Стремительное развитие технологий систем ЧПУ создало условия для технического прогресса станков с ЧПУ. Для удовлетворения потребностей рынка и повышения требований современных технологий производства, связанных с ЧПУ, современное развитие мировой технологии ЧПУ и соответствующего оборудования в основном отражается в следующих технических характеристиках:
1. Высокая скорость
Развитиестанки с ЧПУИспользование высокоскоростного направления может не только значительно повысить эффективность обработки и снизить затраты на неё, но и улучшить качество обработки поверхности и точность деталей. Технология сверхвысокоскоростной обработки широко применяется для снижения себестоимости продукции в обрабатывающей промышленности.
С 1990-х годов страны Европы, США и Японии конкурируют за разработку и внедрение нового поколения высокоскоростных станков с ЧПУ, ускоряя темпы развития высокоскоростного станкостроения. Были достигнуты новые технологические прорывы в области высокоскоростных шпиндельных узлов (электрошпиндель, скорость вращения 15000–100000 об/мин), высокоскоростных и высокоускоренных/замедленных подающих устройств (скорость перемещения 60–120 м/мин, скорость подачи резания до 60 м/мин), высокопроизводительных систем ЧПУ и сервоприводов, а также инструментальных систем ЧПУ, что позволило выйти на новый уровень. Благодаря внедрению ключевых технологий в ряде технических областей, таких как сверхскоростные режущие механизмы, сверхтвердые износостойкие инструментальные материалы с длительным сроком службы и абразивные шлифовальные инструменты, мощные высокоскоростные электрошпиндели, компоненты подачи с линейным двигателем с высоким ускорением/замедлением, высокопроизводительные системы управления (включая системы мониторинга) и защитные устройства, была заложена техническая основа для разработки и применения нового поколения высокоскоростных станков с ЧПУ.
В настоящее время при сверхскоростной обработке скорость резания при точении и фрезеровании достигает более 5000-8000 м/мин; Скорость вращения шпинделя составляет более 30000 об/мин (некоторые могут достигать 100000 об/мин); Скорость перемещения (подача) рабочего стола: более 100 м/мин (некоторые до 200 м/мин) при разрешении 1 мкм и более 24 м/мин при разрешении 0,1 мкм; Скорость автоматической смены инструмента в течение 1 секунды; Скорость подачи при интерполяции мелких линий достигает 12 м/мин.
2. Высокая точность
Развитиестанки с ЧПУОт прецизионной обработки до сверхточной — это направление, которому следуют промышленные державы по всему миру. Точность обработки варьируется от микрометрового до субмикронного и даже нанометрового уровня (<10 нм), а область её применения становится всё более широкой.
В настоящее время, в соответствии с требованиями высокоточной обработки, точность обработки обычных станков с ЧПУ возросла с ± 10 мкм до ± 5 мкм; Точность обработки прецизионных обрабатывающих центров составляет от ± 3 до 5 мкм. Увеличьте до ± 1-1,5 мкм. Еще выше; Точность сверхточной обработки достигла нанометрового уровня (0,001 мкм), а точность вращения шпинделя должна достигать 0,01~0,05 мкм при круглости обработки 0,1 мкм и шероховатости обработанной поверхности Ra=0,003 мкм. В таких станках обычно используются электрошпиндели с векторным управлением и частотным преобразователем (интегрированные с двигателем и шпинделем), с радиальным биением шпинделя менее 2 мкм, осевым смещением менее 1 мкм и дисбалансом вала, достигающим уровня G0,4.
Привод подачи высокоскоростных и прецизионных обрабатывающих станков в основном включает два типа: «поворотный серводвигатель с прецизионной высокоскоростной шарико-винтовой передачей» и «прямой привод с линейным двигателем». Кроме того, новые параллельные станки также легко обеспечивают высокоскоростную подачу.
Благодаря отработанной технологии и широкому применению шарико-винтовые передачи не только обеспечивают высокую точность (ISO3408, уровень 1), но и относительно низкую стоимость высокоскоростной обработки. Поэтому они и по сей день используются во многих высокоскоростных обрабатывающих станках. Современные высокоскоростные обрабатывающие станки с шарико-винтовой передачей имеют максимальную скорость перемещения 90 м/мин и ускорение 1,5g.
Шариковый винт относится к механической передаче, которая неизбежно связана с упругой деформацией, трением и обратным зазором в процессе передачи, что приводит к гистерезису движения и другим нелинейным ошибкам. Чтобы устранить влияние этих ошибок на точность обработки, в 1993 году в станках был применен прямой привод с линейным двигателем. Поскольку это «нулевая передача» без промежуточных звеньев, она не только обладает малой инерцией движения, высокой жесткостью системы и быстрым откликом, но и способна развивать высокие скорости и ускорения, а длина ее хода теоретически не ограничена. Точность позиционирования также может быть высокой благодаря высокоточной системе обратной связи по положению, что делает ее идеальным приводом для высокоскоростных и высокоточных обрабатывающих станков, особенно для станков среднего и большого размера. В настоящее время максимальная скорость перемещения высокоскоростных и высокоточных обрабатывающих станков с линейными двигателями достигла 208 м/мин с ускорением 2g, и возможности для дальнейшего развития еще имеются.
