(一)從機床到(dào)數控機床,機器不再無腦幹活(huó)
機床是其他機器的(de)“母機”。
煉鋼廠(chǎng)出産的鋼鐵(tiě)并不(bú)是我們在生活中見到的(de)各種奇奇怪怪的形狀(zhuàng),而是闆材、管(guǎn)材、鑄錠等等形狀比較規則的材料,這些材料要加工成各種形狀(zhuàng)的零件就(jiù)需要使用(yòng)機床進行切削(xuē);還有一些(xiē)精度要(yào)求較高和表(biǎo)面粗糙度要求較細的(de)零件,就要在機床(chuáng)上用(yòng)精細繁複(fú)的工藝切出來或者磨出來。
和所有的機器一樣,最初的(de)機床包括動力裝(zhuāng)置、傳動裝置和執行裝置,靠(kào)電機轉(zhuǎn)動輸入動力,通過傳動裝置帶(dài)着被加工的工件或者刀具進行相對運動,至于(yú)在哪兒下(xià)刀、切多少、多快速度(dù)切等等問(wèn)題,則(zé)由人在加工過程中直接進(jìn)行控制(zhì)。
由于傳統機床使用的電(diàn)機的轉速(sù)在工作時基本上是不變的,為了實(shí)現不同的切削速度,傳統的機床設計了極為複雜的傳動系統。這種複雜度的機械在現今的設計中已經不多見了。
而随着(zhe)伺服電機(伺服電(diàn)機就是可(kě)以在一定(dìng)範圍内精确控制電機(jī)的位置和轉速的(de)電機)技術的發展及其在數控機床上的應(yīng)用,直接控制電機的轉速變得方便快捷效率高,而且基本(běn)上是無級變速,傳動系統的結構大大簡化,甚至出現(xiàn)了很多(duō)環節(jiē)電機直接(jiē)連接到執行機構上,而(ér)省略了傳動(dòng)系統。
這種(zhǒng)“直接驅動”的模式是(shì)現在機械設計領域的一(yī)大趨勢(shì)。
結構的簡化還不(bú)夠,要實現各種各樣(yàng)的形狀(zhuàng)的零件的加工,還需要(yào)讓(ràng)機床可以高(gāo)效、準确的(de)控制多台電機(jī)合作完成整個(gè)加工(gōng)過程。
這就要讓機床成為有“腦(nǎo)子”的數控機床了。而這個腦子就是數控系統,數控系統的水平高低決定了數控機床能幹多複雜、多精密的活兒,也決定(dìng)了這台機床和(hé)他的操作者的(de)身價。
(二)數控系統能幹(gàn)嘛?處理(lǐ)信息并控(kòng)制動力
數控系統(Numerical Controller System)是(shì)數控機床的大腦。
對于一般數(shù)控機床而言,往往包含人機控制界面、數控系(xì)統、伺服驅動裝置、機床、檢測裝置等等,操作人(rén)員在一些計算機輔助制造軟(ruǎn)件的幫助(zhù)下,将加工過程所需的各種操作(如主軸(zhóu)變速等步(bù)驟以及工件的(de)形狀尺寸)用零件程序代碼表示,并通過人及控制界面輸入到數控機床,之後由數控(kòng)系統對這些信息進行處理和運算,并按(àn)零件程序的要求控制伺服電機,實(shí)現刀(dāo)具與工件(jiàn)的相對運動,以完成(chéng)零件的加工。
數控系統完成諸(zhū)多信息的存儲和處理(lǐ)的工作(zuò),并将信息的處理結(jié)果以控制信号的形式傳(chuán)給後續的伺服電機,這些控制信号的工作效(xiào)果依賴于兩大核心技術:一個(gè)是曲線曲面的插補運算,一個(gè)是機床多軸的運動控制。
(三)零(líng)件形狀太“自由(yóu)”?靠插補運算搞定
如果運動軌迹可以用解析式表達,則整個(gè)運動(dòng)就可以分(fèn)解為幾個坐标的獨立運動的(de)合成運動,就可以直(zhí)接控制電機生成(chéng)了。
但(dàn)是制造過程中很多零件的形狀可以說是十分“自由”的,既不圓、也不方(fāng),甚至都不知道是什麼形狀,例如(rú)汽車(chē)、輪船、飛機、模具、藝術品等産品(pǐn)常遇到不能用解析式描述的曲線曲面(miàn),這類曲線曲面稱為(wéi)自由曲線(Free Form Curves)或自由曲面。
