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工业机械手数字化控制系统国内外发展现状

发布日期:2020-04-17


        数字化控制装备对高新技术产业是最基本的使能装备 ;改革开放以来,数字化控制技术水平得到了迅速的提高,促进装备工业的快速发展,同时也提高了装备工业的技术水平。在企业里数控机床和工业机械手己很普遍,表明当今是机电一 体数字化控制时代 ,以数字化控制的工业机械手已经进入三高时期 ,工作速度高 、效率高、精度高等特点 ;普通机械装备与 现代化数控机械装 备在技术上有很大的差距 , 现代化数控机械装备具有柔性化、自 动化 、集成化等 特点 , 搭建各种先进的控制系统 ,实现了自动化生产 , 提髙了生产效率和产品质 量,同 时降低了劳动成本 ,给企业带来了巨大 的经济效益;数控技术的快速发展对于机械加工 、自动化生产线控制等方面具有很重要的意义在国内大型国企和外企工业机械手的使用比较普遍,特别 是在工位危 险 、环 境差 、劳动 强度大等特殊工位上 ,提 高了工作效率和质量 ,同时节约了劳动成本 。在国内特别是中小企业机械设备的数控化率比较低 ,大多还是使用传统的普通机床和工人手动操作,淘汰普通机床全面换成数控机床和机械手对企业是个很大的挑战,需要太多资金;所以使用数字化控制技术对机床和自动化设备改造都蕴藏着无限市场 。使用现有的通用数控系统来开发工业机械手控制系统很方便 ,节约开发成本 ,缩短开发周期 ;可使机械手运动轨迹更加灵活圆滑 ,对自动化设备改造提供了首选的控制系统平台 。


1.国内外的研究和发展现状

  自第一台数控系统帕森斯研制成功后 ,经过半个多世纪的发展来看 ,对机床控制来讲通用数控系统的发展比任何一种机床控制系统发展都迅速 ,特别是在最近十年里 ,根据企业发展需要不断地提出新的要求 ,依靠科学技术发展的市场竞争越来越激烈 。从市场长远需求来看 ,加工的专业化和多样化这两个方面要求曰益显著 ,以提高加工效率 、质量和增加机床的功能 ;从机械设备性能上讲,由高质量、高速度、高稳定性和柔性向智能化 、集成化与网络化方向发展 。结合以上所述封闭性是传统数控系统的瓶颈要更好的适用于市场必须实现数控系统的智能化、网络化、个性化 、柔性化和专业化 ,开发出开放式数控系统 。


2.国内工业机械手通用数控系统的发展现状

  二十世纪五十年代末 ,国内数控技术刚起步 ,由于国外对技术的封锁 ,国家制定了“ 六五” 、“ 七 五”和“ 八五” 前期一系列攻关项目 ,在此阶段主要目标为数控技术消化吸收,技术的引进;“ 八五”后期和“ 九五”前期数控技术取得了实质性的进展 ,数控装备进行产业化和 进入市场进行研究,“ 九五” 末期国产数控装备在国内使用率达到百分之五十左右,同时配有国产数控系统也达到了百分之十左右。现在国内投资数控产业的公司比较多,国家政策也比较支持,基本掌握了数控系统发开的技术,基本形成了自己的国内数控产业 ,数控技术现已在中职、高职 、大学机械类学生的必修课程,培养了一大批数控专业高科技人才。


  如今,经过半个多世纪的努力 ,国内的经济型数控系统在市场上基本上站稳了脚,其价格便宜,可靠性比较好,功能齐全,受到用户的欢迎,国内较具有影响力的公司有华中数控、广州数控、航天数控等。自从华中数控华中型系统幵发成功 ;七轴五联动车统复合加工机床开发成功;适用于高速高精度,复杂曲面加工的广州数控系统在加工中心上的成功应用;高精度五轴联动航天数控在加工中心上的成功应用等,表明国内高档数控系统打破了国外对数控技术的封锁。由于开发高档数控系统还处于初期 ,技术还在完善中,国内高档数控系统的主要市场仍让西门子和发那科产品所占领,国产数控系统的市场还主要中低档数控系统。