3. Высокая надежность
С развитием сетевых приложенийстанки с ЧПУВысокая надежность станков с ЧПУ стала целью, которую преследуют производители систем ЧПУ и станков с ЧПУ. Для завода без персонала, работающего в две смены в день, если требуется непрерывная и нормальная работа в течение 16 часов с уровнем безотказной работы P(t)=99% или более, среднее время наработки на отказ (MTBF) станка с ЧПУ должно быть более 3000 часов. Для только одного станка с ЧПУ соотношение интенсивности отказов между хостом и системой ЧПУ составляет 10:1 (надежность ЧПУ на порядок выше, чем у хоста). При этом MTBF системы ЧПУ должно быть более 33333,3 часа, а MTBF устройства ЧПУ, шпинделя и привода должно быть более 100000 часов.
Среднее время безотказной работы (MTBF) современных зарубежных станков с ЧПУ превышает 6000 часов, а приводного устройства — более 30 000 часов. Однако, несмотря на это, до идеального показателя всё ещё есть отставание.
4. Компаундирование
В процессе обработки деталей тратится много времени на перемещение заготовки, её загрузку и выгрузку, установку и настройку, смену инструмента, а также на увеличение и уменьшение скорости шпинделя. Чтобы максимально сократить эти потери времени, стремятся объединить различные функции обработки на одном станке. Поэтому в последние годы станки с комбинированными функциями стали быстро развивающейся моделью.
Концепция комплексной обработки на станках в области гибкого производства относится к способности станка автоматически выполнять многопроцессную обработку одним и тем же или различными методами обработки в соответствии с программой обработки с ЧПУ после зажима заготовки за один проход, чтобы завершить различные процессы обработки, такие как точение, фрезерование, сверление, растачивание, шлифование, нарезание резьбы, развертывание и расширение сложной формы детали. Что касается призматических деталей, обрабатывающие центры являются наиболее типичными станками, выполняющими многопроцессную комплексную обработку, используя один и тот же метод обработки. Доказано, что комплексная обработка на станках может повысить точность и эффективность обработки, сэкономить место и, в частности, сократить цикл обработки деталей.
5. Полиаксиализация
С популяризацией 5-координатных систем ЧПУ и программного обеспечения для программирования, 5-координатные обрабатывающие центры с управлением рычажным механизмом и фрезерные станки с ЧПУ (вертикальные обрабатывающие центры) стали текущей горячей точкой разработки. Благодаря простоте управления 5-координатным механизмом в программировании ЧПУ для сферических фрез при обработке свободных поверхностей и возможности поддержания разумной скорости резания для сферических фрез во время фрезерования 3D-поверхностей, в результате значительно улучшается шероховатость обрабатываемой поверхности и значительно повышается эффективность обработки. Однако в 3-координатных станках с управлением рычажным механизмом невозможно избежать участия конца сферической фрезы со скоростью резания, близкой к нулю, в резании. Поэтому 5-координатные станки с управлением рычажным механизмом стали объектом активной разработки и конкуренции среди крупных производителей станков из-за их незаменимых преимуществ в производительности.
В последнее время за рубежом продолжаются исследования в области управления 6-координатными механизмами с использованием невращающихся режущих инструментов в обрабатывающих центрах. Хотя форма обработки не ограничена, а глубина резания может быть очень малой, эффективность обработки слишком низкая, и её сложно реализовать на практике.
6. Интеллект
Интеллектуальная обработка — одно из основных направлений развития производственных технологий в XXI веке. Интеллектуальная обработка — это тип обработки, основанный на нейронных сетях, нечётком управлении, цифровых сетевых технологиях и теории. Она направлена на имитацию действий специалистов-людей в процессе обработки для решения множества неопределённых задач, требующих ручного вмешательства. Содержание интеллекта в системах ЧПУ включает в себя различные аспекты:
Достижение эффективности и качества интеллектуальной обработки, такой как адаптивное управление и автоматическая генерация параметров процесса;
Улучшить ходовые качества и обеспечить интеллектуальное подключение, такое как управление с прямой связью, адаптивный расчет параметров двигателя, автоматическое определение нагрузок, автоматический выбор моделей, самонастройка и т. д.;
Упрощенное программирование и интеллектуальное управление, такое как интеллектуальное автоматическое программирование, интеллектуальный человеко-машинный интерфейс и т. д.;
Интеллектуальная диагностика и мониторинг облегчают диагностику и обслуживание системы.
