(一)從機床到數(shù)控機床,機器不再無腦干活
機床是其他機器的“母機”。
煉鋼廠出產(chǎn)的鋼鐵并不是我們在生活中見到的各種奇奇怪怪的形狀,而是板材、管材、鑄錠等等形狀比較規(guī)則的材料,這些材料要加工成各種形狀的零件就需要使用機床進行切削;還有一些精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件,就要在機床上用精細繁復的工藝切出來或者磨出來。
和所有的機器一樣,最初的機床包括動力裝置、傳動裝置和執(zhí)行裝置,靠電機轉(zhuǎn)動輸入動力,通過傳動裝置帶著被加工的工件或者刀具進行相對運動,至于在哪兒下刀、切多少、多快速度切等等問題,則由人在加工過程中直接進行控制。
由于傳統(tǒng)機床使用的電機的轉(zhuǎn)速在工作時基本上是不變的,為了實現(xiàn)不同的切削速度,傳統(tǒng)的機床設計了極為復雜的傳動系統(tǒng)。這種復雜度的機械在現(xiàn)今的設計中已經(jīng)不多見了。
而隨著伺服電機(伺服電機就是可以在一定范圍內(nèi)精確控制電機的位置和轉(zhuǎn)速的電機)技術的發(fā)展及其在數(shù)控機床上的應用,直接控制電機的轉(zhuǎn)速變得方便快捷效率高,而且基本上是無級變速,傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化,甚至出現(xiàn)了很多環(huán)節(jié)電機直接連接到執(zhí)行機構(gòu)上,而省略了傳動系統(tǒng)。
這種“直接驅(qū)動”的模式是現(xiàn)在機械設計領域的一大趨勢。
結(jié)構(gòu)的簡化還不夠,要實現(xiàn)各種各樣的形狀的零件的加工,還需要讓機床可以高效、準確的控制多臺電機合作完成整個加工過程。
這就要讓機床成為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這個腦子就是數(shù)控系統(tǒng),數(shù)控系統(tǒng)的水平高低決定了數(shù)控機床能干多復雜、多精密的活兒,也決定了這臺機床和他的操作者的身價。
(二)數(shù)控系統(tǒng)能干嘛?處理信息并控制動力
數(shù)控系統(tǒng)(Numerical Controller System)是數(shù)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(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、機床、檢測裝置等等,操作人員在一些計算機輔助制造軟件的幫助下,將加工過程所需的各種操作(如主軸變速等步驟以及工件的形狀尺寸)用零件程序代碼表示,并通過人及控制界面輸入到數(shù)控機床,之后由數(shù)控系統(tǒng)對這些信息進行處理和運算,并按零件程序的要求控制伺服電機,實現(xiàn)刀具與工件的相對運動,以完成零件的加工。
數(shù)控系統(tǒng)完成諸多信息的存儲和處理的工作,并將信息的處理結(jié)果以控制信號的形式傳給后續(xù)的伺服電機,這些控制信號的工作效果依賴于兩大核心技術:一個是曲線曲面的插補運算,一個是機床多軸的運動控制。
(三)零件形狀太“自由”?靠插補運算搞定
如果運動軌跡可以用解析式表達,則整個運動就可以分解為幾個坐標的獨立運動的合成運動,就可以直接控制電機生成了。
但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,甚至都不知道是什么形狀,例如汽車、輪船、飛機、模具、藝術品等產(chǎn)品常遇到不能用解析式描述的曲線曲面,這類曲線曲面稱為自由曲線(Free Form Curves)或自由曲面。
要切出來這些“自由”的形狀,刀具和工件之間的相對運動也相應的十分復雜。具體到操作中,就是要控制工件臺、刀具都按照設計好的位置-時間曲線進行運動,控制這二者在規(guī)定的時間以指定的姿態(tài)到達指定的位置。
機床可以在工件和刀具之間很好地完成直線段、圓弧或其他的有解析式的樣條曲線的相對運動,而這種復雜的“自由”運動又該怎么完成呢?答案是依靠插補運算。
所謂插補,就是按照一定方法確定數(shù)控機床上刀具的運動軌跡的過程。根據(jù)給定的速度和軌跡,在軌跡的已知點之間,增加一些新的中間點,并控制工件臺和刀具通過這些中間點,進而就能完成整個運動。
而這些中間點之間,則通過線段、圓弧或者樣條曲線等來連接。相當于用數(shù)段微小的線段和圓弧去逼近要求的曲線和曲面,這就是插補的本質(zhì)。
流行的插補算法包括逐點比較法、數(shù)字增量法等,而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精度好而得到了高端數(shù)控機床的青睞
(四)刀的姿態(tài)不對無法加工?五坐標聯(lián)動分分鐘搞定
加工復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。
一方面如果刀具的姿態(tài)不合適會導致加工的表面質(zhì)量低下;另一方面刀具還會和加工好的零件結(jié)構(gòu)互相干涉,不調(diào)整刀具的相對姿態(tài)根本沒有辦法加工。這就需要賦予數(shù)控機床更多的運動自由度,使之更為靈巧。
由于我們所處的三維空間的相對運動只包含六個自由度(3個平動自由度以及3個轉(zhuǎn)動自由度),五坐標聯(lián)動就是使數(shù)控機床在具有空間上x、y、z三個方向的平動自由度外,又增加了兩個方向的轉(zhuǎn)動的自由度,再加上刀具本身的用于切削的轉(zhuǎn)動自由度,這樣刀具和工件之間的相對運動就有了全部的六個自由度,使得刀具和工件之間可以呈現(xiàn)任意的相對位置和相對姿態(tài)。
雖然標了4個平動自由度,但是其實質(zhì)上也只是實現(xiàn)了x、y、z三個方向的運動,有一個自由度是冗余的,其實質(zhì)上是一個五坐標聯(lián)動機床。
(五)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng):逐漸邁向高端市場
中國是當今世界機床制造大國,數(shù)控系統(tǒng)在性能、功能和成套化應用方面均取得了長足進步。
其中,低檔數(shù)控系統(tǒng)幾乎完全取代了進口,中檔數(shù)控系統(tǒng)在系列化、商品化和產(chǎn)業(yè)化方面成效顯著。高檔數(shù)控系統(tǒng)已突破實現(xiàn)了五軸聯(lián)動功能,并在六軸數(shù)控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復合機床等設備上得到了示范應用。
此外,中國企業(yè)針對零件(如手機殼)的大批量、表面光潔度高等特點,各自開發(fā)了多款專用系統(tǒng)和小型高速加工中心,大大降低了生產(chǎn)成本,該市場現(xiàn)已基本被國產(chǎn)系統(tǒng)和主機占領。
不過,還是應該看到,國際上的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)有很多成熟的高端產(chǎn)品,與世界機床強國相比,中國的機床產(chǎn)品在全球機床市場的競爭力差距依然很大。