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制造业离不开工作母机

发布:2019-09-12 点击:2790

制造业离不开工作母机        

           ------CIMT2019加工中心评述                        

本刊特约撰稿 徐正平

CIMT2019第十六届中国国际机床展览会,于2019415-20日在中国国际展览中心举行。展出面积14.2万平米,来自全球28个国家和地区的1700多家展商携10000多台套机床工具产品参加了这次盛会,其中观众累计居然达到139079人次,同比增长2.5%由于中国是当今世界制造业发展的引擎,因此CIMT2019当之无愧成为全球关注的焦点之一。同时也再次说明,制造业的发展离不开不作母机,强国强军都需要它。

就展品而言,这次加工中心类机床共展出150台,(其中立式104台、卧式28台、龙门18台、复合30台、五轴联动34台 )。

一、 展会卅年,弹指一挥间

由尊敬的老会长梁训塇力主创办的CIMT中国国际机床展览会,迄今风风雨雨己整整走过30个年头,本人也有幸目暏了这全过程。记得1989年的第一届,是在上海展览中心举行的,当时上海市市长朱镕基还在开幕式上致了词。

最初的几届,不仅展会规模小,数控展品也显得寥寥,大型数控龙门铣偶而台湾有那么一、二台,而国产的加工中心,连卧加亦是罕物。如今国产龙门加工中心比比皆是,民企搞五轴联动亦可谓小菜一碟。济南二机床集团有限公司的定梁龙门镗铣加工中心XHS2425×50,具有铣削、镗削、钻削、刚性攻丝、锪孔等功能,用于汽车、模具、能源、轨道交通、航空航天、兵器、船舶等行业的大、中型零件加工。武汉重型机床集团有限公司的工作台移动双柱立式铣车加工中心VTM5925X20/16,配有车铣复合刀架,适用于冶矿、能源、电力、船舶、交通等行业大型特大型回转体类零件的粗精加工。北一机这次展出的XKM2040数控五轴龙门镗铣床,是在吸收德国科堡先进技术的基础上,自主再开发的新产品,大家看它这个1500Nm的大扭矩两联动主轴箱设计得就比较灵小轻巧,而光栅全闭馈控制使得机床的定位精度及重复精度都比较高。(图1

数控机床的关键核心在于控制,这个软肋我国也正在克服,武汉华中数控详细介绍了新一代人工智能数控系统和智能机床的探索与实践,并隆重推出了搭载AI芯片的华中数控新一代人工智能数控系统─华中9型工业样机,这是集“感知与互联”、“学习与建模”、“优化与决策”、“控制与执行”四大智能特点于一身,展示一批应用了新一代人工智能技术的智能应用APP和智能化功能。新系统得到了业内专家、用户以及广大观众的认同与好评,称得上是我国数控领域显露的春天曙光。(图2

    自改革开放以来,我国机床的发展有目共睹,进入世界笫一方阵亦毋庸置疑,但领跑者暂时尚非我属,故而任重道远,同仁们还得卧薪尝胆继续苦干。

二、 风云变幻、拭目谁主沉浮

自新世纪开始,中国机床工业有了超高速的发展,金属加工机床的消费量前10年居然增长了12倍,但2011年开始就出现拐点向下滑行,到2017年又有反弹迹象,可是从去年下半年起,随着中美贸易战的开打,机床制造业的形势又有逆转。

世上之万物,变化是绝对的,发展也是硬道理,大浪淘沙老天也帮不了忙。辉煌了一个世纪的上海机床工业,现在已经淡出江湖;而曾名列世界机床前矛的沈阳、大连机床,居然这次连CIMT2019都没有参加…人间沧桑、世态炎凉,优胜劣汰就是历史发展的规律。

美国打响贸易战,对中国确实有影响,否认也不现实。目前的局面可以看作是洗牌的过程,我们只是期待中国新一轮的机床崛起早日到来。

换个角度来看,既然机床的形势严峻,那么为什么CIMTCCMT的展台摊位每届总是奇货可居?无论国际、国内展商均遇到这个问题。这说明机床工具有市场呀,根本原委还是机床制造业是国家的命脉,强国强军离不开它。再从展览效果而言,确实许多参展单位收益颇多,如山东威达、苏州上金、台州屹捷等等这次均有非常可观的意向订单入账,台州美日这次展会订单居然突破了3000台。

