足机械制造市场的需求以及当代产品多样化的发展和日新月异的换代速度。
与此同时,一个国家的机械制造工艺的自动化水平的高低也是对该国家的工业水平和国力衡量的重要标准之一。
于是,探索数控技术在机械制造业中的应用以及发展趋势就显得越来越重要。
本文主要对现代的数控技术当前在机械制造业领域中的应用以及发展趋势进行论述,并对数控技术的相关原理和背景进行简单的阐述。
关键词:
数控机械制造数控应用发展趋势
数控技术在机械制造业中的应用与发展
绪论
随着l952年第一台数控机床的问世,机械制造业便开始进入了自动化发展的历史时期,运用传统的物理机械理论进行加工操作已经不能满足机械制造业的蓬勃发展,经过不断的发展和改造过程,数控技术转变了传统的机械操作模式,它的运用是机械加工中的一项历史性改革[1]。
数字控制的机床采用数字编程精确工件的位置、角度以及速度,甚至是机械能量的流向,在二进制数字运算方式的计算下,以最小误差的形式进行机械加工。
数控机床采用计算机运算代替原来的硬件组装控制,使得数据存储和处理运算过程精细化,极大的减少了误差。
在机械制造业中,数控加工技术已经越来越受到重视。
随着计算机技术为主流的现代科技技术发展和市场产品竞争的加剧,传统的机械制造技术很难满足现代产品多样化的发展和日新月异的换代速度。
面对多品种小批量生产比重的加大,产品交货质量和成本要求的提高,要求现代的制造技术具有很高的柔性。
如何能增强机械制造业对外界因素的适应能力以及产品适应市场的变化能力,就需要我们能利用现代数控技术的灵活性,最大限度的应用于机械制造行业。
将机械设备的功能、效率、可靠性和产品质量提高到一个新的水平,从而满足现代市场的竞争需求。
一、数控技术的基本原理
数字控制技术是通过对计算机技术、自动控制技术、电气传动技术以及精密测量技术和机械制造等多种技术的综合运用而形成的产物,同时,它是自动化机械系统、机器人系统以及计算机集成制造系统等一系列先进的高科技技术的根本所在。
数控技术主要依靠程序的储存功能来对各类机床实现不同的控制工作,整个数字控制系统的主要组成部分有:
相应的控制程序、输入设备、输出设备、计算机数字控制装置以及速度控制单元、可变控制单元和主轴控制单元等。
该种系统人们一般习惯性的称之为CNC系统,该系统同时能够对输入设备上实现给出的数字值进行自动阅读工作,并能够将其自动解码。
从而确保机床正常运行,并能使其加工出合格的零件。
数控技术系统的主要核心是装置,其装置实际上就是一种计算机,不过该计算机是系统中专用的计算机,它在具备普通计算机的基本功能与结构的基础之上,还有和相关的数字控制机床功能相关联的一些功能,和专用的接口单元,该装置主要包括硬件与软件两大重要部分,其主要工作过程是通过硬件设备的支持下来进行软件执行操作的过程[2]。
该装置的工作原理主要是通过对输入设各与输入机床在工作时所需要的相关数据进行采集,并对其进行编码翻译,通过计算机的处理运算工作将所得到的数据命令合理地分配到相关的驱动电路装置当中,并通过相应的转换与放大工作,对伺服电机进行相应的驱动,同时带动相关的坐标轴运动,使每个坐标轴都能有效准确的移动到指定需要的位置[3]。
二、数控技术的当前成就
数控技术是随着数字时代的来临广泛应用于机械加工和制造领域的一种新型技术手段,标志着新的生产力的发展方向,具有划时代的意义。
目前我国的数控机床已经取得了相当大的成就。
在产品种类、技术水平和质量上都较大的发展。
据了解,目前我国的数控机床在市场推广的就多达一千五百种以上,在整个金属切削和锻压机械中都具有有举足轻重的地位。
我国数控机床制造业在8O年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品向数控化产品转型,有许多厂家生产经济数控机床但总体上,技术水平不高,质量不高,所以9O年代初国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口设备,对数控设备生产起到了很大的促进作用[4]。
特别是在1999年后,国家向工业部门提供大量的技改资金使数控设备制造市场一派繁荣由于中国的技术水平与发达国家相比相差还很大,因此加速进行中国数控系统的工程化、商品化是中国数控机床产业的重要任务,技术的创新与技术的工程化是很大的一个问题,在技术创新项目上没有突出重点,并且市场定位不明确[5]。
在取得技术创新成果后不能将创新成果转化成实际应用技术,缺乏商品化、工程化的全面安排。
虽然我国数控技术的发展与发达国家相比相差还是很大,也还有很多亟待解决的问题,但其蓬勃发展的势头和年轻的生命力是不可否认的,下面将从以下三个方面阐述数控技术在我国机械制造业中的发当前成就。
首先,数控机床的应用范围不断扩大。
近年来,我国的机床行业在国家重点工程以及国防军工建设中得到了广泛的应用并且在航天航空事业中也不断提高数字控制的精确度。
SSCKZ80—5型五轴车铣复合加工中心在对航空、船舶、铁路运输行业具有高技术、高精度的技术运用,对飞机发动机主轴和起落架的加工等关键性的机械加工都有较重要的作用。
在其他生产工业方面,数控技术同样具有较大的影响作用,通过超精密球面车床的基础设备提供,促进了照相机塑料镜片、激光加工光路系统以及条形码阅读设备等高科技的技术加工的精细化和科学化。
其次,数字技术不断提升。
