1 高速加工中心的關(guān)鍵部件和重要技術(shù)
對(duì)于一臺(tái)高速加工中心 , 下列部件和技術(shù)是*的。
(1) 高速主軸
(2) 功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
(3) 刀具
(4) 高的進(jìn)給速度 (high feed rates)
(5) 高的快速進(jìn)給速度 (high rapid traverse rates)
(6) 高的加/減速速率 ( high acceleration/ decelerationrates)
(7) 快速換刀
高速加工中心的簡(jiǎn)單組成框圖如圖所示
在圖1所示的高速加工中心中 , 當(dāng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)具有待加工軌跡的監(jiān)控功能時(shí) , 則其可以直接與cad/ cam系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接 , 否則 , cad/ cam 系統(tǒng)生成的 nc代碼必須先通過(guò)具有待加工軌跡監(jiān)控功能的系統(tǒng) , 然后再被傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 , 如圖中的虛線所示。
高速加工的成功實(shí)現(xiàn)是綜合應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)的成果。在應(yīng)用的這些技術(shù)中 , 其中一些技術(shù)用于機(jī)床本身的改造 , 例如主軸、伺服電機(jī)、反饋傳感器、數(shù)控系統(tǒng)等 , 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的這些零部件協(xié)調(diào)工作 , 從而使加工過(guò)程中切削力降低、加工表面質(zhì)量提高、生產(chǎn)周期縮短。另外一些技術(shù)用于對(duì)機(jī)床應(yīng)用環(huán)境的改進(jìn)。高速加工的成功應(yīng)用必須對(duì)工廠的環(huán)境結(jié)構(gòu)要有所改變 , 例如 ,對(duì)于模具的高速加工 , 其數(shù)控程序往往很長(zhǎng) , 一般都可以達(dá)到十兆字節(jié)左右。因此 , 建立一個(gè)企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng) ( intranet) , 使 cnc 系統(tǒng)能從 cad/ cam 中心快速獲得數(shù)控代碼就顯得非常重要。
2 高速主軸
高速加工中心的高速主軸應(yīng)具有精密度高、剛性好、運(yùn)行平穩(wěn)和熱變形小等特點(diǎn)。
* , 軸承是主軸設(shè)計(jì)中重要的零部件 ,對(duì)高速主軸來(lái)說(shuō)更是如此。低速運(yùn)行的主軸常使用鋼球軸承 , 油脂潤(rùn)滑 , 但是 , 隨著轉(zhuǎn)速的提高 , 這種設(shè)計(jì)方法已不再合適。現(xiàn)在 , 人們希望主軸既能輸出大的功率又有高的轉(zhuǎn)速。目前解決該問(wèn)題的方法是利用混合陶瓷軸承并輔之以油潤(rùn)滑 , 這種方法能適合于150000r/ min以上的轉(zhuǎn)速。setco 公司已運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)制成 200000r/ min/ 75hp 和 3000000r/ min/ 50hp 的主軸。這種主軸中使用的軸承的內(nèi)、外滾道仍然是用鋼制成的。但其滾動(dòng)部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比鋼輕 , 加上其制造工藝可以保證其制成的滾珠比鋼制成的更圓 , 且工作中不易變形 , 熱穩(wěn)定性好 , 所以這種混合陶瓷軸承的運(yùn)行性能良好。
任何一種軸承運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量都會(huì)對(duì)其精度和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響 , 因此在高速主軸中 , 必須采取措施來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。轉(zhuǎn)速在 100000r/ min以上的主軸 , 典型的方法是采用氣油混合潤(rùn)滑系統(tǒng)。這種系統(tǒng)給軸承提供少的 (但卻是足夠) 潤(rùn)滑以使軸承產(chǎn)生較少的熱量 , 其中氣流不僅起潤(rùn)滑作用 , 還可以帶走熱量 , 除此之外 , 高速主軸還使用軸承冷卻系統(tǒng)來(lái)散熱 , 這種冷卻系統(tǒng)有時(shí)也被稱為“冷卻器”。