目    录

一、绿色机床和聪明机床――数控机床发展的新趋势

二、凌华PCI-9812汽车维修行业之应用:点火系检测

三、数字荧光示波器与示波器技术的发展

四、从汽车覆盖件模具三大发展看市场需求

绿色机床和聪明机床――数控机床发展的新趋势

数控机床的发展趋势

    数控机床的出现已有半个多世纪，历经了从数字控制（Numerical Control-NC）、直接数字控制（Direct Numerical Control-DNC）到今天制造业普遍应用的计算机数控（Computer Numerical Control-CNC）。展望未来，其发展趋势究竟如何，是大家普遍关心的问题。

    数控技术的基础是加工设备的可编程自动化，机床可以按照设定的程序自动运行，使操作者与加工设备在时间和空间上得以分离，赋予机床和加工系统一定的智能和自主性，它的基本轨迹是信息的交互、处理和集成。

    可以预测，在未来的3~5年，各国机床制造商和研发机构将在下列领域争夺制高点：

    1. 虚拟机床（NC Verification）。

    通过研发机电一体化的、硬件和软件集成的仿真技术，来实现机床的设计水平和使用绩效的提高。

    2. 绿色机床（Green Machining）。

    强调节能减排，力求便生产系统的环境负荷达到最小化。

    3. 聪明机床（Smart Machining）。

    提高生产系统的可靠性、加工精度和综合性能。

    4. e-机床（Autonomous Machine）。

    提高生产系统的独立自主性以及与使用者和管理者的交互能力，使机床不仅是一台加工设备，而是成为企业管理网络中的一个节点。

绿色机床将成为研究热点

    机床是将毛坯转化为零件的工作母机，在使用过程中不仅消耗能源，还会产生固体、液体和气体废弃物，对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。从整个机床生命周期内审视，尽量减少对环境带来不利冲击的绿色机床就成为当前研究的热点。

    什么是绿色机床？它应该具有以下特点：

    1 机床主要零部件由再生材料制造。

    2 机床的重量和体积减少50%以上。

    3 通过减轻移动质量、降低空运转功率等措施使功率消耗减少30～40%。

    4 使用过程中产生的各种废弃物减少50~60%，保证基本没有污染的工作环境。

    5 报废后机床的材料100%可回收。

图1 典型机床的功率分配

图2 借助新材料和新结构实现轻量化

图3 通过轻量化降低驱动功率的案例

1. 减重节能

    据统计，机床使用过程中用于切除金属的功率只占到25%左右，各种损耗和辅助功能占去大部分。典型机床的功率消耗分配如图1所示，红色部分是各种损耗和辅助功能。

    机床绿色化的第一个措施是通过大幅度降低机床重量和减少所需的驱动功率来构建具有生态效益的机床（Eco-efficient Machine tool）。绿色机床提出一种全新的概念：大幅减少机床重量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。

    传统的机床设计理念是“只有足够的刚度才能保证加工精度，提高刚度就必须增加机床重量”。因此，现有机床重量的80%用于“保证”机床的刚度，而只有20%用于满足机床运动学的需要。

    绿色机床就是在保证机床刚度的前提下大幅减少机床移动部件的重量，达到省材、节能的目的。实现这个目标的途径有两个：通过采用新结构或新的复合材料来实现轻量化，如图2所示。

    一台通过结构优化并采用了新材料的龙门铣床案例如图3所示。

2. MQL减排

    机床使用过程中的润滑冷却液是有害排放物，特别是磨削时采用的乳化液对环境和工人健康都非常有害。因此，大幅度减少冷却液的使用和排放是绿色机床的基本特徵。实现这个目标的途径有以下两方面：

    1）干切削，不使用冷却液。这需要机床具有足够的刚性和锋利的刀具，仅适用于某些加工形状比较简单的铣削和车削工序。

    2）微量润滑（Minimized Quantity Lubrication, MQL）。MQL适用范围较广，可用于各种加工方法，但需要专门的装置提供气雾或低温空气（冷风），并使用专门的润滑剂。

3. 刀具增效

    机床的生产效率出至刀尖上。采用先进的刀具，选择合理的刀具几何角度和切削参数，可以有效提升切削加工的效率，降低切削过程所需的功率，延长刀具的寿命，从而达到以较少的资源消耗获得较大产出的目的。