“国产XNZD2415型数控龙门混联机床充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点,通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门,在并联平台上附加两自2数控技术在机械制造业中的应用由度串联结构的A、C轴摆角铣头,配以工作台的纵向移动,可完成五自由度的运动。
”同时,网络化和集成化的数控机床创新是数字技术提高的表现之一,提高数控机床的速度和精密程度,当前我国已经研制成功出一批速度在8000~10000r/min以上的数控机床,并且推广了CAD技术的应用[6]。
最后,企业的数控机械化程度大大提高。
据了解,当前洛阳轴研科技股份有限公司经过不断的研发和创新,已经开发并生产了“8大类、13个系列、160多种电主轴及主轴单元”,高度的数字机械化大大减少了公司的产品生产成本,提高其市场竞争力;另外,2004年,陕西汉江机床有限公司“共生产滚珠丝杠副5万套,滚动直线导轨副2万套,其中为数控机床配套的高精度产品占产销量的80%以上。
”结合数字资料来看,目前我国企业在数控技术的应用上达到了一个较大的高潮,是数字技术在机械加工领域应用的重要表现形式[7]。
三、数控技术的应用
3.1工业生产
传统的数据控制系统主要是由控制单元、驱动单元以及执行组织构成的,其中工业机器人系统和传统的数字控制系统也是由三部分构成,工业机器人的诞生给工业生产带来了很大的帮助,机器人主要被用于高温有毒等一系列较为恶劣的劳动环境内,在工业生产中代替了人的高危险度工作,在相当大的程度上使人员生命安全得到了保障[8]。
在对工业生产机器人的使用实际情况中,首先要向机器人编写相应的程序输送到计算机控制下的控制单元中,相应的控制单元按照有关的输入程序来对驱动单元下达命令,之后再由驱动单元组织来执行,在该过程当中,有多种不同的传感器所组成的检测体系来对工作过程进行同步的检测,发现问题能够做到及时向工作人员报警,以电子束焊接机焊接一个工件的完整过程为例,编程人员编程代码与其指定机床启动的某个功能或动作如下:
代码指定动作或功能
R110=0.9;[mA]视频电流(焊缝)
IF(_HEFTEN==1);焊接变量
R111=15;[mA]预热电子束电流
ELSE
R111=0
ENDIF;结束
R112=50;[mA]焊接电子束电流
R13=0;[mA]补偿电流
R126=1818;[mA]聚焦电流
R120=R126-10;[mA]视频聚焦电流
R121=R126;[mA]预热聚焦电流
R122=R126+40;[mA]焊接聚焦电流
R123=0;[mA]收尾聚焦电流
R140=44/2;[mm]焊接半径
R141=100;[mm/s]预热时工件转速
R142=35;[mm/s]焊接时工件转速
R150=0
R151=30
R152=65-2*R151
R153=10
R154=30;R150-R153为工件预热旋转角度
R161=60
R162=361
R164=60
R165=5;R161-R165为焊接时旋转角度
其中执行动作为:
G01G64G90C=0.0;工件轴回零
G01G91C=R150SLR121)FmsR141;c轴转动R150(0)所定义的角度,聚焦电流为R121(1818mA)所定义的值,工件进给速度为R141(100mm/s)所定义的值
C=R151SQR111);c轴转动至R151(30),预热电子束电流值由R111(15mA)所定义
C=(720-R151-R154-R161-R162-R164-R165);第一圈预热工件旋转角度
C=R154SQ0);预热结束,收尾电子束电流为0
C=R161SQR112)SLR122)FmsR142;第二圈焊接开始c轴位置由R161
定义,焊接电子束电流为R112,聚焦电流为R122
C=(R162-R161);C=R161焊接时工件轴旋转角度
C=R164SQ0)SL(R122+R123));焊接结束时工件旋转角度R164,电子束电流为0,聚焦电流为R122+R123
通过以上代码,指定数控系统执行电子束电流、工件旋转角度、偏压杯电压偏转电场电流、偏转线圈强度的相互协调变化,达到电子束聚集成点于工件上,通过极其高的热量融化工件焊接部位,再通过工件右夹具夹具带动自转命令达到焊接完整,通过改变其中的某个功能的R参数值可以达到工件焊接的不同要求,比如,查看了电子束焊接的工件的金相组织发现焊接深度不够深,可以通过增大R122=R126+40中的数值变量40来达到使用目的。
3.2煤矿机械
在煤矿机械方面,由于采煤机的种类具有多样化的特点,同时还有更新速度较快、生产批量小这一特征,还由于一些机械外壳基本都采取焊接的方式来完成的,所以传统的机械制造技术在进行下料工作的过程之中,所造成的成本较高,然而随着当今数字化与信息化技术的快速发展,通过广泛运用数字控制技术来进行气割工作,可以既方便又灵活的使下料工作得到实现,并在此基础上还能够有效的降低投资成本,从而进一步完善了机械制造的生产体系,提高经济效益与生产效益,与此同时,数字控制系统中的气割机械还能够对切缝进行有效的补偿,大大加强了切缝补偿工作的准确性。
同时发挥其高效率、低成本的绝对优势,同时在下料工作过程中,能够顺便的对某些零件的破口进行切割工作,数字控制气割机还能够对切缝进行自动补偿工作[9]。
3.3汽车生产工业
随着近年来经济发展速度增快,汽车生产工业也随之得到良好的发展空间,并保持良好的发展势头,因而汽车零部件的制造技术也随之迅猛发展,数字控制技术的出现可以有效地使原本发展较快的汽车零部件生产技术得到更快速的发展快速数字控制机床与近几年来在汽车零部件制造工艺上得到了大力的推广,使其所生产出来的汽车零部件质量又在原本的基础上又提高了一个档次,同时还提高了汽车零部件的生产效率。
