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Fassen Sie die Evolutionsgeschichte, die technischen Eigenschaften und die Entwicklungstrends von CNC-Maschinen zusammen

Fassen Sie die Evolutionsgeschichte, die technischen Eigenschaften und die Entwicklungstrends von CNC-Maschinen zusammenDie Werkzeugmaschine bezieht sich auf die Maschine, die zur Herstellung der Maschine verwendet wird, auch als „Arbeitsmaschine“ oder „Werkzeugmaschine“ bekannt.

Frühe Werkzeugmaschinen erschienen bereits im 15. Jahrhundert. 1774 galt eine vom Briten Wilkinson erfundene Fassbohrmaschine als die erste echte Werkzeugmaschine der Welt. Es löste das Problem der Bearbeitung des Zylinders der Watt-Dampfmaschine.

Im 18. Jahrhundert tauchten verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen auf und entwickelten sich schnell, wie Gewindedrehmaschinen, Portalmaschinen, Horizontalfräsmaschinen, Gang Wälzfräsmaschinen usw., die den Grundstein für die Herstellung von Werkzeugen für die industrielle Revolution und den Aufbau der modernen Industrie legten.

Im Jahr 1952 wurde am Massachusetts Institute of Technology in den Vereinigten Staaten die weltweit erste numerisch gesteuerte (Numerical Control, NC) Werkzeugmaschine auf den Markt gebracht, die den Beginn der Ära der numerischen Werkzeugmaschinensteuerung markierte. Eine CNC-Werkzeugmaschine ist eine Werkzeugmaschine, die mit einer digitalen Steuerung (kurz „numerisches Steuerungssystem“) ausgestattet ist. Das numerische Steuersystem umfasst zwei Teile: eine numerische Steuervorrichtung und eine Servovorrichtung. Die derzeitige numerische Steuerung wird hauptsächlich durch elektronische digitale Computer realisiert, die auch als computergestützte numerische Steuerung (CNC) bekannt sind.

CNC-Werkzeugmaschinen können nach Bearbeitungstechnologie, Bewegungsmodus, Servosteuerungsmodus, Werkzeugmaschinenleistung usw. klassifiziert werden. Traditionell werden CNC-Werkzeugmaschinen in der Regel in zwei Kategorien unterteilt: CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung und CNC-Werkzeugmaschinen für die Metallumformung basierend auf der Eigenschaften des Oberflächenformungsprozesses des bearbeiteten Objekts (Teils).

In den letzten Jahren sind die Materialien der bearbeiteten Teile von CNC-Werkzeugmaschinen aufgrund der zunehmenden Verwendung neuer Materialien in komplexen Produkten (wie Flugzeuge, Automobile, Flugzeugtriebwerke usw.) nicht mehr auf metallische Werkstoffe beschränkt, sondern haben sich ausgeweitet bis hin zu nichtmetallischen Werkstoffen wie Verbundwerkstoffen und keramischen Werkstoffen. Die Verarbeitungstechnik umfasst auch spezielle Verarbeitungsverfahren.

Darüber hinaus lassen sich CNC-Werkzeugmaschinen hinsichtlich Funktion und Leistung in drei Kategorien einteilen: wirtschaftlich, mittelgroß (oder beliebt) und High-End. Derzeit gibt es keine klare und einheitliche Definition von High-End-CNC-Werkzeugmaschinen. Der Autor ist der Meinung: High-End-CNC-Werkzeugmaschinen sind CNC-Werkzeugmaschinen mit leistungsstarken, intelligenten und hochwertigen Eigenschaften und entsprechenden Funktionen und leistungstechnischen Kennziffern. High-End-CNC-Werkzeugmaschinen sind ein typischer Vertreter des technischen Niveaus der CNC-Werkzeugmaschinenindustrie und der Wettbewerbsfähigkeit des Gerätebaus.