E3-W112展台就是名不见经传的台州美日(图3),这是一家生产磨刀机为主导产品的民营企业,他们瞄准了大量刀具与钻头需要修磨,下苦功研发创新装备,至今已申请专利69项,其中发明专利3项(包括手动与自动),并敢于迈入国际市场。该公司2018年产品销售国内市场占有率达到70%以上,产品销往全球63个国家及地区,其中80%出口到欧美、日本等发达国家。在欧洲、日本、韩国、俄罗斯、东南亚等地,这些产品在当地的市场占有率均高达50%以上,故民企威力绝对不容小觑。

致力发展机床的有志者还真不少,网上最近疯传的是格力电器造机床,这倒是个很实在的案例,他们可不是随便玩玩的,而是有计划、有谋略地进行实践。但造好机床要靠积累,一蹴而就也不现实。我当然没有资格说三道四,但可以披露一件小事以供参考。格力发展加工中心需要高精度回转工作台,他们在选型时显得格外认真。当他们得知武汉智德立精机自主研发成功了拥有多项专利的高精密回转工作台后,就派两名技术人员实地考察了一周,并详细写成文本回来汇报(图4)。 

智德立Wg系列回转工作台,采用了国际首创的新型凸轮传动机构与正反向螺旋预紧机构相结合的形式,利用轨道共轭原理,完全由机械传动保证连续分度精度,无需数控补偿及光栅反馈。这种结构传动力强而且平稳、背隙为零,在军工、汽车等行业己有良好业绩。格力这种认真态度犹如当年日本测绘瑞士样机时的情景,甚至一个螺钉也要写上几页分析报告。制造企业为自己造装备,乃天经地义之事,我们理应企盼格力能够获得圆满成功。

三、 精品荟萃,观众留连忘返

机床重大发明是很难实现的,但革新与改进随时都有产生。我这次参观,纯属走马观花,更目不暇接,点评挂一漏万,尚需大家完善与补充。

日本牧野MAKINO,这次展出了新一代五轴加工中心V80S,这是基于V系列3轴立加基础上发展而成的。新研发的主轴与倾斜轴及旋转轴单元的轴进给动作变得更加敏捷与顺畅,使零件加工表面更为优秀,特别适合1-1.5m大小的模具加工。

机床主要创新点在于:紧凑设计的A/C轴采用DD直驱式高性能马达,其最小分度达0.0001°。A轴 ±30°足以满足大部分斜孔加工的角度要求,C轴 ±60°设计采用倾斜高刚性结构,可使反转动作产生的冲击减轻,故5轴联动加工更为平滑顺畅。机床主传动功率为11/22kW,高速主轴 HSK-A63的转速20,000min-1。尤其擅长在±30°的圆锥范围内作高精度任意联动加工。

    机床立柱采用斜式鞍座设计,在维持刚性的同时力求轻量化。配合C轴倾斜结构,让主轴悬长降至最小限度。紧凑主轴和轻量化鞍座,实现了加工的高速进给。为了增加机床刚性,筋板采用双重斜支撑结构;机床的后墙板,也增加了壁厚,旨在防止立柱扭曲及横梁倾斜。

V80S还具有刀具长度控制功能,通过紧凑斜支撑的主轴,可以选择更短的刀具加工,这样既提高进给速度,更提高了加工表面质量。(图5

瑞士staraag集团的一台H50卧式加工中心也很吸引观众,其改进的特点就是紧凑设计,将机床空间的利用率提高了30%。具体措施是将刀库的宽度变窄,并尽量缩短刀库与Y轴中心线之间的距离;交换托盘的底座席体积也尽量减少,机床床身采用T型结构,因此既可作为单机使用,更可配合托盘系统和机器人上下料装置集成为柔性制造系统。(图6

当今,复合材料的应用越来越多,尤其是航天航空等领域。德国兹默曼ZIMMERMANN公司的龙门加工中心,他们采取的措施值得一提。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              兹默曼认为,目前复材的加工主要分两种,即干式加工和湿式加工。干式加工需要考虑粉尘的吸收和过滤,对机床作防尘保护。湿式加工主要考虑粉尘落入冷却液中成泥状后的过滤。鉴此,他们采取了如下措施。

一是防尘,机床加工时产生出来的粉尘容易进入到机床导轨,光栅尺,电气柜等地方,会引起腐蚀,磨损,导电,静电等负面影响。所以在导轨,光栅尺护罩下面需要增加压缩空气进行防尘,电气柜内也需要增加压缩空气进行防尘。