3.国外工业机械手通用数控系统的发展现状

   从世界数控系统的总产量中分析,低 、中 、高档数控系统分别 占有百分之30、百分之60、百分之10。高档数控系统主要被德国 、 美国 、日本所垄断 ,韩国为低中挡数控系统供应商 。国外主要的数控系统有德国西门子和海德汉 ,西班牙法格 ,日本发那科和三菱等。发那科数控系统主要包括三个系 列 :0i系 列 、16i系 列 、30i系列,这是发那科公司最近幵发的产品 ,可以满足低中高档数控机床的需要,特别是30i系列,具有高速度 、高精度功能,并且可以实现网络化功能;西门子数控系统目前主要使用 SINUMERIK802D、SINUMERIK810D、SINUMERIK840D等 ,同时也可以满足低中高档数控机床的需要;SINUMERIK840D数控系统具有强大的控制功能,并各功能间互不影响,系统全数字化,系统结构革新,控制品质高,采样时间短等一系列品质保证,确保完成一流的产品质量三菱数控系统主要产品有C70系列,其特征在于满足加工要求,减少故障率,每个机床上可 同 时连接两 个数控 控制器, 数控功 能强大 , 可 以 支持6 个工作轴运动 ; 法 国 num数控系 统主要产品 有:NUM1020/1040、NUM1020M、NUM1020T、NUM1040M、NUM1040T系列 数控系 统 , 各产 品 的 功能不 同 , 但其加工精度和加工 效率 比 较髙; 海德汉数控系 统, 海德汉 公司 是一 家德 国 生产数控系统 的公 司 , 具有 100多年历史, 专 门研究 生产高精 密测 量元件 以及 数控系 统 , 所生产 的 高性 能数控系 统和 测 量反馈元件在 模具加工和 高精密加 工 领域中 得到 了 广泛 的应用 。


4.工业机械手控制系统应用现状

  现在著名品牌FANUC、KUKA、ABB等 国 外 公 司 已 将机械手产业化 、 系 列 化 , 配有机械手专 用数控 系 统 。 如 德 国 的KUKA 公司 的M-LIA、M-2000IA、M-710ic;国 内 燕 山 大学、 哈尔 宾 工业大学 等大学先后研制 出 多 台 并联机械手数控系 统 ; 天 津大学与 清华大学 联合研制 了 用 于机械加工 的 并联机械手数控系 统 。 由 于著 名 品 牌 的机械手价格 比 较昂 贵 , 中 小 企业很难接受 , 现在 公司 大多根据 自 己 的 需要设 计工 业机械手 , 控制 系 统通常采用 PLC开发 、 工控机 、 单片 机等 。 虽然 PLC编 程 比较简单工作 过程安全可靠 , 但是 价格还是 比较 高; 单片机便宜 , 但是开发周 期 比较长 , 开发成本 比较 高, 对工程师要求 比 较高 , 工作不 稳定。


   目 前我 国 已 有二百 多 家企业单位做机械手研宄 , 机械手的控制 系统 中 的硬件 构造、 软件 的设计算法 、 运动学 轨迹规划及轨迹优化 等 内 容 已被我 国 科研机构基 本掌握 , 开 发 出 的 工业机械手 中 有90% 以 上用 于 生产实际 之中 , 取得 了 显著 的 成 绩。


   机械手的 的控制 大 多用 专用 的数控系 统 , 通用数 控系 统在机械手控制 中 的应 用 还比较少 , 大 多研 宄集 中 在利 用 嵌入式系 统 、 工控 系统开 发工 业机械手的控制 系 统 , 使得 开发周 期过长 , 系 统 不统一 , 维护 和维修十分不 方便 。 现在普通数控 系 统发展 以 比较成 熟, 已 经智 能化 、 网 络化和 开放化 。 使用 普通数控系 统控制工 业机械手有 很多 的 优点 , 来解决 现在工业机械手使用 普及 的 情况 。 普通数控系 统 控制工 业机 械手操 作方便 , 容 易 与 机床 、 自 动化生产 线和 自 动化 机械设 备互相建 立信 息化 , 开发控 制 系 统周期 比 较短等优点 。


  随着通用 数控系 统的 快速发展 , 通用 数 控系 统 已具备功 能 强 大、 开放化 、 智 能化、 网 络化 、 个性 化等优点 , 使用 通用 数控系 统作为工业 机械手的控制 系 统 , 以满 足 三-五轴 机械手 的使 用 ; 同 时对现已有 工作 不稳定 的 工 业机械手 也可 使用 通 用数控 系 统进行 改造, 其 具有开 发周期短 、 价格低 、 重复 定位 度高等优 点 , 可 以 解决 国 内 机械 自 动化 程度低 的现状 。 数控系 统专家、 中 国 机床工 具工业协 会 肖 明 预测 “ 数控 系统在机械手广泛应用 是一个发展趋势。