4. 变废为宝增值再用

智能机床致力于“用户友好”

　　如果说绿色机床的愿景是环境友好，那么智能机床的目标就是用户友好。“用户友好”的含义在于大幅提升工作效率和确保工作更加舒适且安全。这就要求机床能够自主管理自己，自动识别加工任务和加工状态，无需或很少需要人工干预，同时还能够及时与操作者沟通，变得“聪明”起来，开拓数控机床的新纪元。

表１ 聪明机床的特征

　　机床在加工过程中不可避免地会产生各种误差，需要采用现代监控和补偿技术，从而进一步提高机床的性能和通信能力。2005年，美国国家标准与技术研究所（www.nist.gov）提出“聪明加工系统”(Smart Machining System ) 的研究计划。聪明加工系统的实质是制造系统的智能化和网络化，其主要特徵如上表所示。

　　聪明加工系统的四大目标是：

　　1 系统动态优化。将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动态性能优化。

　　2 设备自适应化。开发新的测量方法、模型和标准，在运行状态下对机床状态监控，借助在线测量、传感和实时分析进行自我诊断和误差补偿，提高机床的工作性能。

　　3 采用新一代数控系统。与STEP-NC兼容的接口和数据格式，使基于CAD模型的机器控制能够无缝运行。

　　4 在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。

1. 智能主轴

　　主轴是机床的心脏，它的状态直接关系到加工精度和加工效率。德国阿亨工业大学与西班牙技术中心合作对主动磁浮轴承的主轴进行研究，借助磁浮轴承中的力、电流和位置传感器，来测量切削力、以及刀尖点的位置、速度、加速度的变化，并基于此开发出高速、高精度的主轴。

 图5 具有振动监控的高速主轴

　　瑞士GF阿奇夏米尔集团生产的MIKRON HSM系列高速铣削加工中心可配置聪明加工系统，其功能之一就是加工过程监控，以便用户观察铣削过程是否正常。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动能够以加速度 “g载荷”值的形式显示，如图5所示。

　　振动大小在0~10g范围内分为10级。其中，0~3g表示加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态；3~7g表示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具寿命的降低； 7~10g表示危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具和工件的损坏。而且，控制系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。

　　在过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值，当振动超过此值时，系统报警并自动停机。系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分析，记录的数据包括：日期、时间、g值、g极限、主轴转速、刀具号、进给率、数控程序块号和程序名。可记录程序块的容量达18,000个，如果取时间间隔为2.5秒，可记录过程状态长达12.5小时之久。

2. 热变形补偿

　　机床热变形是影响加工精度的主要因素之一。产生热变形的因素很多，主要是来自机床的工作环境和机床内部的热影响：

　　1） 环境影响。例如，车间的温度分布和温度变化以及空气对流；日光、暖气和邻近机床等热源的影响；以及来自机床基础的热传导。

　　2）机床内部的影响。例如，机床零部件的发热（轴承、丝杆、导轨、电动机、齿轮、液压系统等），切削过程产生的热量以及冷却系统的发热。

　　上述热影响对机床结构来说是一种复杂的热输入，它随时间和机床工作状态而变化，是不可预测的，而最终造成机床热变形的大小和部位还取决于机床结构材料的热性能，即材料的热胀系数、导热率和热容量以及机床的结构设计，即部件形状、质量和热源的分布。

图6 机床在载荷下的热变形补偿原理图

　　因此，机床结构的热场分布是不均匀且不稳定的，呈现为一种动态的三维梯度的热场。为了对机床在工作状态下的热变形进行补偿，还需要考虑切削和运动载荷所造成的变形。这就需要在机床的关键部位安放温度和位置传感器，测出主轴、3个坐标轴和环境温度分别造成的误差，最后汇总为δx、δy、δz，输入数控系统进行补偿，其原理如图6所示。

e-机床

　　随着网络技术的日渐普及，数控机床走向网络化和信息化已成为必然趋势，互联网进入车间只是时间问题。从另一角度来看，企业资源计划如果仅仅局限于业务管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的，车间最底层的加工设备―数控机床不能够连成网络或信息化，就必然成为制约制造业信息化的瓶颈，无法真正解决工厂的最关键问题。

