数控机床创新设计技术

  数控技术是衡量制造业现代化程度的核心标志。2016年,我国数控金属切削机床产量为780000台,其中对高档数控机床的需求量为10%,而国内高档机床的产出率不到5%。普通机床产量大,覆盖面广,但加工精度和加工速度要求不高,价格低,市场对高端机床的需求增长迅速,价格高,利润高(>25%),其性能要求满足高速、高精度、多轴的要求。机床的设计包括五部分的结构设计、功能部件的选择和数控系统的选择。此外,高端机床的设计还包括提高整机的动态性能,设计高速控制和远程故障诊断系统。然而,欧美和日本的制造商依靠先进的动态设计技术和高速控制技术来保证机床的高速、高精度加工,并利用远程故障诊断技术进行开放式服务制造,但该技术对中国不利,产品价格较高。

  1 .项目研究内容

(1)为避免高速颤振,结构设计时必须建立整机动力学模型并进行分析。而结合面动态特性的识别是准确获取动力学模型的基础 ;加工时,导轨结合面是占大比重和重要的可移动结合面 ;其动态特性的识别是其中关键。因此,在建立整机动力学模型时充分考虑机床结合面的动态特性,通过准确建立的机床动力学模型,提升整机的动态特性,使主轴加工转速在 10,000,r/min 以上的工况下可以避免机床高速震颤。
(2)在机床高速高精加工时,经常因为数控系统不具备实时插补算法而造成速度突变并带来冲击载荷 ;因此,不仅要求数控系统具备实时的插补算法,而且控制精度必须达到微米级。保证数控系统的实时控制是需解决的核心问题。
(3)目前,业界常用的机床故障诊断系统大多是现场分布式的且通过数控系统报警获取较少故障类型。由于各类故障表征的信号各不相同,其与故障的对应关系又是整个故障诊断系统最突出的技术难点,采集、传输和诊断数控机床各类信号是故障诊断系统的关键。

  2 .成果创新点

(1)发明“导轨结合面测试平台”,建立结合面动态特性数据库并应用于机床动力学模型分析。突破了可移动结合面刚度和阻尼难以获取的技术瓶颈,解决了机床高速加工中由于颤振造成加工精度低的问题,开发出“门型”五轴联动立式加工中心和高速钻铣中心机等高速高精数控机床。
(2)发明“面向高速高精加工的 NURBS曲线插补器”实现速度平滑插补,解决速度规划曲线中尖角问题,也能实现参数矢量的快速离散,避免误差累积,还可以突破算法实现实时性的瓶颈。该插补器已应用于数控系统,补偿速度突变造成的误差并减小进给速度波动。
(3)开发出“数控机床远程故障监控与故障诊断系统”。将机床工作状态数据、环境数据通过嵌入数控系统的终端采集、处理和数据压缩,由局域网或 3G/4G 模块传输中心服务器。服务器运用自行发明的“诊断系统软件”,结合故障树分析与规则推理方法,确定故障类型。

  3 .学术成果及社会效益

本项目获自主知识产权多项,论文 10 篇。本项目突破了国外技术壁垒,取代了进口同类产品,使门型五轴加工中心价格控制在100 万 元 以 内,510 系列钻铣中心价格比国外同类产品降低 30%以上,项目完善了福建省制造业信息化支撑环境建设,带动了福建省制造业企业开展制造业信息化深化应用。依托该本项目开发的几项产品均获 CE 认证,获许在欧盟销售。

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