Die Evolutionsgeschichte der CNC-Maschine 

Als „Arbeitermaschine“ wurde die Werkzeugmaschine von der Entwicklung der Industrialisierung im gesamten Prozess begleitet. Nach der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert entwickelten sich Werkzeugmaschinen mit der Entwicklung verschiedener Industrieepochen und zeigten die technischen Merkmale jeder Epoche. Wie in Abbildung 1 dargestellt, haben sich die Werkzeugmaschinen entsprechend der Ära von Industrie 1.0 zu Industrie 4.0 von mechanischem Antrieb/manueller Bedienung (Werkzeugmaschine 1.0), elektrischem Antrieb/digitaler Steuerung (Werkzeugmaschine 2.0) zu computergesteuerter digitaler Steuerung (Werkzeugmaschine) entwickelt 3.0) und bewegen sich in Richtung Cyber ​​Die Evolution und Entwicklung von Cyber-Physical Machine/Cloud-Lösung (Werkzeugmaschine 4.0).

Der Entwicklungsprozess von CNC-Werkzeugmaschinen hat mehrere wichtige Wendepunkte erfahren.

1952 wurde am Massachusetts Institute of Technology in den USA die weltweit erste CNC-Werkzeugmaschine erfolgreich entwickelt. Dies war ein revolutionärer Sprung in der Fertigungstechnologie. Die CNC-Werkzeugmaschine verwendet digitale Programmierung, Programmausführung, Servosteuerung und andere Technologien, um die automatische Steuerung der Bahnbewegung und des Betriebs der Werkzeugmaschine durch das gemäß dem Teilemuster zusammengestellte digitale Verarbeitungsprogramm zu realisieren. Seitdem hat die NC-Technologie die Entwicklung von Werkzeugmaschinen und Elektronik, Computern, Steuerung, Informations- und anderen Technologien ermöglicht. Untrennbar. Um das automatische Problem der NC-Programmierung zu lösen, wurden automatische Programmierwerkzeuge (APT) und Methoden, die Computer anstelle von manuellen verwenden, zu Schlüsseltechnologien, und auch die Computer Aided Design/Manufacturing (CAD/CAM)-Technologie wurde schnell entwickelt und popularisiert. Man kann sagen, dass die Digitalisierung der Fertigung mit der Geburtsstunde der CNC-Werkzeugmaschinen und ihrer zentralen digitalen Steuerungstechnologie begann.

Gerade wegen der verschiedenen Hauptmerkmale von CNC-Werkzeugmaschinen und CNC-Technik am Anfang ihrer Geburt – digitale Steuerungsideen und -methoden, „weiche (Stücke)-harte (Stücke)“-Kombination, „Maschine (mechanisch)-elektrisch ( sub)- Steuerung (Steuerung)-Information (Information) „multidisziplinär übergreifend, so dass der spätere große Fortschritt der CNC-Werkzeugmaschinen und der CNC-Technologie in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der Elektronik- und Informationstechnologie steht (Abbildung 2).

Das früheste numerische Steuergerät verwendete elektronische Vakuumröhren, um eine Recheneinheit zu bilden. Der Transistor wurde Ende der 1940er Jahre erfunden und integrierte Schaltungen wurden Ende der 1950er Jahre eingeführt. In den frühen 1960er Jahren erschienen elektronische Digitalcomputer, die integrierte Schaltkreise und großformatige integrierte Schaltkreise verwenden. Der Durchbruch in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung und Zuverlässigkeit brachte den ersten Wendepunkt für die Entwicklung der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie – von der auf diskreten Komponenten basierenden digitalen Steuerung (NC) zur computergestützten digitalen Steuerung (CNC) begannen auch CNC-Werkzeugmaschinen in die tatsächliche industrielle Produktion einzutreten Anwendungen.