　　所以，对于面临日益严峻的全球化竞争的现代制造工厂来说，不仅要提高机床的数控化率，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间以及底层与上层之间的通信畅通无阻。

　　例如，日本Mazak公司推出的新一代加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔（e-Tower）的外部设备，包括了计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。该机床与生产计划调度联网，可以实时反映机床工作状态和加工进度。

　　操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程。拥有故障报警显示功能、并能在线帮助排除问题。它是独立的、自主管理的制造单元，如图7所示。

　　利用企业的生产计划调度系统，可安排一周的加工任务，将其发送到信息塔。信息塔向操作者发出指令，并在屏幕上显示机床的实时工作状态。操作者则可按照屏幕指示进行操作，遇到问题时也能随时查阅计算机中的操作手册。

　　正常情况下，机床自动工作，操作者与机床在时间和空间上都是分离的。管理者和操作者皆配备有手机，通过手机查询生产工况、预计加工完成时间以及获取报告和故障报警。

　　机床发生故障时，屏幕会显示排除故障的方法，Mazak公司的维修中心能够同时看到问题所在，远距离地及时提供帮助，尽可能减少机床的停机时间。

(源自：中国数控机床网)

凌华PCI-9812汽车维修行业之应用:点火系检测

目的

　　完成汽车维修中的高速检测部分点火系的检测

应用背景

　　随着国内汽车行业的发展，对汽车自动检测设备的需求也开始出现，国内对汽车维修站的要求也越来越高。交通部《汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法》中对A级检测站的要求是：“能检测车辆的制动、侧滑、灯光、转向、前轮定位、车速、车轮动平衡、底盘输出功率、燃料消耗、发动机功率和点火系状况，及异响、磨损、变形、裂纹、噪声、废气排放等状况”。在这种背景下，国内的汽车检测设备厂家都在致力研究自动化、智能化的汽车自动检测设备。

　　汽车自动检测设备的功能有很多，如发动机点火信号检测、各缸工作平衡性检测、电瓶电压检测、无外载测功、平衡系统检测、排气检测等，这些检测过程大都要用到数据采集产品，其中尤以点火系的检测对数据采集的速度要求最高。

解决方案

　　利用PCI-9812高速率比量采集卡，对汽车发动机的点火电压信号进行分析。

详细介绍

　　发动机点火信号的检测，目前一般是用高速采集卡把信号采进来，在屏幕上显示，同时一般提供正常点火波形供检测人员作比对分析。通过对波形的分析，可以判断出点火的故障原因，比如是电容漏电，还是白金锈蚀等。

　　在《汽车发动机检测仪检定规程》中，技术指标规定中对转速的要求为最高7200转/分，而目前国内的检测仪一般指标都略高于这个标准，大都定在8000转/分。这样发动机点火的频率即为120Hz (7200转)，而我们知道，点火的波形在每个周期中仅占一小部份，假设为1/10，那么实际点火的波形宽度则小于1ms。为了把这一波形分析清楚，对一个点火波形应采样几百甚至上千点，则采样频率应大于1MHz。

　　ADLINK公司的PCI-9812高速资料撷取卡最高采样频率达20MHz，4路同步采样，很适于做点火波形的采集。目前国内已有汽车检测设备厂家利用该板卡进行发动机点火信号检测，采样频率用5MHz，得到了比较满意的效果。

结论

　　客户利用PCI-9812卡做成的汽车检测设备目前销量很好，不仅销往全国各地的汽修站，还销至国外，创造了很好的经济效益。

(源自：中国汽车工业信息网)

数字荧光示波器与示波器技术的发展

1、DPO的特点

　　数字荧光示波器DPO（DigitalphosphorOscilloscopes）是Tektronix公司新推陈出新出的一种示波器平台，它具有数字存储示波器DSO（DigitalStorageOscilloscopes）的各种传统优点，从数据存储到先进的触发功能，样样俱全，同时，它也具有模拟实时示波器ART（AnalyzedRealTime）的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器CRT（CathodeRayTube）的亮度渐次变化的化学荧光效果。

　　DPO在示波器技术上有了新的突破，能够实时显示、存储和分析复杂信号，利用三维信息（振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分量出现的频率）充分展现信号的特征，尤其采用的数字荧光技术，通过多层次辉度或彩色能够显示长时间内信号的变化情史。

