浅谈机床的发展过程及趋势
机械领域的发展日新月异。从普通机床到数控机床,以及为了适应目前的社会现状而又出现的一系列虚拟数控机床,充分展示了这一点。虚拟现实技术应用于机械领域,将使数控机床发展到了一个新的阶段。
一、普通机床
机床是从早期埃及人的脚踏动力车床和约翰·威尔金森的镗床发展而来的。它们用于为工件和刀具两者提供刚性支撑,且可以精确控制二者的相对位置和相对速度。机床用于以切屑的形式,从韧性材料上去除金属,加工特殊几何形状和精密尺寸的部件。
机床可以完成五种基本的金属切削工艺:车削、刨削、钻削、铣削和磨削,其他所有金属切削工艺都是这五种基本工艺的变形。仅有四种使用专用可控几何形状刀具的基本机床,即车床、刨床、钻床、铣床。机床主要完成三种功能:刚性支撑工件或工件夹具以及切削刀具;提供工件与切削刀具之间的相对运动;提供了一定范围的速度和进给,通常每种情况有4—32种选择。
二、数控机床
普通机床只能加工一些形状简单的工件,操作起来费时费力,于是便出现了数控机床。数控机床是数字控制机床的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。当前,数控机床的发展趋势体现在以下方面:
1.高速加工技术发展迅速
应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术,优化机床结构,采用高性能功能部件,移动部件轻量化,减少运动惯性。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间,从而实现加工制造的高质量和高效率。
2.精密加工技术有所突破
通过机床结构优化、制造和装配的精化,数控系和伺服控制的精密化,高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等,提高机床加工的几何精度、运动精度,表面粗糙度。
3.技术集成和技术复合趋势明显
技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一,目前已由机加工复合发展到非机加工复合,进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容,目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床,并呈现出复合机床多样性的创新结构。
4.数字化控制技术进入智能化的新阶段
智能化指工作过程智能化,利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合,对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等随着网络技术的发展,远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。采用智能技术,实现与管理信息融合重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能,大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用,发展成柔性制造单元和智能网络工厂,并进一步向制造系统可重组的方向发展。
5.极端制造扩张新的技术领域
极端制造技术是指极大型、极微、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向,重点研究微纳机电系统的制造技术,超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制;应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制等高新技术;极端制造领域的复合机床的研制等。
三、虚拟现实技术
1.虚拟现实技术的概念
虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉、听觉、和触觉等行为的高度逼真的人机交互技术,是利用人类感知能力和操作能力的新方法。操作者可以在其中自由地运动,随意观察周围的景物,并可与虚拟物体进行交互操作;操作者所看到的是逼真的三维立体景象,听到的是虚拟环境中的音响,手(或脚)可以感受到的是虚拟环境反馈给他的作用力,这是一种“完全的”身临其境的感觉。
2.虚拟现实技术应用于机械领域
随着我国制造业的发展,数控机床在生产中发挥的作用越来越明显。数控技术及数控机床的广泛应用,迫使社会急需大量的数控技术人才。但是,数控机床造价昂贵,一些单位和学校无力引进,变成了制约其培养技术人员的主要因素。为解决这一难题,结合当前的实际情况,将数控技术和计算机虚拟设计软件相结合,开发出了虚拟数控机床。它的最终目的是为虚拟制造建立一个真实的加工环境,在计算机屏幕上实现加工过程的仿真,以增强制造过程的各级决策与控制能力,优化制造过程。
在数控加工仿真方面,国内外的研究过程大体相似,经历了从二维图形仿真、线框模型仿真到三维实体模型仿真的阶段。目前,各高校研究院所纷纷对数控加工仿真作研究性开发,尽管还没有达到商业化水平,但也取得了可喜的成果。
这一系列虚拟现实技术的应用使数控机床的发展及有效利用提升到了一个崭新的阶段同时也使得现代数控机床技术得到了质的飞跃。
(作者单位:河南省鹤壁职业技术学院)