Die Entwicklung des PCs hat einen zweiten Wendepunkt in die CNC-Werkzeugmaschinentechnologie gebracht. In den 1980er Jahren führte IBM einen Personal Computer (PC) mit einem 16-Bit-Mikroprozessor ein, der in der Vergangenheit die Entwicklung numerischer Steuergeräte (einschließlich Hard- und Software) durch Spezialhersteller ermöglichte und sich in Richtung allgemeiner PC-basierter Computernumerik bewegte Steuerung. Gleichzeitig ist auch ein CNC-System mit offener Architektur entstanden, um die Entwicklung der Numerischen Steuerungstechnik auf eine höhere Stufe der Digitalisierung und Vernetzung voranzutreiben. Auf dieser Grundlage wurden neue Technologien wie Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinen mit virtuellen Achsen und Werkzeugmaschinen für die Verbundbearbeitung schnell iteriert und zusammengeführt. Anwendung.

Seit dem 21. Jahrhundert zeichnet sich der dritte Wendepunkt der CNC-Werkzeugmaschinen ab. Auch die intelligente numerische Steuerungstechnik hat begonnen zu sprießen. Mit der Entwicklung einer neuen Generation von Informationstechnologie und einer neuen Generation von Technologien für künstliche Intelligenz werden neue Technologien wie Intelligent Sensing, Internet of Things, Big Data, Digital Twins, Cyber-Physical Systems, Cloud Computing und künstliche Intelligenz usw integriert mit CNC-Technologie wird die CNC-Technologie einen neuen Wendepunkt oder sogar einen neuen Sprung in Richtung einer neuen Generation intelligenter CNC einleiten, die Cyber-Physik integriert.

Dabei wurden die Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen kontinuierlich verbessert. Der kontinuierliche Fortschritt und die Anwendung fortschrittlicher Fertigungstechnologien haben die Verarbeitungszeit erheblich verkürzt und die Verarbeitungseffizienz verbessert. Abbildung 7a ist eine viel zitierte Grafik, die die Entwicklung fortschrittlicher Fertigungstechnologien und den Fortschritt der Verarbeitungszeit (Effizienz) zeigt. Aus der Perspektive der Entwicklungstendenzen wurde einerseits von 1960 bis 2020 die Gesamtbearbeitungszeit (inklusive Schnittzeit, Nebenzeit und Vorbereitungszeit) in der Fertigungsfertigung auf 16% der ursprünglichen Bearbeitungszeit reduziert, d.h. die Verarbeitungseffizienz wurde deutlich verbessert; andererseits werden die Anteile von „Schnittzeit, Nebenzeit und Vorbereitungszeit“ nach und nach gleich. 

Um die Prozesseffizienz in Zukunft zu verbessern, muss daher nicht nur die Optimierung und Verbesserung der Prozessmethoden im Fokus stehen und der Automatisierungsgrad erhöht werden, sondern auch die Produktion. Die digitalen, vernetzten und intelligenten Perspektiven des Managements verkürzen die Wartezeit effektiv. Abbildung 7b ist die Vorhersage der Bearbeitungsgenauigkeit, die von Taniguchi in den 1980er Jahren mit verschiedenen Werkzeugmaschinen erreicht werden kann (die gestrichelte Linie der Genauigkeitsverbesserung von 2000 bis 2020 in der Abbildung wurde vom Autor hinzugefügt). Es ist ersichtlich, dass verschiedene Bearbeitungen Die Entwicklung von Prozessverfahren und Werkzeugmaschinen-(oder Ausrüstungs-)Technologie hat eine kontinuierliche Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit gebracht, aber das Gebiet der mechanischen Bearbeitung unterscheidet sich vom Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen. Die Verbesserung der Genauigkeit wurde in 24 Monaten verdoppelt und ist eine langfristige Technologieakkumulation und ein kontinuierlicher Iterationsprozess (zum Beispiel: Präzisionsbearbeitung hat sich seit mehr als 20 Jahren um eine Größenordnung an Genauigkeit erhöht).

