数控机床的质量保证技术应用以及发展

数控机床是现代制造业的基础装备,其质量如何及机床可靠性能的高低直 接影响着一个国家先进制造业的发展水平。而数控系统是各类数控机床的控制中枢,它在使用和运行过程中的质量,直接关系到数控机床整体设备的正常运行。

 随着先进制造技术的发展,不仅要求机床具有优越的性能和高度的自动化功 能,更要求具有性能与功能的维持性、可靠性、维修性和维修保障性,即要求机 床具有可信性。数控系统可靠性是广大数控机床用户选购产品时最为关注的质 量属性,面对国内外日趋激烈的市场竞争,可靠性好坏几乎成为我国民族数控产 业生死存亡的关键。 

1 数控机床的质量保证技术重要性 

1)数控机床加工精度高,生产效率高,决定了质量保证技术的重要性。数控 机床是一种安装了程序控制系统的机床,该系统能逻辑地处理具有使用号码或 其他符号编码指令规定的。 尤其是其加工精度高和生产较高效的情况,导致了对 其进行质量保证非常重要。

加工精度高:数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。 机床的数控装置 可以对机床运动中产生的位移、 热变形等导致的误差,通过测量系统进行补偿而 获得很高且稳定的加工精度。 由于数控机床实现自动加工,所以减少了操作人员 素质带来的人为误差,提高了同批零件的一致性。 生产效率高:就生产效率而言,相对普通机床,数控机床的效率一般能提高 2～3 倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面:①一次装夹完成多工序加工, 省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。②简化 了夹具及专用工装等,由于是一次装夹完成加工。 所以普通机床多工序的夹具省 去了,即使偶尔必须用到专用夹具。 由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简 化。 

2)数控系统的故障可能性很大,要防患未然。数控机床较为复杂,当机床发 生故障时都会导致工作瘫痪,无法正常运行。数控机床故障的发生频率高低,故 障原因等可以评定数控机床质量的好坏,通过多年来对遍布全国的汽车,航天, 兵工、 动力和通用机械等行业的数十家机床用户进行调查发现:装有国外数控系 统的数控机床。数控系统(含伺服单元)故障数占整台机床故障总数的 21.8%配 备国外数控系统的加工中心,其数控系统(含伺服单元)故障数占故障总数的 18.2%,国外数控系统故障部位主要是进给运动控制单元,实时数据库,电气系统 以及 CNC 电源故障等。其故障模式涉及面也很广。其中多发的故障模式是元器 件损坏、CNC 参数设定错误,加工环境湿度太大或灰尘太大、元器件性能参数下 降,软件故障、 外部干扰引起数据丢失或混乱等。

‍‍国产数控系统的故障部位也是 多方面的,主要为进给驱动单元,主板、数控面板、检测单元、其它硬件(多功能 板)。电源及电气系统等。其中最频繁的故障模式是元器件损坏、元器件功能丧‍‍‍‍失软件故障(CNC 参数错误等)、伺服系统设计不合理,元器件性能参数下降和线 路,电缆连接不良等。 由此可见,无论是国外数控系统还是国产数控系统,都是数 控机床的重要故障源之一,都会对机床整机造成停机损。 ‍‍‍‍‍‍

2 数控机床的质量保证技术应用 

数控机床的质量保证技术是质量保证系统中的重要组成部分,也是加工质 量保证技术的核心内容。 建立完善、 可靠的基于数控机床的质量保证系统,不仅 是提高数控机床利用率的关键,也是保证产品质量和降低生产成本的关键。 基于 数控机床的质量保证技术主要包括: 

1)数控程序代码的合理性检验由 CAD/CAM 生成或手工编制的 NC 程序代码的 合理性,避免加工过程出现因 NC 代码不合理所造成的加工中心的损坏、刀具的 损坏或工件的报废;

2)数控加工的计算机仿真研究数控加工仿真建模理论,实施 图形仿真和物理仿真,预测加工过程状态和加工质量;

3)数控机床故障的快速诊 断与报警采用多传感器的数据融合技术和多模型技术,应用小波理论、 神经网络 以及模糊控制技术,快速、有效地提取故障信号特征,对机床故障进行检查;

4) 数控加工质量的在线检测与质量预报采用类似 3)的诸项技术和各种快速算法, 通过对刀具磨损检测、 机床工况的检测、 工件表面粗糙度的检测,实现在线产品 加工检验;并根据检测结果和质量预报模型,进行质量产品预报;

5)数控加工误 差的实时补偿与控制根据误差来源分类情况和在线检测结果,研究补偿方案的 办法,通过计算机与数控系统的通讯及对伺服系统的补偿控制,采用模糊神经网 络等技术,在原有的设备水平的基础上,保持或提高产品的加工质量。 实现基于数控的加工质量保证系统,其中一个主要方面就是如何检测加工 过程信号、 如何从信号中提取信号关键特征,及如何根据提取出的特征进行决策。

由于加工过程的复杂性,实现有效、通用的刀具破损、磨损(尤其是磨损) 检测、机床运动误差检测、加工尺寸精度的在线检测,仍然非常困难。当前已有 的刀具监控系统、 误差检测系统、 加工尺寸精度在线检测系统,都由于其可靠性 和通用性不理想而没有被工业界广泛地接受。 因此,实现基于数控加工质量保证 系统,仍存在着许多困难需要克服。 可靠性分析是建立在大量的可靠性数据基础 上的,在产品可靠性试验、故障分析、可靠性设计及使用、维修中都离不开可靠 性信息。 鉴于上述原因,借鉴当前数控机床可靠性理论的研究成果和相关的数理 统计知识,编制了数控机床数据统计分析系统。

 3 数控机床技术质保技术的发展趋势 

高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床认证中要特别注意的总趋势, 主要表现在: 

1)机床复合技术包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合, 车磨复合,成形复合加工、特种复合加工等,对于这些的检测和认证进来呈现比 较严格的趋势,因为这些直接关系到数控机床的有效工作。 

2)在实际的认证中,必须对智能化技术进行关注。如:自动调整干涉防碰撞 功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学 习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等 功能进入了实用化阶段,智能化提升了机床的功能和品质。 

3)精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级 (0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm),有些品种已达到 0.05μm 左右。超精 密数控机床的微细切削和磨削加工,精度可稳定达到 0.05μm 左右,形状精度可达 0.01mm左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001mm)。

4 结束语 

目前,无论是国外还是国内数控机床的质量问题或多或少都存在着,换言之 数控机床的可靠性增长技术还有待进一步的研究,降低数控机床的故障率,在可 靠性摸底和故障分析的基础上进行多方面的有针对性的可靠性改进。在市场竞 争日趋激烈的今天,如何提高可靠性及可靠性的好坏是数控产业的关键所在。