5.机械装备的数控化改造

   机械装备数字化控制 改造 , 被称为 工业 的二 次革命 , 给 现有工业添加 了 色彩 和活力 。 机械装 备数字化改造符合我国 基本 国 情 , 使设备增 加 了 一定 的 自 动 化能 力 , 提 高现场的 工 作效率或 降 低劳动 强度, 延长 了 普通机械设备 的寿命, 为企业 单位节约投资 。 对机械设备 改造内 容根据 现场 需 要安排 , 一般对机械设备 的 局 部 进行改造 , 添加 新 的装置或 附 件 ( 主 要是数字化控制系 统 ) , 使机械装备的 自 动化 程度提高, 更好 的适用 于现场 的 工作 需 要 。


6.机械设备数字化改造的意义

  在 世界大环境下 , 我国 的 工业产 品 在 国 际 市场竞争力 还 比 较弱 , 主要 原 因是 因 为我 国 的制 造成本 高 , 工业产品 质 量 不稳定 , 综上所述还是我 国 制 造设 备 自 动化程 度低 , 技术水平落后等 。 由 于购买 自 动 化程度高 的设备 , 需 要大量 的 资金 , 对 中 小 企业难 以承受, 所 以 机械装备数字化 改造迫在眉 睫 , 特别 是对 中 小企业来 说 比较合理。 经过机械装备 的数字化 改造, 提高机械装备 的 自 动 化程度 , 降 低产 品 的制造成本 , 降低工作人员 的劳动 强度, 让产 品质 量更可靠 。


   以 我 国 现在基本 国情分析 , 国 内 机 电 行业各企业单位 中 , 在 用 设备大 多 还是 比 较陈 旧 , 操作 系 统 比较 复杂 , 控制 系统 比较落后 , 出 现故 障率 比较高等 问 题; 即 使有数控设备 也是使用 年 限 已 久 的经济型 数控装备 , 工作效率 低 , 质 量不稳定 , 维修费 用 高等缺 点 。 若购 买新设备 , 显然需 要耗费 巨 大 的资 金 , 不符合我国 现阶 段 的发展 国 情 。 因 此 , 依 靠数字化控制 技术对陈 旧 设备改造符合 国 家的 基本 国 情 , 从企业 的 需 要范 围来讲 , 不管是机械制造业 、 汽车制 造业 、 航空航天产业以 及军 工 产业都惜惜相 关 , 所 以机械设备 的 数字化改造蕴藏着无 限 的市场。


    最近几 年来 , 在 国 外特别是 一些发达 国 家如德 国 、 日 本、 美国 等 , 非常重视 陈 旧 机械装备 的 数字化控制 改造, 在 这些 发达 国 家数字化技术改造 的 市场非常 活 跃 , 同 时重 点开 发研宄 制 造 自 动化程度 比 较高 的机械装备 。 在美国 , 被称为机械 装备 的再生业 就是机械装备的 改造业 , 同 时在 日 本 , 被称为机械装备 的 改装业就 是机械装备 改造业 。 机械改装备 改造业正 逐步从机械装备制造业中 分化 出 来 , 同 时 显示 出 数 字化改造对机械装备 也是非常 重要 , 使用 数字化控制技术对机械装备 改造形成 了 一个新 的行 业和领域 , 经过行 业专家分析将来必是一个朝 阳 行业 。


7.经数字化控制改造后机床的优越性

  根据 以 往改造 的项 目 , 列 举一个经数字化控制 改造后 机械装备 的例子 如 下 :

  现在企业陈 旧 数控机床和 普通机床 比 较多 , 加 工速度和 精度难 以 保证 , 故障 率也 比较高 , 导 致生产效率 低下 , 报废 品 多 。 对这些机械装备经过数 字化控制 改 造后不仅加工精度和 生产 效率有保 障, 而且还 能使加工精度提高 一个档 次, 是因 为改造后 的数控机床采用 闭环控制 系 统反馈来补偿校 正 ; 同 时对普通机床数字化 控制 改造后 可 以加 工 以 前 不 能加工复杂 型面的工件 , 如 : 整体润轮 、 发动 机叶片 等 , 使 改造后 的机床功 能增 加 。 例 如 : 华龙机械有 限 公 司 普通车床数字化控制 改 造后 , 对液压虹S75mm 的 轴 加 工 , 其直 径偏差在0.01mm 内 , 对其 公差要求为0.04mm 极大的满足液压航轴 的加工要求 , 并且加 工 效率有 以 前 的20 分钟 一件 , 现在 5分钟 一件 , 加 工 效率提 高 4倍.