Der Entwicklungstrend der CNC-Werkzeugmaschinentechnik

Im Hinblick auf die wichtigsten zukünftigen Entwicklungstrends sieht der Autor in der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie einen Entwicklungstrend von hoher Leistung, Multifunktionalität, Individualisierung, Intelligenz und Grün, nämlich:

  • (1) Hohe Leistung. Im Entwicklungsprozess von CNC-Werkzeugmaschinen streben wir nach höherer Bearbeitungsgenauigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Produktionseffizienz und Zuverlässigkeit. CNC-Werkzeugmaschinen werden in Zukunft durch weiter optimierte Maschinenstruktur, fortschrittliche Steuerungssysteme und effiziente mathematische Algorithmen eine schnelle und hochpräzise Direktinterpolation komplexer Kurven und Flächen und eine Servosteuerung mit hoher Dynamik erreichen; durch digitale virtuelle Simulation, optimiertes statisches dynamisches Steifigkeitsdesign, thermische Stabilitätskontrolle, dynamische Onlinekompensation und andere Technologien verbessern die Zuverlässigkeit und Genauigkeitserhaltung erheblich.
  • (2) Multifunktional. Von der Kombination unterschiedlicher Zerspanverfahren (wie Drehen und Fräsen, Fräsen) über die Kombination verschiedener Umformverfahren (wie die Kombination oder Mischung von Umformverfahren wie additive Fertigung, subtraktive Fertigung und Isomaterialfertigung), CNC-Werkzeugmaschinen und Roboter „Maschine-Maschine“ Entwicklung in Richtung Integration und Kollaboration; von der traditionellen seriellen Prozesskette „CAD-CAM-CNC“ zur einstufigen Bearbeitungsrichtung „CAD+CAM+CNC-Integration“ auf Basis von 3D-Volumenmodellen; von der Vernetzung der „Maschine-Maschine“-Vernetzung bis hin zur Entwicklung der Big-Data-Verarbeitung unterstützt durch die „Mensch-Maschine-Ding“-Vernetzung und Edge/Cloud Computing.
  • (3) Anpassung. Je nach Benutzerbedarf maßgeschneiderte Entwicklung in der Werkzeugmaschinenstruktur, Systemkonfiguration, professionellen Programmierung, Schneidwerkzeuge, Messung an der Maschine usw. Technologien wie modulares Design, rekonfigurierbare Konfiguration, vernetzte Zusammenarbeit, softwaredefinierte Fertigung und mobile Fertigung bieten technische Unterstützung bei der Realisierung von Anpassungen.
  • (4) Intelligent. Über Sensoren und Standard-Kommunikationsschnittstellen werden der Status der Werkzeugmaschine sowie Verarbeitungsprozesssignale und -daten erfasst und erfasst. Der Verarbeitungsprozess wird durch Transformationsverarbeitung, Modellanalyse und Data Mining erlernt und Informationen und Anweisungen zur optimalen Entscheidungsfindung werden gebildet. Die Überwachung, Prognose und Steuerung des Verarbeitungsprozesses erfüllen die Anforderungen einer qualitativ hochwertigen, hocheffizienten, flexiblen und adaptiven Verarbeitung. „Wahrnehmung, Vernetzung, Lernen, Entscheidungsfindung und Selbstanpassung“ werden zu den wichtigsten Funktionsmerkmalen von CNC-Werkzeugmaschinen. Die Verarbeitung von Big Data, Industrial IoT, Digital Twins, Edge Computing/Cloud Computing, Deep Learning etc. wird die Entwicklung und den Fortschritt der Technologie der Zukunft stark fördern.
  • (5) Begrünung. Mit umweltfreundlichem Design, Leichtbauweise, energiesparender und umweltfreundlicher Herstellung, optimiertem Energieeffizienzmanagement, sauberer Schneidtechnologie, angenehmer Mensch-Maschine-Schnittstelle und grünen Dienstleistungen für den Produktlebenszyklus wird die Technologie den Anforderungen einer zukünftigen nachhaltigen Entwicklung gerecht.

