【文章內(nèi)容簡介】 8] 柔性自 動化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)同時注重加強單元技術(shù)的開拓完善數(shù)控 機床與其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CADCAMCAPP 連接向信息集成方 向發(fā)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放集成和智能化方向發(fā)展 伴隨著數(shù)控系統(tǒng)的智能化開放式網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢其已不再是簡單的 進行運動軌跡與邏輯控制單元而是轉(zhuǎn)變?yōu)?貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平 臺控制對象的復(fù)雜多變生產(chǎn)的柔性化趨勢需要數(shù)控系統(tǒng)具有較好的柔性配 置功能和可重構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)基于此采用現(xiàn)場總線 [29]將擁有獨立的控制和運算 能力的功能單元以一種全新的優(yōu)化方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架 中實現(xiàn)多層次的軟硬件可擴展已經(jīng)成為高端數(shù)控系統(tǒng)的必然選擇因此在高 端數(shù)控系統(tǒng)的具體技術(shù)開發(fā)中全數(shù)字化總線式多軸多通道的通用型數(shù)控系 統(tǒng)成為人們更加青睞的選擇 數(shù)控系統(tǒng)的全數(shù)字化不僅包括數(shù)控單元到伺服接口以及伺服系統(tǒng)內(nèi)部是數(shù) 字的而 且還要包括測量單元的數(shù)字化因此現(xiàn)場總線編碼器到伺服的數(shù)字 化接口驅(qū)動單元內(nèi)部三環(huán)位置環(huán)速度環(huán)及電流環(huán)的數(shù)字化是數(shù)控系統(tǒng) 全數(shù)字化的重要標(biāo)志 [30 31] 目前國外的高檔數(shù)控系統(tǒng)甚至中低檔數(shù)控系統(tǒng)都已經(jīng) 實現(xiàn)全數(shù)字化控制這都使其系統(tǒng)控制精度穩(wěn)定性與產(chǎn)品競爭力大幅提升 針對制造業(yè)對整合數(shù)控機床即融合工業(yè)機器人影像處理系統(tǒng)和精密物料 搬運各項功能的機械不僅能完成通常的加工功能而且還具備自動測量自動 上下料自動換刀自動誤差補償自動診斷和聯(lián)網(wǎng)等功能的巿場需求各著 名數(shù)控系統(tǒng)廠紛紛將 多軸包括多主軸多通道控制軸同步控制軸疊加控制 軸混合控制信道協(xié)同等功能列為新的研究點 [9 26] 其中的同步控制可以令不同 通道的運動軸按照某種時序關(guān)系或某種條件達到同步混合控制可讓一個軸的混 合命令在各通道之間進行交換疊加控制能把一個軸的移動命令疊加到屬于另一 通道的另一個軸上去 [32 33] 如 FANUC 開發(fā)的新一代復(fù)合高速高精和高效 多軸聯(lián)動多通道的數(shù)控系統(tǒng) Fanuc 30i 系統(tǒng)該系統(tǒng)具有 10 通道八根主軸 可控進給軸數(shù)達 32 根可聯(lián)動控制進給軸數(shù)達 24 個能同時運行十個獨立的數(shù) [6] 控加工程序具有軸同步混合疊加控制等功能 基于此系統(tǒng) FANUC 公司 推出了四個搬運機器人一套天車輸送線外加兩部六腿切削加工機器人的整合 加工系統(tǒng)整個系統(tǒng)動作協(xié)調(diào)有序銜接順暢體現(xiàn)了典型的多軸多通道數(shù)控 系統(tǒng)的特征 3 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 13 相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析 高速高精加工技術(shù) 高速切削是指高于常規(guī)速度 510 倍的切削 [5 34] 高速加工特別是高速銑 削與新一代高速數(shù)控機床特別是高速加工中心的開發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)近十 多年來由于刀具伺服驅(qū)動數(shù)字控制和機床等技術(shù)的不斷進步高速加工和 高精加工特別是高速切削 HSM 已在航空航天模具制造業(yè)中得到了廣 泛應(yīng)用和推廣傳統(tǒng)的電火花加工在很多場合已被高速切削所替代 [35] 通過高速 銑對一次裝 夾下的模具坯件進行綜合加工不僅大大提高了工件的加工精度和表 面質(zhì)量大幅度減少了加工時間而且簡化了生產(chǎn)工藝流程從而顯著縮短了工 件的制造周期降低了工件生產(chǎn)成本在轎車工業(yè)領(lǐng)域年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié) 