還有一些其他的減少摩擦的設(shè)計(jì)方法 , 例如 ,ingersoll 銑床公司生產(chǎn)的高速加工機(jī)床中 , 其功率為50hp , 轉(zhuǎn)速達(dá) 200000r/ min 的主軸使用的是靜動(dòng)*承 , 這樣 , 主軸在“液體”中而非在剛性件上轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速需要很高時(shí)可以使用空氣軸承 , 但它一般用于直徑較小且轉(zhuǎn)速要求超過(guò) 1000000r/ min 的主軸。幾乎無(wú)摩擦的磁力軸承也在某些場(chǎng)合得到運(yùn)用。ibag 公司就在一些特殊高速銑床上成功應(yīng)用了這種軸承; 由于通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)可以自適應(yīng)控制主軸的特性 , 因而這種磁力軸承顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br>在今天的高速主軸設(shè)計(jì)中 , 混合陶瓷軸承發(fā)揮了巨大的作用 , 而且在將來(lái)的一段的時(shí)間里還繼續(xù)發(fā)揮這種作用。下一代軸承將是純陶瓷軸承 (包括滾道) 。現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了純陶瓷軸承的制造技術(shù) , 但是一套高速加工主軸使用的純陶瓷軸承的價(jià)格在300000～400000美元左右,如此昂貴的價(jià)格阻礙了它的推廣應(yīng)用。
另外 , 在主軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速下對(duì)主軸、刀具及其刀具夾具進(jìn)行充分的平衡也是非常重要的。否則 , 過(guò)量的振動(dòng)將導(dǎo)致徑向跳動(dòng)問(wèn)題 , 從而縮短刀具壽命 , 降低加工表面質(zhì)量和加工精度。
3 功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)高速高精度加工 , 運(yùn)行快速且功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是*的 , 它必須能夠足夠快地處理數(shù)控程序代碼段以保持程序中規(guī)定的進(jìn)給速度。下面是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)及其概念。
(1) 伺服周期。這是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)用于測(cè)量一次工作臺(tái)的實(shí)際位置并發(fā)出一次進(jìn)給命令所用的時(shí)間。換句話說(shuō) , 如果計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的伺服周期是 5ms ,那么 , 它將在一秒鐘內(nèi) 200 次檢測(cè)工作臺(tái)的位置并在每次檢測(cè)位置后發(fā)出新的進(jìn)給命令。
(2) 代碼段處理時(shí)間。這是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)處理并完成一條加工指令代碼段規(guī)定的位移所花費(fèi)的時(shí)間。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于高速加工中心來(lái)說(shuō)非常重要 , 因?yàn)樗麄儗Q定機(jī)床的加工速度和加工精度。在這里 , 精度意味著在采用線性插補(bǔ)時(shí) , 用直線段來(lái)逼近零件輪廊所允許的大誤差。當(dāng) nc程序編制得越精確 , 描述刀具軌跡所需要的點(diǎn)也就越多 ,點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離也就越短。當(dāng)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離過(guò)短時(shí)會(huì)導(dǎo)致所謂“數(shù)據(jù)不足” (date starvation) 的現(xiàn)象 , 此時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)將無(wú)法使機(jī)床達(dá)到數(shù)控代碼規(guī)定的切削進(jìn)給速度。
在高速加工中 , 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)必須保證形成精確的加工軌跡 , 另外 , 在用直線段來(lái)逼近零件輪廊時(shí) ,為了保證精度 , 直線段勢(shì)必很短 , 從而使得零件程序變得很長(zhǎng)?；诖?, 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)需要一個(gè) 32位的微處理器 , 有時(shí)甚至需要多個(gè)微處理器 , 以完成高速插補(bǔ)、高速段處理和良好的待加工軌跡監(jiān)控 (lookahead) 功能。為了能預(yù)先知道刀具路徑以避免在拐角處出現(xiàn)事故 , 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是具有較多段加工nc代碼軌跡監(jiān)控的能力 , 這與司機(jī)必須有良好的視野范圍才能高速駕駛一輛汽車有些類似。
