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数控高速镗床开发驶入快速道,伺服、数控系统大有可为

编辑:陕西海晟机械有限公司时间:2019-01-22

  在消费市场对产品品质精益化需求的推动下,近年来国内高端数控高速镗床行业进入到一个高速发展的阶段。数控机床作为装备制造业的“工作母机”,在“中国制造2025”规划中被列为国家重点发展的技术领域之一。


  从新近发布的中国机床工具工业协会的统计数据可以看到,2017年整体中国机床工具市场的需求总量趋稳,需求结构加速升级,已成为机床工具行业的常态,同时分化态势日趋明显,其中功能部件、附件优于主机,成形机床优于金切机床。2017年全年,中国机床工具行业全国规模以上企业完成主营业务收入9922.8亿元,同比增长6.1%;实现利润总额686.3亿元,同比增长21.1%。其中,金属切削机床累计生产64.3万台,同比增长6.8%;金属成形机床累计生产30.6万台,同比增长1.7%;金属切削工具累计生产83.1亿件,同比增长12.3%;铸造机械累计生产237.9万台,产量同比增长8.8%。



  从2018年1-2月进出口数据显示,国内机床工具市场均呈现两位数增长,其中金属加工机床进口同比增长57.84%。通过对统计数据及产品结构的分析,可以得出中国机床工具消费市场呈现“总量趋稳、结构升级”的新特征,未来将呈现温和增长的趋势。中国机床工具工业协会毛予锋副理事长指出,2018年机床市场需求将温和增长,产出持平或小幅增长,机床工具进出口也均会继续增长;近年来,国产机床取得的成绩有目共睹,尤其是在汽车、3C电子制造等领域颇具竞争力,在行业转型升级过程中,中国机床工具要保持原有的优势,持续强化基础应用研究,还要结合智能化、信息化等先进技术,争取实现中国机床工具行业“弯道超车”。


  就市场规模销售前景来看,受益于中国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业的快速发展,对机床市场,尤其是数控机床将产生巨大需求。未来五年,国内数控机床由于技术发展以及下游市场逐渐复苏等原因,将会继续保持10%-12%的增长速度,到2022年,中国数控机床行业的市场规模预计将突破5,000亿元,如图1所示。


  数控机床开发驶入快速道,伺服、数控系统大有可为

  数控机床市场现况及组件部分


  数控机床的分类,总体来讲包含加工中心、金属切削、特种加工、成型加工和其他等。


  加工中心:多轴联动、柔性加工单元;


  金属切削:数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控冲床;


  特种加工:电火花线切割机床、电火花成型机床、火焰切割机床、激光加工机床、高压水切割机床、数控自动焊接设备;


  成型机床:数控压力机、数控剪板机、数控折弯机、数控弯管机、多坐标测量机;


  其他:自动绘图机、工业机器人及专用数控系统。


  目前来看,数控机床行业高端市场主要由欧美日韩等企业所占据,市场上重要的数控机床厂商主要包括DMGMORI、YamazakiMazak、FFG、Jtekt、Okuma、Makino、Doosan、Grob、Haas、GF等;国内的主要市场参与者包括沈阳、大连、济南、秦川等机床厂。


  数控机床的电器部件大致上可包括:数控系统、伺服系统、控制电器、主轴系统、供电系统等几大部分(如图2所示)。


  数控机床开发驶入快速道,伺服、数控系统大有可为


  图2数控机床的电器部件组成


  在数控系系统部分,国产数控系统厂家主要为华中数控、广州数控、大连光洋、沈阳高精和航天数控等;激光数控机床主要有大族激光、金运激光、京华激光等。国内数控系统在高速、高精、五轴加工和智能化等方面仍有明显差距。据统计,2017年在高端数控机床的数控系统方面,国内产品仅占17.6%;而在普及型数控机床的数控系统中,虽然国产化率达到87.5%左右,但国产数控机床当中超出83.2%使用国外数控系统、88.5%使用进口伺服系统/电机。


  在伺服系统方面,目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套,如日本FANUC、三菱电机、安川电机、松下、山洋电机、德国Siemens、力士乐Indramat、Lenze、美国A.B、Kollmorgen、Relliance、Baldor、PacificScientific等;国内伺服厂商则多以提供配套产品为主。


  数控机床之技术链


  数控高速镗床的技术链由六大部分组成,大致上包括数控系统实时核技术、直驱电机加工控制技术、伺服电机加工控制技术、直线传感分辨率技术、角度传感分辨率技术和数控系统现场总线技术等,如图3所示。


  


  图3数控机床技术链六大组成部分


  数控机床就组成而言,主要分为机床主体、传动系统和数控系统三大部分。机床主体是机床的主要组成部分,也是机床的硬件,是机床的重要机械附件部分。传动系统是数控机床的重要“脉络”,主导机床各部分的有序进行及完成机床的工作使命,他包括刀具、传动机械和辅助动力系统。


  数控系统,可以说是数控机床的“灵魂”所在,是机床完成各项功能和作业精髓所在。数控系统基本又包括两大部分:(1)驱动装置,它包括高速主轴、力矩电机、直线电机、普通电机和步进电机;(2)控制及检测装置,包括CNC系统、可编程序控制器、进给伺服控制模块、位置检测模块等。


  作为数控机床的执行机构,伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步,经历了从步进到直流,进而到交流的发展历程。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象,产生机床的切削进给运动。为此,要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度,并能精确地进行位置控制,具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机,进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服四类。


  而在主轴伺服部分,由于数字式交流异步伺服系统加速特性近似直线,时间短,且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度,操作方便,因此是机床主轴驱动采用的主要形式。但与此同时,近年来,随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高,使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统日益增多。此外,数控高速镗床电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物,它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部,电动机的转子即为主轴的旋转部分,由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接,实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此,其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点,并可改善机床的动平衡,避免振动和噪声,目前在超高速切削机床上得到了广泛的应用。