二是吸尘,将机床加工区域划分成一个全封闭区域,没有过滤之前的加工区域空气不允许排放到车间或车间外部,因为粉尘对人体有伤害。工作区域需要配置吸尘系统,而后将吸入的带粉尘空气进行过滤,达到排放标准后将空气排到普通大气环境

三是选择刀具,由于切削复合材料的刀具与切削金属材料不同,所以需要刀刃足够锋利,容屑尽可能大,最好刀具带气体内冷。

四是冷却,加工刀具和加工过程的冷却,干式切削主要采用气冷,分内冷和外冷。内冷的刀具内气孔需要特殊调整,以便于吸尘。通常会在主轴附近增加一套主轴头吸尘罩,其位置数控可调。

五是滤筛,因为在湿式切削中,由于粉尘落入冷却液中后,漂浮在水面,而且颗粒非常小,很难用传统的离心方式、过滤网方式过滤。因此兹默曼就研发了一套带自清洁功能的精细过滤筛装置,过滤效果佳,且稳定可靠。(图7

在增材制造的初始阶段,模具制造行业响应并不积极,因为零件的材质、强度、表面粗糙度等众多问题均没有解决,而如今这种局面则大有改观。瑞士GF公司是著名模具加工机床的全覆盖公司,这次他们在展会及论坛上隆重推出了一款DMP Flex 350 激光增材制造机床。GF增材加工能达成含氧量极低的环境(20ppm),并能在整个打印过程中稳定保持这个状态(低氧环境)。3R集成卡盘系统是他们的独有特色,并且具备自动过滤及筛粉功能。这台设备可从搭建平台的两侧送入新鲜粉末,以实现更快速的打印;过滤系统可以满足连续工作2000个小时(或大约三个月),而且过滤系统的更换简便快速、处理方式既干净又安全,总之打印效率更快、打印质量更高。该机床使用的软件3DXpert,可集合多种软件功能于一身,包含其他软件所不具备的很多功能,因而能在一个单独的软件系统中完成多项任务。(图8

同祥,DMG MORI公司的第二代由全部工艺参数智能控制的OPTOMET软件支持的,LASERTEC30 SLM 粉床式增材制造机床也是展会的一大亮点,这证明从事模具加工机床的制造商们,对开发增材制造机床的兴趣已越来越浓。

加工汽车涡旋压缩机的动盘与静盘,我们多年以来一直依赖进口机床解决问题,苏州上金数控科技有限公司而今靠自主开发解决这个难题,可谓是一大技术进步,且用户也相当满意。(图9

由于这个铝合金零件的渐开线轨跡精度要求较高,因此苏州上金公司的涡旋立式加工中心采取了一系列措施才得以完成的。如扩大床身的底平面面积,似虎爪那样紧固在地基上;立柱的筋板由中心园起作径向均佈,以增强刚性;同时机床的铸件采用球墨铸铁材料等等,采用这些手段可以增强机床的抗震性。该机床的主轴箱设有内冷却装置,这种特殊设计使得加工时的主轴温升较小;工件由气动夹具六爪紧固,以防震颤所引起的零件变形;自行开发的加工软件,使加工时的刀具切削点始终保持恒定。经ZEISS公司对20个加工零件检测,涡旋盘的轮廓精度为≦0.01mm,涡旋盘疷面平面度≦0.005mm。(图10

四、智能控制的新发展

至于机床的控制部分,各国制造商们目前都在“网络”与“智能”这两个关键词上下功夫,当然也是展会的关注热点之一。

华中9型首次在数控系统中嵌入AI芯片;在机床指令域大数据分析中融入新一代人工智能算法;“智能+数控”助力数控机床实现智能赋能与智能增强等等,这些创新均在加工过程中显示出了智能思维的力量。 

从“互联网+”到“智能+”,从“连接”到“赋能”,华中9型(iNC),确实称得上是一款融合新一代人工智能的中国“智”脑。当新一代人工智能技术与数控机床融合后,便形成新一代智能机床(Intelligent Machine ToolsiMT),它必将为数控机床产业带来新的变革,成为中国机床行业转型升级的攻坚利器。