   从 以 上 实 例 可 以 看 出 , 普通 机床通过数 字 化控制 系 统改造 后生 产 效 率提高3-7 倍 , 依靠 凸 轮或挡 板 的 刚性运动是普通机床的 工作 原 理, 在大批量生产时采用 普 通机床才划 算; 而数控机床是执行工 艺员 对工件编 好 的数控程序 , 实 现工 件 自 动 化加 工 , 所 以 对单件或者小批量生产 比较划 算 , 故有人称数控机床为 “ 柔性 自 动 化” 。 不仅仅对机床 改造有优越性 , 而且对 自 动化生产线 的 改造也 不例 外 , 特 别 是在中 小型企业, 包括数控机床 、 工业机械手、 完整 的 自 动化生产线 等机 电 产 品 都 比较 昂 贵 , 企业难 以 承受 , 企业还想提高生产 效率和质 量 , 只 有使用 数字化 控制 技术对 陈 旧 机床、 机械手 以及生产线进行改 造 , 来满足企业发展 的 需 要 。


8.数控化改造市场研究

   总体我国 制造业水平还 比较 落后 , 现企业里非数控装备还 比 较普遍 , 有数据 统计在使用 的 机床保守总 量为800 万 台 左右 , 包括陈 旧 临废 的 数控机床在 内 数控 机床保守量有 100万 台左右 ,数控化率仅仅百 分之 13左 右 ,而使用 10年 以 上 的 数控机床 占 百分之 60左右;2011年产业研究 院 发布 的 《 中 国 数控机床行业产销 需求 、 转 型 升级分析 报告 》 显 示 , 我 国 数控机床年产 27.21万 台,我 国 年产机床109.84 万台 , 创 收工业总产 值为 6606.5亿元, 同 比 增长 百分之32.1 ,年产数控 占 有 率仅为 百 分之 24左 右; 10年 以 下 的机床 中 ,半 自 动和 全 自 动 的机床不到 百 分 之20 ,在美 国和 日 本数控装备超过百 分之60 。可 以 看 出 我国 的 机床还主要是普通 的 加 工 机床 , 并且大 多 都 比较 陈 旧 , 所 以 我 国在 机械装备 改造业是一个潜在 的 大市 场。


   我 国 自 改革开放 以 来 , 从 国 外 引 进不少机械装备和 自 动 化生产线 , 由 于企业 技术人员 对这些进 口 的 工业装备不太 了 解 , 难 以 解决在 安装或 改造中遇到 的 问 题 , 所 以 要 引 进国 外的 改造技术 , 进行 自 动化装备进行改造 。 据 统计 , 从 二十世纪七 十年代末到 二 十世纪 八十年代末 的十年 内 , 我 国 引 进 国 外改造项 目 18446项 ,改 造经费 大约 165.8亿美元 , 在此期 间 这些项 目 为 国 家 的 经济建设 发挥 了 重要 的作 用 。 但是有 些 引 进项 目 由 于个人 、 国 际等原 因 , 导致装备 、 自 动 化生产线不能 正 常的 工作 , 或 者瘫痪 , 给企业和 国 家造成 了 巨 大 的 经济损失 。 所 以装 备改造业也 是非常重要 的 产业 , 对专业技术 要求 比 较低 , 改造结 果 决定 这产 品 的 质 量和 效 率 , 决定着 公司 的 前景。


   综上所述: 在企业放置报废 的 机械装备 或生产 线 , 也是一 笔隐 藏 的 财 富 , 专 业技术人员 , 只 要找到 设备 的 关键 问 题 , 具有相关 的 专业改造技 术 , 就可 以 让废 铁变宝 , 为公 司 节约 大量的 资金 , 同 时 还为公 司 创 造经济效益 , 所 以 在我 国 装备 改造业具有很大 的 市 场 , 也是 一个朝 阳 行业。

 

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