要切出來這些“自由”的形狀,刀具(jù)和工(gōng)件之間的相對運(yùn)動(dòng)也相應的十分複雜。具體到操作中,就是(shì)要控制工件台(tái)、刀具都(dōu)按照設計好的位置-時間曲線進行運動,控制(zhì)這二者在規定的(de)時間以指定的姿态到達指定的位(wèi)置。
機床可以在工件和刀具之間很好地(dì)完成直線段、圓弧或其他(tā)的有(yǒu)解析式的樣條曲線的相對運動,而這種複雜的“自由”運動又該怎麼完(wán)成呢?答案是依靠插補運算。
所謂插補,就(jiù)是按照一定方法确定數(shù)控機(jī)床上刀具(jù)的運動軌迹的過程。根據(jù)給定的速度和軌迹,在軌迹的已知(zhī)點之間,增加一些新(xīn)的中間點,并控(kòng)制工件(jiàn)台(tái)和刀具通過這些中間點(diǎn),進而就能(néng)完成(chéng)整個運動。
而這(zhè)些中間點之間,則通過線段、圓弧或者樣(yàng)條曲線等來連接。相當于用數段微小的線段和圓弧去逼近(jìn)要求的(de)曲線和曲面,這就是插補的本質(zhì)。
流行(háng)的插補算(suàn)法包括逐點比較法、數字增量(liàng)法等,而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精(jīng)度好而得到了高端數控機床的青睐
(四)刀的姿态不對無法加工(gōng)?五坐(zuò)标聯動分分鐘搞定
加工複雜曲面不光要理論上可以加工,還需要考慮刀具和被加工的表面之間的相對位置關系。
一方面如果刀具(jù)的姿态不合适會導緻加(jiā)工的表面質量(liàng)低下;另一(yī)方面刀具還會和加(jiā)工好(hǎo)的零件結構互相幹涉,不調整(zhěng)刀具的相對姿(zī)态根本沒有辦(bàn)法加工。這就需(xū)要賦予(yǔ)數控機床(chuáng)更多的運動自由度,使之更為靈巧。
由于我(wǒ)們所處的三維(wéi)空間的相對運動隻(zhī)包含六個自由度(3個(gè)平動自由度以(yǐ)及3個轉動自由度),五(wǔ)坐标聯動就是使數控機床在(zài)具有空(kōng)間上x、y、z三個方向的平動自由度(dù)外,又增加了兩(liǎng)個(gè)方向的轉動的自(zì)由(yóu)度,再加上刀具(jù)本身的用于切削(xuē)的轉動自由度,這樣刀(dāo)具和工件之間的相對運動就(jiù)有了全部的六個自由度,使得刀具(jù)和工件之間可(kě)以呈現任意的相對(duì)位置和相對姿(zī)态(tài)。
雖然标了4個平動(dòng)自由(yóu)度,但是其實質上也(yě)隻是實現(xiàn)了x、y、z三個方向的運動,有一個自由度(dù)是冗餘的(de),其實(shí)質上是一個五坐(zuò)标(biāo)聯動機床。
(五)國産數(shù)控系統:逐漸邁(mài)向高端市場
中國是當今世界機床(chuáng)制造大國,數控系(xì)統在性能、功(gōng)能和成套化應用(yòng)方面均(jun1)取得了(le)長足進(jìn)步。
其中,低檔數控系(xì)統幾乎完(wán)全取代了進口,中檔數(shù)控系統在系列化(huà)、商品化和産業化方面成效顯著。高檔數(shù)控系統已(yǐ)突破實現了五軸聯(lián)動功能,并(bìng)在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑複合機床等設備上得到了示範應用。
此外,中國企業針對零件(如手(shǒu)機殼)的(de)大批量、表(biǎo)面光潔度高等特點,各自開發了多款專用系統和小型高速(sù)加工中心,大大降低了生産成本,該市場現已基本被國産系(xì)統和主機占領。
不過(guò),還是應該看到,國際(jì)上的數控系統(tǒng)已經有很(hěn)多成熟的高(gāo)端産品,與世界機床強國相(xiàng)比,中國的機床産品(pǐn)在全球機床市場的競争力差距依(yī)然(rán)很大。