再分析一下华中9型的技术特点,由于它是搭载AI芯片的智能数控系统,因此毫秒级实时预测与推理使得它变得更精;采用了支持客制化人工智能应用App运行与开发的开放平台,使得系统变得更开放;而动态响应仿真功能及动力学建模以及大数据复现关联,使得系统的控制能力变得更强。

德国海德汉展出了其最新一代TNC640/TNC 620数控系统,主要用于高速和五轴铣削或铣车复合加工中心。系统硬件方面推出了最新触屏技术和ETEL高速力矩电机。系统软件方面展出动态高效和动态高精两组自适应控制功能,可以显著提高机床加工效率和加工精度。在智能预测性维护方面,海德汉展示了最新Component Monitoring功能,可以实现主要功能部件(譬如主轴)使用监控并实现预测性维护。在展会现场,海德汉通过机床演示了五轴加工的基本功能、自适应控制功能(AFC)以及实时动态防撞功能(DCM)。为了满足智能制造需求,海德汉通过StateMonitor软件为广大客户提供了实现车间数据透明化的技术方案,该软件支持OPC-UAMTConnectModbus接口,可以连接不同数控系统。同时,海德汉也展出实现无纸化办公和无人值守方面的简单易用的系统功能。

世界顶级机床制造商们,也始终重视网络与智能制造。DMG MORI是机床制造领域数字化的先行者,他们一直坚持认为数字化是未来重要战略领域。DMG MORI这次在展会上推出了以综合性数字化为目标的迈向工业4.0时代的转型之路,很受观众们的关注。数字化转型的核心是基于APP应用程序的控制和操作系统CELOSCELOS为生产计划、独有的技术循环、power tools提供全新的软件解决方案。DMG MORI技术循环简化加工程序的编程并优化整个生产工艺。借助了这些循环,即使复杂的加工步骤也变得简单,可直接在机床上进行对话式编程,只要在编程时输入参数即可完成。这种编程方式具有直观、互动性好和用户友好等特点,明显缩短了生产时间。DMG MORI凭借丰富和专业的应用知识,不断开发特有的技术循环,现在已开发出30款这类技术循环。

 

本次展会马扎克MAZAK为大家开启了一扇“未来之门”, 共同探索如何为未来加工提供新的解决方案。他们重点推出的Mazak iCONNECTTM,向客户提供远程服务、加工支援、维护保养、教育培训等综合服务,为机床的全生命周期提供及时支持和保障,并帮助客户提升生产效率。(图11

 

马扎克的Mazak iCONNECT是运用最新的 IoT 技术,采用了智能云平台——Mazak SMART Cloud,该平台是与业界领先的 Cisco 思科系统合作开发,基于最新的安全解决方案,客户、机床以及制造商三者可以安全、可靠地通过云连接起来。
    Mazak SMART Cloud 云平台,开设有服务门户网站——Web Service,客户可通过加入会员的方式,访问该网站。网站上提供客户所需要的马扎克机床的各种服务信息,还有软件产品的下载中心、维护保养的视频指导文件、以及可与马扎克技术中心进行实时信息交互的 MAZA CHAT页面等,客户可使用电脑、平板电脑、手机等多种终端进行访问。
    另外,还可以利用 Mazak iCONNECT BOX,将机床连接到 Mazak SMART Cloud 云平台上,机床接入云平台后,客户可通过门户网站了解自己机床的运行状况,同时还可设置定期的 CNC 系统数据自动云备份,以备不测之需。另外,当然还可以设置加工结束、刀具寿命到期、机床报警等提醒通知,这些通知信息会以邮件方式,发到客户指定的电脑、平板电脑、手机等终端里。马扎克技术中心可对客户处机床进行远程故障诊断和加工技术支持,快速处理机床故障,从而提高工作效率。

五、利剑双刃,值得关注的5G技术

简称为5G的第五代移动通信技术,是中美在科技领域较量的重要切入点,亦即是中美全面较量在科技领域的反映,这不仅是一种标准,也可以理解成是技术体系。因此值得我们关注。

5G技术不仅与人们日常生活有密切关联,同时在在工业/装备制造业的应用前景也十分广阔。5移动通信技术可为智能工厂提供高速率、短延时、超可靠性、百亿设备的连接能力和超高移动性等应用场景的服务,使得生产制造设备向无线化方向发展,满足工业环境下设备互联、远程交互、大数据等应用需求,在物联网、物流追踪、工业 AR/VR、远程运维等业务领域将发挥更大作用。