　　DSO的自动测量和波形存储功能曾令许多工程师尺叹不已，但人们不久就发现DSO在测量具有低频调制的高频信号时，由于其无法克服的混叠失真问题，其谬之千里的显示结果又让人想到ART示波器的好处。

　　DPO不仅具有ART示波器的实时明暗度无混叠显示能力，而且有DSO的自动测量及波形存储功能，在避免二者不足方面，还有很大的改进。主要表现在：

　　（1）快速波形捕获速率和超强显示能力

　　数字荧光显示技术的应用使DPO能以不同的灰度或色彩同时显示信号的多幅图像。DPO每秒钟表可记录200000幅波形，其信号数据比一般的DSO多1000倍，每次可捕获500000幅波形，这种快速波形捕获速率结合高超的显示能力，使DPO具有分析信号任何细节的性能。

　　（2）连续高速采样能力

　　通常DSO因处理显示数据在显示两幅波形之间有8ms的停滞时间，即使采用了instavuTM采样技术的DSO这一时间也只能降低到1.7μs，ART示波器在回扫时间内也不能捕捉波形信息而DPO能始终以最高采样率对几十万幅波形连续采样，克服了其它示波器存在的停滞进间问题。DPO的采样率一般每秒有几个109次数，如此高的采样率允许示波器有更大的带宽。

2、DPO的工作原理

　　数字荧光示波器的核心部件是由专用集成电路（ASIC）构成的DPX波瑚成像处理器。

　　与DSO一样，输入信号首先经放大和A/D变换后得到信号的采样值，采样值经过DPX波形成像处理器的处理后形成一幅具有500*200像素、包含波形三维信息的完整流器波形图，在不间断捕获过程的情况下，DPX成像处理器每秒向波形显存储器发送30幅波形图，在微处理器的控制下，根据显示存储器的内容，在显示屏上得到采集到的波形图。实现"信号数字化→图形化→显示"这样一种波形显示方式。与此同时，微处理器以并行方式执行自动测量及运算功能。

　　由于DPO的数据采集和显示体系分别独立运行，使得示波器能够在处理显示所需数据的同时，保持最高波形捕获速率，这意味着示波器能不间断地捕捉波形的所有细节。

　　DPX由数据采集器和称为数字荧光器的动态三维数据库组成，它将光栅化功能（波莆图像化）与快速波形捕获速率有机地结合实际在一起，以500*200整数阵列累积信号信息，阵列中的每一个整数都代表DPO显示中的一个像素，其数值的不同甘共苦导致显示像点的亮度或色彩不同，随着信号不断地采样，这一阵列也不断得以更新，但与DSO不同，一个显示周期（一幅波形图）完成后，新显示周期的采样值并不冲掉上次显示周期的数据，如果两次采样植具有相同的显示点，则只改变对应阵列点的值勤，这样多幅波形图就可累积显示。当多幅波形图导致的显示点不同时，阵列中各点的数据就不同，因此波形显示亮度最高，偶尔出现的其它波形信息会以较低亮度得到显示。

　　DPO工期作时以最大速率连续采样，利用采样之间的最小时间间隔发和生成一幅幅的波形图，像ART示波器一样（由于DPO应用深度三维数据库保存灰度信息，过去的波形信息并不丢失），可以观察到长时间内信号的变化情况。

3、DPO的应用

　　DPO功能强大可以完成复杂信号的捕获、显示、分析，加上灵活的角发方式和自动数字测量功能使其成为测量领域的佼佼者。常用的TDS3000系列采样率为1.25-5GS/s，带宽显100～500MHz，TDS500/700系列的采样率为2～4GS/s，带宽为0.5～2GHz.DPO有这样优越的性能，当然不会有低廉的价格。为充分发挥DPO的性能，它主要用于复杂信号弹的检测。

　　（1）视频应用环境的信号检测

　　这类测量领域面对的是由快速脉冲组成的长"帧信号"，DSO为了捕获整个信号的包络，只能使用较慢的采样率，俚较慢的采样率会因缺少波形数据而产生混叠失真：ART示波器可显示波轮廓，但不具备测量和分析功能，DPO尤其适合对这类信号的检测。类似的信号如磁盘、光盘等到的读出信号。