目前所有較高水平的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)都具有待加工軌跡監(jiān)控能力。所謂待加工軌跡監(jiān)控 , 就是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在控制加工的同時(shí)掃描待加工的數(shù)控代碼 ,看刀具路徑是否有方向上的突然改變 , 如果計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前面必須改變進(jìn)給方向時(shí) , 自動(dòng)執(zhí)行加減速程序 , 以避免偏離程序中規(guī)定的切削加工路徑。一些計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床制造商通過(guò)軟件來(lái)增強(qiáng)這一功能 , 并以此來(lái)優(yōu)化機(jī)床的性能。例如 ,makino公司在他們的 fanuc 16mc控制系統(tǒng)中使用了64位“超級(jí)幾何智能卡” ,其數(shù)控系統(tǒng)具有 120 段待加工nc代碼的軌跡監(jiān)控能力 ,這樣 ,它允許 nc代碼的編程人員使用想要的高進(jìn)給速度 , 控制系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度和加減速度 ———在加工曲線段時(shí)減速 , 而在加工直線段時(shí)加速。當(dāng)然 , 這些加/減速處理都是隨不同機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性及要求的加工精度的不同而不同。
4 運(yùn)動(dòng)控制卡
運(yùn)動(dòng)控制卡是很多機(jī)床控制系統(tǒng)的基本組成部分 ,用于組成機(jī)床的位置環(huán)。它計(jì)算機(jī)床各軸的運(yùn)行規(guī)律并給伺服電機(jī)發(fā)送命令以確保這些規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單地說(shuō) , 運(yùn)動(dòng)控制卡的工作順序是: 接受控制系統(tǒng)主機(jī)送來(lái)的 g代碼段:根據(jù)進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和位移量來(lái)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù);計(jì)算出各軸以程序規(guī)定的速度在的加工路徑上的一系列理論位置 ,然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)伺服放大器的信號(hào)以控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)保證加工路徑的實(shí)現(xiàn)。為保證程序規(guī)定的加工路徑的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn) ,運(yùn)動(dòng)控制卡要重復(fù)地檢測(cè)機(jī)床各軸的實(shí)際位置并計(jì)算實(shí)際位置與理論位置的誤差 ,同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的調(diào)節(jié)來(lái)使這種誤差小。這樣就*了位置環(huán)的一次工作循環(huán)。
為了控制高速加工中心正常運(yùn)行 , 運(yùn)動(dòng)控制卡的所有工作都是實(shí)時(shí)反復(fù)地執(zhí)行 , 幾乎每秒鐘要進(jìn)行成千上萬(wàn)次。普通 pc 機(jī)的軟硬件不能任這種工作 , 而運(yùn)動(dòng)控制卡上的微處理器及其軟件卻有完成這種任務(wù)的能力 , 他們是為運(yùn)動(dòng)控制中快速重復(fù)的方程式解算而專門設(shè)計(jì)的。
現(xiàn)在 , 運(yùn)動(dòng)控制卡的發(fā)展趨勢(shì)是: ①實(shí)現(xiàn)與機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)之間的高速通訊; ②大量使用數(shù)字技術(shù)。