Zerspanende Werkzeugmaschinen sind verschiedene Verfahren (wie Drehen, Fräsen, Bohren, Bohren, Schleifen etc.), die mit Werkzeugen oder Schleifmitteln durch mechanische Energie auf das Werkstück einwirken. Die wesentlichen Probleme lassen sich auf zwei Punkte zurückführen. Eine davon ist die Verwendung von Welche Energie entfernt Material? Zweitens, wie kann der Energieverbrauch kontrolliert werden? Wie am Anfang dieses Artikels erwähnt, verwendet die Werkzeugmaschine 1.0 Dampfkraft, um der Werkzeugmaschine mechanische Energie direkt zur Verfügung zu stellen, um verschiedene Schneidprozesse zu realisieren. Die Steuermethode ist die manuelle Steuerung; Werkzeugmaschine 2.0 wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Antrieb von Werkzeugmaschinen und das Aufkommen digital gesteuerter Werkzeugmaschinen. Die Kontrollmethode ist die automatische Kontrolle; Machine Tool 3.0 ist eine computergesteuerte Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung, die durch Computer- und Informationstechnologie entwickelt wurde. Es verändert die Steuerungsmethode der Werkzeugmaschine und die Methode der Produktionsorganisation, um sie digital und vernetzt zu machen. .

Mit Blick auf die Zukunft wird die Werkzeugmaschine 4.0 vor neuen revolutionären Veränderungen stehen. Der erste ist, dass sich die direkt im Materialabtragsprozess verwendete Energie von mechanischer Energie zu mechanischer Energie, elektrischer Energie, Lichtenergie, chemischer Energie und anderen Energiefeldern und deren Kombinationen ändert. Die zweite ist die Kontrollmethode des Energieverbrauchs. Einerseits ist die intelligente Steuerung das wichtigste Merkmal und der Trend der jüngsten Entwicklung von Werkzeugmaschinen in der Zukunft. Es macht Werkzeugmaschinen höher (Präzision), schneller (Effizienz), stärker (Funktion) und wirtschaftlicher (grün). ); Auf der anderen Seite definieren die kommenden Quantencomputer und Quantencomputer, ebenso wie elektronische Computer einen revolutionären Sprung in die CNC-Werkzeugmaschinen gebracht haben, eine Generation von CNC-Werkzeugmaschinen neu und bringen neue Prinzipien und Konzepte von CNC-Werkzeugmaschinen und Produktionsprozessen hervor.

Als Arbeitsmaschine liefern Werkzeugmaschinen seit vielen Jahren Fertigungswerkzeuge und -verfahren für die industrielle Revolution und die moderne industrielle Entwicklung; Die zukünftige industrielle Entwicklung und der Fortschritt der menschlichen Zivilisation sind noch immer untrennbar mit der Unterstützung und Förderung von CNC-Werkzeugmaschinen verbunden. Mit Blick auf die Zukunft bringt eine neue Runde der industriellen Revolution neue Herausforderungen und Chancen für die Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen. Die Integration fortschrittlicher Fertigungstechnologie mit einer neuen Generation von Informationstechnologie und einer neuen Generation von künstlicher Intelligenz wird auch technologische Innovationen, Produkt-Upgrades und industrielle Upgrades für CNC-Werkzeugmaschinen bringen. Mit technischer Unterstützung werden sich CNC-Werkzeugmaschinen in Richtung Hochleistungs-, Multifunktions-, Anpassungs-, Intelligenz- und Ökologisierung bewegen und die neue Quantencomputertechnologie der Zukunft annehmen und stärker, bequemer und bequemer für die neue industrielle Revolution und der Fortschritt der menschlichen Zivilisation. Effektive Fertigungswerkzeuge.

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