В мире ведется разработка множества интеллектуальных систем резки и обработки, среди которых показательными являются интеллектуальные решения по сверлению, разработанные Японской ассоциацией по исследованию интеллектуальных устройств с ЧПУ.
7. Нетворкинг
Сетевое управление станками в основном подразумевает сетевое соединение и сетевое управление станком и другими внешними системами управления или компьютерами верхнего уровня через оснащённую систему ЧПУ. Станки с ЧПУ, как правило, сначала подключаются к производственной площадке и внутренней локальной сети предприятия, а затем подключаются к внешней сети предприятия через Интернет, что называется технологией Интернет/Интранет.
С развитием сетевых технологий в отрасли недавно была предложена концепция цифрового производства. Цифровое производство, также известное как «электронное производство», является одним из символов модернизации предприятий машиностроения и стандартным методом поставок для современных международных производителей передовых станков. С широким внедрением информационных технологий всё больше отечественных пользователей нуждаются в услугах удалённой связи и других функциях при импорте станков с ЧПУ. Благодаря широкому внедрению CAD/CAM, предприятия машиностроения всё чаще используют оборудование для обработки с ЧПУ. Программное обеспечение для ЧПУ становится всё более функциональным и удобным для пользователя. Виртуальное проектирование, виртуальное производство и другие технологии всё чаще используются инженерами и техническими специалистами. Замена сложного оборудования интеллектуальным программным обеспечением становится важной тенденцией в развитии современных станков. В рамках концепции цифрового производства, благодаря реинжинирингу процессов и трансформации информационных технологий, появился ряд передовых систем управления предприятием, таких как ERP, что обеспечивает предприятиям более высокую экономическую выгоду.
8. Гибкость
Тенденция развития станков с ЧПУ в сторону гибких систем автоматизации заключается в развитии от точки (отдельный станок с ЧПУ, обрабатывающий центр и многоцелевой станок с ЧПУ), линии (FMC, FMS, FTL, FML) до поверхности (независимый производственный остров, FA) и корпуса (CIMS, распределенная сетевая интегрированная производственная система), с другой стороны, фокусируясь на применении и экономичности. Гибкая технология автоматизации является основным средством для обрабатывающей промышленности, позволяющим адаптироваться к динамичным требованиям рынка и быстро обновлять продукцию. Это основная тенденция развития производства в различных странах и фундаментальная технология в области передового производства. Основное внимание уделяется повышению надежности и практичности системы с целью простоты сетевого взаимодействия и интеграции; акцент на разработке и совершенствовании единичной технологии; отдельный станок с ЧПУ развивается в направлении высокой точности, скорости и высокой гибкости; станки с ЧПУ и их гибкие производственные системы могут быть легко подключены к CAD, CAM, CAPP, MTS и развиваться в направлении информационной интеграции; развитие сетевых систем в направлении открытости, интеграции и интеллекта.
9. Экологизация
Металлорежущие станки XXI века должны уделять первостепенное внимание защите окружающей среды и энергосбережению, то есть достижению экологизации процессов резки. В настоящее время эта зеленая технология обработки в основном ориентирована на отказ от использования смазочно-охлаждающей жидкости, главным образом потому, что смазочно-охлаждающая жидкость не только загрязняет окружающую среду и ставит под угрозу здоровье работников, но и увеличивает потребление ресурсов и энергии. Сухая резка, как правило, осуществляется в атмосферной атмосфере, но она также включает резку в специальных газовых средах (азот, холодный воздух или с использованием технологии сухого электростатического охлаждения) без использования смазочно-охлаждающей жидкости. Однако для некоторых методов обработки и комбинаций заготовок сухая резка без использования смазочно-охлаждающей жидкости в настоящее время затруднительна для практического применения, поэтому появилась квазисухая резка с минимальным смазыванием (MQL). В настоящее время 10-15% крупногабаритной механической обработки в Европе используют сухую и квазисухую резку. В станках, таких как обрабатывающие центры, предназначенных для обработки различных видов деталей, в основном используется квазисухая резка, обычно путём распыления смеси очень малых количеств смазочно-охлаждающей жидкости и сжатого воздуха в зону резания через полый канал внутри шпинделя станка и инструмента. Среди различных типов металлорежущих станков зубофрезерный станок является наиболее распространённым для сухой резки.
Короче говоря, прогресс и развитие технологий станков с ЧПУ создали благоприятные условия для развития современной обрабатывающей промышленности, способствуя развитию производства в направлении более гуманизированного производства. Можно предвидеть, что с развитием технологий станков с ЧПУ и их широким применением обрабатывающая промышленность станет свидетелем глубокой революции, способной пошатнуть традиционную модель производства.