然而我们都懂,尽管中国5G技术在某些方面成绩卓著,走在世界前列,但受到压制却十分严厉,所以我们也只能奋发图强、加倍努力,致使在5G6G领域继续扬威。

对我们机床制造业而言,它可谓一把双刃剑,我们既可以为5G3C领域提供通用或专用的工艺装备,反之5G技术应用在机床领域,更推动工作母机的升级换代。

今年3月30日,上海市拨通中国首个5G网手机电话,上海虹口区成为“全球双千兆第一区” ,而且计划年内将在上海建成超过10000个5G机站,故而这领域给机床市场提供了无限商机。我们可以为宏基站及微机站提供品质优秀的数控车削、铣削、磨削以及金属成型、激光加工等各类机床。其实很多有识之士早就起步行动了,譬如江苏厚道数控科技有限公司,他们把目光瞄准5G主设备及光模块 线与频 ;车联网及工业物联网;智慧医疗等等,在原有加工3C 产品的基础上及时研制成功了 T 系列钻攻中心。将机床行程变大、使加工效率更高,机床稳定性及精度更好,以更贴近 5G 通讯行业升级换代的需求。升级后的 T系列钻攻中心,在大批量加工5G基站上的滤波器、合路器、基板等铅材零件时效果良好,故市场需求火爆。(图12

反之,5G在机床的工业自动化领域也正在大力研发,并且已经实践应用。沈机(上海)智能系统研发设计有限公司开发的i5Blocks产品系列就是一套可以通过多种功能的模块,如机床模块、机器人模块、激光机模块、中央总控模块等,自动生成柔性制造系统,其中各个模块之间的控制信号也能实时交互。

机床之间上下工序需要控制信号交换,机床与机器人之间控制信号需要实时交互,并且各个模块都需要与总控端进行控制信号的实时传输,整个物理系统需要实时与虚拟仿真系统保持同步。另外整条柔性线还要求能够快速重构实现换产,项目极具挑战。i5Blocks的最初方案是采用硬件I/O的连接方式,接线复杂,控制信号配置困难,模块切换及柔性线变更也很麻烦,故急需寻找一种解决现场控制信号传输的无线解决方案。最终i5Blocks选择使用5G无线网络技术替代传统的有线及无线网络技术,搭建出一条由9台机床模块、2个机器人模块和1个中央总控模块的动态产线(图13),成功实现了设备间控制信号交换所需的功能和技术指标。以5G NR(New Radio)统一空中接口为基础的5G网络,保证了虚拟现实的同步性,设备连接的稳定性、实时性,以及生产数据上传云端的及时性。单元之间交互获取其他设备的数据,延迟小于20毫秒。

作为国内领先的设备物联网与MES制造执行系统供应商,北京兰光创新科技有限公司在机床联网与数据采集方面耕耘十多年,一直走在行业前列。目前该公司也紧密跟踪与应用5G等新技术发展,充分利用5G高速率、大容量、低延时等技术优势,为更多的客户进行实时、高效、准确的数据采集,通过设备OEE等指标对设备进行量化、可视化管理,让企业轻松定位影响生产效率的瓶颈因素并进行快速改进,使生产过程受控,确保产品质量的一致性与稳定性,帮助企业达到提质增效之目的。

E5-B401展台是上海楚重科技,乃提供质量管理的综合方案软件服务商,基于TQS 系统的框架可以快速高效的实现数据采集和数据管理,以多种专业的采集方案针对不同的生产环境、生产设备、测量检具提供专业的数据采集方案,除了支持有线和无线乃至5G传输方案,对广泛使用RS232RS485、气动、并行接口等,TQS系统也同样兼容。

随着测量、测试技术的日新月异, 100%的线内全检辅以线边及精侧室的符合性抽检成为自动化生产线标准方案,TQS系统利用逐步成熟5G技术将这些线内、线边及线外的测量&测试数据实时传输到云端大数据分析引擎,及时地利用相关性、数据挖掘等高级工具将加工设备的工艺数据与测量&测试数据进行深度分析&挖掘并及时反馈回生产现场,从而实现对传统的基于单件评判及调整的过程模式重大改进。

中国70年的腾飞举世瞩目,我们需要和平环境继续发展,但树欲静而风不止,长之久安凭借国力强盛,而国之利器离不开工作母机,所以同仁们更应加倍努力,早日圆上我们的中国机床梦。

                           

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