并且以此为前提,满足当前竞争十分激烈的机械制造行业的市场要求,还能够有效地降低生产成本,从而实现了一次投资长期效益的良好生产目标[10-11]。
以往传统的汽车生产工业主要讲究规模与效益,然而随着数字控制技术的出现及其在汽车生产工业上得到广泛应用,使这一传统规律被全部打破,从而实现了多种规格、小规模、小批量、高效率的生产目标另外,在数字控制技术中,虚拟现实控制技术、计算机辅助制造技术也都在汽车生产工艺中得到了广泛的运用。
3.4机床设备方面
在机械制造领域中,其主要核心是在于拥有较为先进的机械设备,面对当今高科技发展背景下对机电一体化的要求相关的机械制造生产企业无必要拥有具备良好的控制能力的数字控制机床设施,能够为数字控制技术提供较为先进的控制能力的核心在于先进的计算机控制技术,即在机床上对数控技术进行充分应用,这便是数控机床设备的产生,它通过相应的计算机控制软件来完成了对主轴运转变化的控制,使数控机床能够自动的加工出质量良好的机械零件。
如今机床行业的计算机数控化已成为技术发展的大趋势,数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物,它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体,具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点,是当代机械制造业的主流装备[12-14]。
采用数控机床不仅提高了机械加工的性能,还有效提地提高了加工质量和效率,实现了柔性自动化,并向智慧化、集成化方向发展。
数控机床虽然先进,但只有应用好了才能发挥其巨大效益。
换句话说,数控设备为精密、普通车床难已加工或是根本无法加工的复杂零件的加工提供了基本条件,但要达到预期的加工效果,编制高质量的数控程序是必不可少的,这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程,而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息[15]。
数控机床只能算作硬件,而编制合适的程序,选用合理的工艺路线及加工刀具,操作人员过硬的操作水平等诸多因素口都是制约数控机床应用好坏的软件。
四、数控技术的发展趋势
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势:
4.1数控技术向高速高精高效化发展
速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高[16]。
高速、精密是机床发展永恒的目标。
采用了高速CPU芯片、多CPU控制系统以及交流数字伺服系统,还采用了改善机床动态、静态特性特性的有效措施,随着电脑辅助制造系统的发展,精度已达到微米级,可见数控机床的高速高精度化已大大提高。
4.2数控技术向开放式体系结构发展
20世纪90年代以来,由于计算机技术的飞速发展,推动数控技术更快的更新换代。
世界上许多数控技术生产厂家利用PC机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控技术。
开放式体系结构使数控技术有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性,并可以较容易的实现智能化、网络化[17-18]。
开放式体系结构可以大量采用通用微机技术,使编程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。
开放式体系结构的新一代数控技术,其硬件、软件和总线规范都是对外开放的,数控技术制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成,同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控技术带来极大方便,促进了数控技术多档次、多品种的开发和广泛应用,开发生产周期大大缩短。
同时,这种数控技术可随CPU升级而升级,而结构可以保持不变。
4.3数控技术向软数控方向发展
现在,实际用于工业现场的数控技术主要有以下几种类型,分别代表了数控技术的不同发展阶段,对不同类型的数控技术进行分析后发现,数控技术不但从封闭体系结构向开放体系结构发展,而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。
SOFT型开放式数控技术是一种最新开放体系结构的数控技术。
它提供给用户最大的选择和灵活性,它的CNC软件全部装在计算机中,而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。
就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。
用户可以在WINDOWSNT平台上,利用开放的CNC内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控技术,与前几种数控技术相比,SOFT型开放式数控技术具有最高的性能价格比,因而最有生命力[19]。
通过软件智能替代复杂的硬件,正在成为当代数控技术发展的重要趋势。
4.4数控技术控制性能向智能化方向发展
