(一)從機(jī)床到數(shù)控機(jī)床,機(jī)器不再無(wú)腦干活
機(jī)床是其他機(jī)器的“母機(jī)”。
煉鋼廠出產(chǎn)的鋼鐵并不是我們?cè)谏钪幸?jiàn)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(jī)床進(jìn)行切削;還有一些精度要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件,就要在機(jī)床上用精細(xì)繁復(fù)的工藝切出來(lái)或者磨出來(lái)。
和所有的機(jī)器一樣,最初的機(jī)床包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和執(zhí)行裝置,靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入動(dòng)力,通過(guò)傳動(dòng)裝置帶著被加工的工件或者刀具進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng),至于在哪兒下刀、切多少、多快速度切等等問(wèn)題,則由人在加工過(guò)程中直接進(jìn)行控制。
由于傳統(tǒng)機(jī)床使用的電機(jī)的轉(zhuǎn)速在工作時(shí)基本上是不變的,為了實(shí)現(xiàn)不同的切削速度,傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計(jì)了極為復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)。這種復(fù)雜度的機(jī)械在現(xiàn)今的設(shè)計(jì)中已經(jīng)不多見(jiàn)了。
而隨著伺服電機(jī)(伺服電機(jī)就是可以在一定范圍內(nèi)精確控制電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速的電機(jī))技術(shù)的發(fā)展及其在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用,直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得方便快捷效率高,而且基本上是無(wú)級(jí)變速,傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,甚至出現(xiàn)了很多環(huán)節(jié)電機(jī)直接連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,而省略了傳動(dòng)系統(tǒng)。
這種“直接驅(qū)動(dòng)”的模式是現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。
結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化還不夠,要實(shí)現(xiàn)各種各樣的形狀的零件的加工,還需要讓機(jī)床可以高效、準(zhǔn)確的控制多臺(tái)電機(jī)合作完成整個(gè)加工過(guò)程。
這就要讓機(jī)床成為有“腦子”的數(shù)控機(jī)床了。而這個(gè)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(jī)床能干多復(fù)雜、多精密的活兒,也決定了這臺(tái)機(jī)床和他的操作者的身價(jià)。
(二)數(shù)控系統(tǒng)能干嘛?處理信息并控制動(dòng)力
數(shù)控系統(tǒng)(Numerical Controller System)是數(shù)控機(jī)床的大腦。
對(duì)于一般數(shù)控機(jī)床而言,往往包含人機(jī)控制界面、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床、檢測(cè)裝置等等,操作人員在一些計(jì)算機(jī)輔助制造軟件的幫助下,將加工過(guò)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(guò)人及控制界面輸入到數(shù)控機(jī)床,之后由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行處理和運(yùn)算,并按零件程序的要求控制伺服電機(jī),實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),以完成零件的加工。
數(shù)控系統(tǒng)完成諸多信息的存儲(chǔ)和處理的工作,并將信息的處理結(jié)果以控制信號(hào)的形式傳給后續(xù)的伺服電機(jī),這些控制信號(hào)的工作效果依賴于兩大核心技術(shù):一個(gè)是曲線曲面的插補(bǔ)運(yùn)算,一個(gè)是機(jī)床多軸的運(yùn)動(dòng)控制。
(三)零件形狀太“自由”?靠插補(bǔ)運(yùn)算搞定
如果運(yùn)動(dòng)軌跡可以用解析式表達(dá),則整個(gè)運(yùn)動(dòng)就可以分解為幾個(gè)坐標(biāo)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng),就可以直接控制電機(jī)生成了。
但是制造過(guò)程中很多零件的形狀可以說(shuō)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(jī)、模具、藝術(shù)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(lái)這些“自由”的形狀,刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)的十分復(fù)雜。具體到操作中,就是要控制工件臺(tái)、刀具都按照設(shè)計(jì)好的位置-時(shí)間曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng),控制這二者在規(guī)定的時(shí)間以指定的姿態(tài)到達(dá)指定的位置。
機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng),而這種復(fù)雜的“自由”運(yùn)動(dòng)又該怎么完成呢?答案是依靠插補(bǔ)運(yùn)算。
所謂插補(bǔ),就是按照一定方法確定數(shù)控機(jī)床上刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程。根據(jù)給定的速度和軌跡,在軌跡的已知點(diǎn)之間,增加一些新的中間點(diǎn),并控制工件臺(tái)和刀具通過(guò)這些中間點(diǎn),進(jìn)而就能完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)。
而這些中間點(diǎn)之間,則通過(guò)線段、圓弧或者樣條曲線等來(lái)連接。相當(dāng)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(bǔ)的本質(zhì)。
流行的插補(bǔ)算法包括逐點(diǎn)比較法、數(shù)字增量法等,而利用Nurbs樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)因?yàn)槠湫矢摺⒕群枚玫搅烁叨藬?shù)控機(jī)床的青睞
(四)刀的姿態(tài)不對(duì)無(wú)法加工?五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)分分鐘搞定
加工復(fù)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(duì)位置關(guān)系。
一方面如果刀具的姿態(tài)不合適會(huì)導(dǎo)致加工的表面質(zhì)量低下;另一方面刀具還會(huì)和加工好的零件結(jié)構(gòu)互相干涉,不調(diào)整刀具的相對(duì)姿態(tài)根本沒(méi)有辦法加工。這就需要賦予數(shù)控機(jī)床更多的運(yùn)動(dòng)自由度,使之更為靈巧。
由于我們所處的三維空間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只包含六個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)自由度以及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度),五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)就是使數(shù)控機(jī)床在具有空間上x(chóng)、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度外,又增加了兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度,再加上刀具本身的用于切削的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,這樣刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就有了全部的六個(gè)自由度,使得刀具和工件之間可以呈現(xiàn)任意的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。
雖然標(biāo)了4個(gè)平動(dòng)自由度,但是其實(shí)質(zhì)上也只是實(shí)現(xiàn)了x、y、z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),有一個(gè)自由度是冗余的,其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床。
(五)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng):逐漸邁向高端市場(chǎng)
中國(guó)是當(dāng)今世界機(jī)床制造大國(guó),數(shù)控系統(tǒng)在性能、功能和成套化應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。
其中,低檔數(shù)控系統(tǒng)幾乎完全取代了進(jìn)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(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)功能,并在六軸數(shù)控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復(fù)合機(jī)床等設(shè)備上得到了示范應(yīng)用。
此外,中國(guó)企業(yè)針對(duì)零件(如手機(jī)殼)的大批量、表面光潔度高等特點(diǎn),各自開(kāi)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(chǎng)現(xiàn)已基本被國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)和主機(jī)占領(lǐng)。
不過(guò),還是應(yīng)該看到,國(guó)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(jī)床強(qiáng)國(guó)相比,中國(guó)的機(jī)床產(chǎn)品在全球機(jī)床市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力差距依然很大。