運(yùn)動(dòng)控制卡功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)一個(gè)響應(yīng)迅速、與刀具路徑刀具處理系統(tǒng)緊密結(jié)合的伺服系統(tǒng)?？墒?,盡管計(jì)算機(jī)數(shù)控領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常談及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) , 但還是難以指望那種性能優(yōu)良的伺服控制單元在近期里出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的著名制造商正在致力于復(fù)雜的分布式控制體系結(jié)構(gòu)的建立。他們除了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中使用多個(gè)高速處理器分擔(dān)不同的實(shí)時(shí)控制任務(wù)外 , 有時(shí)還在一些系統(tǒng)中使用“敏捷”(smart) 數(shù)字坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)器 , 從速度方向考慮 , 反饋信號(hào)直接回到驅(qū)動(dòng)器 , 而不是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) , 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的精度。
一個(gè)全數(shù)字式的運(yùn)動(dòng)控制卡將進(jìn)一步增強(qiáng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能。例如 , mitsubishi 500cnc通過(guò) g代碼能被切換到“高精度控制”模式來(lái)提高精度并減少加工時(shí)間。在一般的控制系統(tǒng)中 , 加/減速度是一個(gè)常數(shù) , 但該控制系統(tǒng)在這種模式下工作時(shí) , 加/減速度是按進(jìn)給速度的某種函數(shù)計(jì)算的。其次 , 該控制系統(tǒng)中的控制算法能夠把加減速過(guò)程中的位移 - 時(shí)間曲線平滑成“s”形 , 這將使伺服系統(tǒng)運(yùn)行變得更加平穩(wěn)。再次 , 該控制系統(tǒng)中運(yùn)用了自適應(yīng)數(shù)字濾波來(lái)抑制系統(tǒng)在某種頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)。
5 高速加工的數(shù)控編程
高速加工的數(shù)控編程不同于普通加工的數(shù)控編程。在高速加工中 , 由于進(jìn)給速度和加工速度很快 , 編程員必須能夠預(yù)見(jiàn)到切削刀具是怎樣切入工件中去的。加工時(shí)除了使用小的進(jìn)給量和淺的切削深度外 , 編制nc代碼時(shí)盡量避免加工方向的突然改變也是非常重要的 , 因?yàn)檫M(jìn)給方向的突然變化不僅會(huì)使切削速度降低 ,而且還有可能產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象 , 這會(huì)降低加工表面質(zhì)量 , 甚至還會(huì)產(chǎn)生過(guò)切或殘留、刀具損壞乃至主軸損壞的現(xiàn)象 , 特別是在三維輪廊加工過(guò)程中 , 將復(fù)雜型面或拐角部分單獨(dú)加工會(huì)比用“之”字形加工法、直線法或其他一些通用加工方法來(lái)一次加工出所有面更有利一些。
高速加工時(shí) , 建議刀具緩慢切入工件 , 同時(shí)盡量避免刀具切出后又重新切入工件 , 因此 , 從一個(gè)切削層緩慢地進(jìn)入另一個(gè)切削層比切出后再突然進(jìn)入要好 ,其次 , 盡可能地保持一個(gè)穩(wěn)定的切削參數(shù) , 包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線速度的一致性 , 當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí) , 應(yīng)降低進(jìn)給速度 , 因?yàn)樨?fù)載的變化會(huì)引起刀具的偏斜 , 從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命。故在很多情況下 , 有必要對(duì)工作輪廊的某些復(fù)雜部分進(jìn)行預(yù)處理 , 以使高速運(yùn)行的精加工小直徑刀具不會(huì)因?yàn)榍暗拦ば蚴褂玫妮^大直徑刀具而留下的“加工殘余”而導(dǎo)致切削負(fù)載的突然加大。目前一些 cam軟件具有“加工殘余分析”的功能 , 這一功能使得 cam系統(tǒng)準(zhǔn)確地知道每次切削后加工殘余的位置所在 , 這是保持刀具負(fù)載不變的關(guān)鍵 ,而這一關(guān)鍵對(duì)高速加工的成功實(shí)現(xiàn)又是至關(guān)重要的?？傊?, 刀具路徑越簡(jiǎn)單越好 , 這樣 , 加工過(guò)程更有可能達(dá)到大進(jìn)給速度 , 而不必由于密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)簇和加工方向的突然改變而減速。在“之”字形切削路徑中 , 用“弧線”(或類似弧形線段) 來(lái)連接相鄰的兩個(gè)直線段 , 將有利于減少加/減速程序的頻繁調(diào)用和轉(zhuǎn)換次數(shù)。