智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。
随着人工智能在计算机领域的渗透和发展,数控技术引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理,不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能,而且人机界面极为友好,并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善[20]。
伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置,能自动识别负载并自动优化调整参数。
4.5数控技术向网络化方向发展
数控技术的网络化,主要指数控技术与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。
数控技术一般首先面向生产现场和企业内部的局域网,然后再经由因特网通向企业外部,这就是所谓Internet/Intranet技术。
数控技术的网络化进一步促进了柔性自动化制造技术的发展,现代柔性制造系统从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展[21]。
柔性自动化技术以易于联网和集成为目标,同时注重加强单元技术的开拓、完善,数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结,向信息集成方向发展,网络系统向开放、集成和智能化方向发展。
4.6数控技术向高可靠性方向发展
随着数控机床网络化应用的日趋广泛,数控技术的高可靠性已经成为数控技术制造商追求的目标。
对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,无故障率在P(t)=99%以上,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。
我们只对某一台数控机床而言,如主机与数控技术的失效率之比为10:
1(数控的可靠比主机高一个数量级)。
此时数控技术的MTBF就要大于33333.3小时,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。
如果对整条生产线而言,可靠性要求还要更高[22]。
4.7数控技术向复合化方向发展
在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上,为了尽可能降低这些无用时间,人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上,因此,复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。
柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后,机床便能按照数控加工程序,自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工,以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。
4.8数控技术向多轴联动化方向发展
由于在加工自由曲面时,3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削,进而对工件的加工质量造成破坏性影响,而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率,因此,各大系统开发商不遗余力地开发5轴、6轴联动数控技术,随着5轴联动数控技术和编程软件的成熟和日益普及,5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点[23-24]。
电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控技术技术水平大大提高,促进了数控机床产业的蓬勃发展,也促进了现代制造技术的快速发展。
数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。
现代制造业正在迎来一场新的技术革命。
结语
综上所述,我国数控技术在机械制造业各个领域中的应用越来越广泛,逐步达到了精细化、智能化和网络化地要求,随着数字技术的进一步发展必将有更深层次的提高,也将更进一步促进我国制造业的发展。
但是,随着数控技术的需求量和质量要求提高,必然也将面临各种各样的问题,在数控领域还有很多亟待解决的问题。
机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志,也是国际间科技竞争的重点。
我国正处于经济发展的关键时期,制造技术是我们的薄弱环节。
PC机进入数控领域,极大的促进了数控技术的发展,也为我国在数控生产领域赶超发达国家提供了机遇。
跟上发展先进数控制造技术的世界潮流,将其放在战略优先地位,并以足够的力度予以实施,尽快缩小与发达国家的差距,在激烈的市场竞争中立于不败之地。
同时,数控加工技术的发展孕育产生大量的数控专业技术人才,进而推动我国现代机械制造业进一步走向繁荣。
参考文献
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