　　（2）无线通讯设备中复杂数字调制信号的检测

　　这类信号的复杂程度表现为非周期性信号，ART示波器上只能得到无法辩认的模模糊糊的一条光带，DSO因存储深度有限难以提供有价值的信息，此时可发挥DPO的多幅波形捕获能力。

　　（3）稀有事件重复频率的检测

　　这是DPO的数字荧光技术带来的突出性能，通过观察多幅波形中稀有事件的显示亮度就可知在某段时间内出现的频度，必要时甚至可直接调出三维数据库中的波形数据进行详细统计。

(源自：中华机械网)

从汽车覆盖件模具三大发展看市场需求

    汽车覆盖件模具生产企业近年来的技术进步主要表现在如下几个方面。

　　装备水平有了很大提高

　　无论是近年来新建的企业还是经过技术改造的老企业，无一例外地都大量采购了先进的数控设备，这些设备中包括了三轴至五轴的高速加工机床、大型龙门式加工中心和数控铣等机床、先进的大型测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。

　　目前许多模具企业已拥有了10台左右的大型数控设备，有些企业已拥有了30多台。目前全行业已约有大型数控加工设备400多台，因此，生产汽车覆盖件模具的水平和能力已大为提高。过去，一个企业很难在一年内完成整个车型的模具，现在一些骨干重点企业已完全有这个能力了。个别企业通过行业协作还具备了一年内可以同时完成4～5个车型全套模具的能力。大部分企业还同时配置了许多先进的软件。根据现在装备水平看，国内已经有了一年完成20个以上车型整车模具的能力了。

　　设计和加工技术有了很大提高

　　近年来，企业使用三维CAD的已越来越多，有的企业已经达到百分之百的应用。与此同时，CAE技术也得到广泛应用。一方面是从国外引进的CAE软件，经过二次开发，应用水平有了较大提高;另一方面是国内自行开发，拥有自主知识产权的、先进的CAE软件也已在生产中得到成功应用。目前已经应用的CAE软件主要有引进的LS、DYNA3D、DYNAFORM、PAMSTAMP、OPTRIS、AUTOFORM及国内自己开发的VFORM、KMAS、sheetForm和CADEMⅡ系统等。作为汽车大型覆盖件模具开发中的核心技术CAE技术，现在的CAE软件已在传统的只作成形分析上实现了升级，能参与冲压工艺的全过程，在分析内容的广泛性、实用性、精确性方面都有显着的进步。这对产品设计与工艺分析、提高模具非凡是拉延模的成功率、缩短模具制造周期、提高模具质量都有显着作用。

　　数字化制造、逆向工程、并行工程、灵敏制造、精益生产等先进技术也已在汽车覆盖件模具生产中得到了应用，并产生了良好效果。在模具厂普遍采用CAPP虽然有很大难度，但也不乏成功的例子。以前很少采用的高速加工技术现在也越来越多地被采用，可以说是已经到了开始广泛应用阶段。把模具设计中大量的经验、标准和规范与CAD/CAM技术系统融为一体的智能化和自动化的全方位（从数据到产品）模具设计和加工的解决方案的有关软件也已开始被应用，并有效地提高了模具质量和缩短了模具生产周期。

　　前不久，一批留学美国和加拿大并在美国汽车模具行业从业多年的技术人员在重庆组建了DSI数码模系统（重庆）有限公司，创建和应用了数码模技术。这项技术依靠先进模具与冲压工艺的设计和模拟技术相结合的模具专家系统，将推进国内传统的制模方式向计算机技术为支撑的模具工程方向转变的进程，对缩短模具生产周期及降低成本，将起到很好的作用。也有一些企业已实现了CAD/CAE/CAPP/CAM一体化，从而提升了企业的综合水平。其他如测量技术、表面涂镀技术、综合检具工装、标准化应用以及快速成型技术与快速经济模具的成功结合等，近年来也取得了不少进步。一些骨干企业以及外资企业在国内设立了一些独资或合资的汽车覆盖件模具的设计与研发中心，有些企业还与国外有关公司进行合作开发和合作设计，这也为行业的技术进步创造了有利条件。

 (源自：中华机械网)