在高速加工中 , 無(wú)論從加工精度還是從加工安全性來(lái)說(shuō) , cam系統(tǒng)的自動(dòng)過(guò)切 (殘余) 保持功能是*的。因?yàn)檫^(guò)切 (殘留) 對(duì)工件的損壞是不可修復(fù)的。而它對(duì)刀具的破壞亦是災(zāi)難性的 , 這就要求被加工幾何表面建立一個(gè)精確而連續(xù)的數(shù)字模型以及有一個(gè)高效的刀具路徑生成算法來(lái)保證加工輪廓的完整性。其次 , cam系統(tǒng)對(duì)刀具路徑的驗(yàn)證能力亦是非常重要的 , 這一方面可以允許程序員在把加工代碼送到車間之前驗(yàn)證程序編制的正確性 , 另一方面還可以對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化 , 根據(jù)不同加工路徑自動(dòng)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度以始終保持大安全進(jìn)給速度。
6 待加工軌跡監(jiān)控 (look ahead)
前已述及 , 高速加工中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具有待加工軌跡監(jiān)控功能。通過(guò)待加工軌跡監(jiān)控 , 機(jī)床可以獲得高進(jìn)給速度 , 這就是說(shuō) , 機(jī)床的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)可以在保證加工精度的條件下使機(jī)床盡可能在大編程速度下工作。這里值得注意的是 , 完成上述工作的不是程序員 , 也不是機(jī)床操作者 , 而是機(jī)床的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) , 它可以在秒鐘內(nèi) 2000多次改變進(jìn)給速度來(lái)達(dá)到上述目的。因此 , 使用一個(gè)具有待加工軌跡監(jiān)控功能的高速計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) , 可以保證在理想的精度條件下實(shí)現(xiàn)零件加工時(shí)間的短。
(1) 待加工軌跡監(jiān)控的必要性
一般來(lái)說(shuō) , 經(jīng)過(guò)機(jī)床加工后無(wú)需鉗工處理的零件應(yīng)是密的。為了達(dá)到這一目的 , 可以通過(guò)盡量減少進(jìn)給量來(lái)降低加工表面的理論粗糙度。減少進(jìn)給量意謂著所需要的切削時(shí)間會(huì)增加 , 但進(jìn)給量的減少降低了切削力 , 因而允許機(jī)床在更大的加工速度和更高的進(jìn)給速度下工作。特別是隨著新的刀具制造技術(shù)的發(fā)展 , 更促進(jìn)了加工速度的提高。在當(dāng)今的高速銑削加工中 , 高速計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和高速伺服單元結(jié)合來(lái)用少的時(shí)間加工出符合精度要求的工件 , 待加工軌跡監(jiān)控是*的條件。
(2) 為什么需要待加工軌跡監(jiān)控
* , 三維型面是很多相互靠近的點(diǎn)來(lái)形成的 , 其實(shí)問(wèn)題就出在這里。我們可以經(jīng)常見(jiàn)到很多 nc代碼段定義的位移僅 010025mm , 這在復(fù)雜的精密零件加工中更是常見(jiàn) , 如此密集的點(diǎn)在高速加工中出現(xiàn)過(guò)切 (殘留) 的可能性極大。如果機(jī)床以高于 510m/ min的進(jìn)給速度工作 , 那么機(jī)床要在小于 0125mm 的距離內(nèi)從加工速度減速直到停下來(lái)幾乎是不可能的。如果控制系統(tǒng)不通過(guò)待加工軌跡監(jiān)控對(duì)此做出充分的準(zhǔn)備 ,過(guò)切 (殘留) 現(xiàn)象就不可避免。
(3) 待加工軌跡監(jiān)控的工作原理
顧名思義 , 待加工軌跡監(jiān)控就是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在控制加工的同時(shí)對(duì)將要被加工的程序段進(jìn)行掃描以驗(yàn)證其能否正確控制機(jī)床完成 nc代碼所規(guī)定的任務(wù)。如果發(fā)現(xiàn)前面有可能出現(xiàn)問(wèn)題的話 , 控制系統(tǒng)將在適當(dāng)?shù)奈恢每刂茩C(jī)床開(kāi)始減速 , 把它降到剛好能滿足加工精度要求的大速度為止。
(4) 待加工軌跡監(jiān)控的代碼段數(shù)
從1010m/ min的速度停下來(lái) , 大部分機(jī)床至少需要1010mm以上的距離。這就是說(shuō) , 如果每一 nc代碼段定義的位移僅 0110mm , 那么計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)就需要對(duì)后續(xù)待加工的100段nc代碼進(jìn)行檢查看是否有加工方向的大幅度改變。后續(xù)的每?jī)蓚€(gè) nc代碼段的連接與目前加工點(diǎn)的距離和每軸減速的大距離進(jìn)行比較。每一個(gè)微小線段可能需要計(jì)算一個(gè)不同的進(jìn)給速度以保證達(dá)到精度要求的大進(jìn)給速度。因此 , 不能規(guī)定監(jiān)控多少段待加工 nc代碼就足夠了 , 監(jiān)控待加工的程序段數(shù)是變化的 , 隨著零件輪廓的復(fù)雜程度、要求達(dá)到的加工精度以及不同機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能等因素而改變。待加工軌跡監(jiān)控算法雖然復(fù)雜 , 但這一工作完成得越快 , 越精確 , 那么計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制加工微小線段的性能和精度就越好。
如果使用沒(méi)有待加工軌跡監(jiān)控功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) , 那么機(jī)床加工的進(jìn)給速度幾乎是固定的 , 例如 ,如果加工的零件有某處形狀較為復(fù)雜 , 當(dāng)加工進(jìn)給速度超過(guò) 014m/ min時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)切 (殘留) 現(xiàn)象 , 這時(shí)機(jī)床就必須以 014m/ min的速度加工整個(gè)零件。如果數(shù)控系統(tǒng)具有待加工軌跡監(jiān)控功能 , 那么它就可以不斷調(diào)整進(jìn)給速度來(lái)平衡加工速度與加工精度的關(guān)系 , 也即數(shù)控系統(tǒng)不斷監(jiān)控后續(xù)加工的 nc代碼段并調(diào)節(jié)進(jìn)給速度以使機(jī)床能用少的時(shí)間來(lái)加工出符合加工精度要求的零件?？傊?, 待加工軌跡監(jiān)控功能是本著“精度第一 , 速度第二”的原則來(lái)優(yōu)化加工參數(shù) , 以使機(jī)床工作得更好、機(jī)床壽命更長(zhǎng)。不過(guò) , 只有在仔細(xì)優(yōu)化機(jī)床的加/減速性能并充分利用機(jī)床及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性的前提下 , 待加工軌跡監(jiān)控功能的優(yōu)點(diǎn)才能得以充分體現(xiàn)。
7 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) (direct cnc networking)
高速加工中 , 要實(shí)現(xiàn)刀具與工件之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不是一件十分簡(jiǎn)單的事情。一般來(lái)說(shuō) , 高速加工機(jī)床都是在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下工作的 , 數(shù)控系統(tǒng)中的 nc指令來(lái)自 cam系統(tǒng)產(chǎn)生的表示刀具軌跡的數(shù)據(jù)流。很多親自操作過(guò)銑床來(lái)加工三維復(fù)雜零件的人肯定見(jiàn)到過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)因等待 cnc代碼數(shù)據(jù)而停止插補(bǔ)的現(xiàn)象。怎樣才能將 nc代碼數(shù)據(jù)快速送到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中以避免出現(xiàn)“數(shù)據(jù)不足” ( datastarvation) 的現(xiàn)象 ? 由于 cad/ cam系統(tǒng)在三維零件數(shù)控加工中的成功應(yīng)用 , dnc (直接數(shù)字控制) 在過(guò)去幾年里成為了數(shù)控加工中解決上述問(wèn)題的通用工具。由于三維零件的 nc代碼文件非常龐大 , 而計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中的內(nèi)存單元又相對(duì)較少 , 因此有必要在加工過(guò)程中分批將加工代碼傳送到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中。在高速加工中心中 , 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該與cad/cam系統(tǒng)連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中 (direct cnc networking或dcn) 。網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送速度是 1m 字節(jié)/秒。而串行通訊的典型數(shù)據(jù)傳送速度 (在 9600 波特率的情況下) 是960 字節(jié)/秒 , 因此 , dcn 使 cad/ cam系統(tǒng)向計(jì)算數(shù)控系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)的速度得到了顯著提高 , 其提高幅度幾乎是 1000倍。
在高速加工時(shí) , 如果 nc 代碼數(shù)據(jù)不能夠以足夠快的速度傳送到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中 , 那么 , 快速而精確地加工三維復(fù)雜曲面將是一句空話。一般來(lái)說(shuō) , 在三維加工中 , 如果 nc代碼段定義的位移小于 015mm的話 , 這時(shí)候 cad/ cam 系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送就必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送 , 否則 , dnc在數(shù)據(jù)傳送速度方面的不足將會(huì)影響到機(jī)床性能的充分發(fā)揮。當(dāng)dnc的數(shù)據(jù)傳送速度成為一個(gè)瓶頸問(wèn)題的時(shí)候 , 控制系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)因等待 nc數(shù)據(jù)段而停止插補(bǔ)的現(xiàn)象 , 這對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō)意味著出現(xiàn)走走停停的“爬行”現(xiàn)象?？梢?jiàn) , 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)待加工軌跡監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn) , cad/ cam系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之間具有高速通訊功能就顯得非常重要。
8 高速加工中心的其他方面
一臺(tái)高速加工中心就是一個(gè)綜合系統(tǒng) , 其各個(gè)方面都離不開(kāi)設(shè)計(jì)和制造工程師們的智慧。
對(duì)于高速加工中心的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō) , 重要的問(wèn)題就是要能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)軸向在高的速度和加速度的情況下精確地運(yùn)動(dòng) , 克服由此而產(chǎn)生的所有問(wèn)題 , 其中主要的就是振動(dòng)和發(fā)熱問(wèn)題。
對(duì)于軸向運(yùn)動(dòng)速度問(wèn)題 , 目前的技術(shù)是使用直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng) , 取代了原來(lái)用回轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲桿的傳統(tǒng)方法。與高分辨率的線性反饋系統(tǒng)結(jié)合使用 , 直線電機(jī)具有速度快、剛性好和精度高的特點(diǎn)。使用這種電機(jī)和反饋裝置后 , ge fanuc 的機(jī)床在進(jìn)給速度達(dá)到 7612m/ min 的情況下 , 加工誤差只有3 μm。況且 , 目前使用直線電機(jī)的機(jī)床能達(dá)到高達(dá)115g的加/減程度 , 這對(duì)高精度高速切削和減少非切削時(shí)間是特別重要的。
當(dāng)然 , 直線電機(jī)也不是實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的途徑。mazak在它的 ff - 510臥式加工中心和 fjv - 20 立式加工中心中 , 使用滾珠絲桿和回轉(zhuǎn)電機(jī)也達(dá)到了 1g的加速度和 6010m/ min的快速進(jìn)給速度。在這兩種加工中心中 , 使用了螺距較長(zhǎng)的雙頭螺紋滾珠絲桿 , 以便伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的線位移。盡管如此 , 通過(guò)使用高分辨率的反饋編碼器 , 該類機(jī)床仍可達(dá)到 ±01005mm的精度。
在設(shè)計(jì)上述的滾珠絲桿時(shí) , 必須考慮熱量對(duì)它的影響 , 以免高速加工時(shí)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦產(chǎn)生的熱量降低系統(tǒng)的精度。
高速加工中心設(shè)計(jì)中 , 其他應(yīng)考慮的方面還有 ,運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有較小的慣性 , 其剛度也應(yīng)合適以吸收高速加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。
總之 , 在高速加工中心的設(shè)計(jì)中 , 我們應(yīng)大膽創(chuàng)新 , 使用一些非傳統(tǒng)的方法 , 解決因高速而引起的種種問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的日益普及 , 不難找到解決每一個(gè)問(wèn)題的方法。