拍是 40 秒輛而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一在航空和 宇航工業(yè)領(lǐng)域其加工的零部件多為薄壁和薄筋剛度很差材料為鋁或鋁合金 只有在高切削速度和切削力很小的情況下才能對這些筋壁進行加工近年來 采用大型整體鋁合金坯料掏空的方法來制造機翼機身等大型零件來替代多 個零件通過眾多的鉚 釘螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝使構(gòu)件的強度剛度和可靠 性得到提高 [24 36 37] 這些都對加工裝備提出了高速高精和高柔性的要求 為了實現(xiàn)高速高精加工與之配套的功能部件如電主軸直線電機等得到 了快速的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大這主要集中在高頻電主軸直線電機轉(zhuǎn) 矩電機高速切削刀具等越來越多的應(yīng)用在高檔數(shù)控裝備上 [38] 1．高頻電主軸直接將電機裝配在主軸中中間不需傳動環(huán)節(jié)是高頻電 動機與主軸部件的集成具有體積小轉(zhuǎn)速高可無級調(diào)速等一系列優(yōu)點電主 軸結(jié)構(gòu)緊湊軸承的內(nèi)外環(huán)采 用高氮合金鋼制造配以陶瓷滾動元件并采用優(yōu) 良的密封和冷卻技術(shù)以滿足主軸高速運轉(zhuǎn)要求高頻電主軸是精密制造技術(shù)軸 承技術(shù)電機調(diào)速技術(shù)電機技術(shù)等各項技術(shù)的綜合成果國際上高速高精度 數(shù)控機床普遍采用電主軸單元在多工件復(fù)合加工機床多軸聯(lián)動多面體加工機 床并聯(lián)機床和柔性加工單元中電主軸更有機械主軸不可替代的優(yōu)越性 2 ．直線電動機專門為動態(tài)性能和運動精度要求高的機床設(shè)計的直線電動 機雖然價格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)但卻大大簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)有效提高了 機床動態(tài)性能 [39] 進給速度和加速度 方面直線電機最大加速度可達 30g 目前 加工中心的進給加速度已達 3g 激光加工機的進給加速度已達 5g 現(xiàn)在進給速 度 100mmin 加速度 1～ 2g 的直線電機驅(qū)動機床已很普遍西門子公司生產(chǎn)的 1FN1 系列三相交流永磁式同步直線電動機移動速度為 120mmin 加速度為2g 4 第一章 緒論 如德國 Trumpf公司法國的 Renault automation公司 可生產(chǎn)直線電機最大速度達 150～ 200mmin 加速度達 5g 在定位精度方面利用直線電機并采用光柵閉環(huán) 控制定位精度可達 01～ 001μ m 應(yīng)用前饋控制的直線電機驅(qū)動系統(tǒng)可減少跟 蹤誤差 200 倍以上由于運動部件的動態(tài)特性好響應(yīng)靈敏加上插補控制的精 細(xì)化可實現(xiàn)納米級控制從行程方面來講傳統(tǒng)的絲杠傳動受絲杠制造工藝限 制一般為 4～ 6m 更長的行程需要接長絲杠無論從制造工藝還是在性能上都 不理想而采用直線電機驅(qū)動定子可無限加長且制造工藝簡單已有大型高 速加工 中心 X 軸長達 40m 以上由于直線電機驅(qū)動的工作平臺具有高速高加速 度高精度行程不受限制的特點可以更好的滿足現(xiàn)代數(shù)控機床對于進給伺服 電機的要求 3 ．轉(zhuǎn)矩電機在高速加工中心上回轉(zhuǎn)工作臺的擺動以及叉形主軸頭的擺 動和回轉(zhuǎn)等運動已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機來實現(xiàn) [1 38 40] 轉(zhuǎn)矩電機是一種同步電機 其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動的部件上所以沒有機械傳動元件它像直線電機一 樣是直接驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)矩電機所能達到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動高 6 倍在擺動叉形主軸頭時加速度可達到 3g 由 于轉(zhuǎn)矩電機可達到極高的靜態(tài)和 動態(tài)負(fù)載剛性從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動軸的定位精度和重復(fù)定位精度 值得提及的是直接驅(qū)動的直線軸與直接驅(qū)動的回轉(zhuǎn)軸相組合使機床所有 的運動軸都具有較高的動態(tài)性能和調(diào)節(jié)特性從而為高速度高精度和高表面質(zhì) 量加工自由曲面提供了最佳條件這些高性能和高可靠的新型功能部件的出現(xiàn)使 數(shù)控機床的開發(fā)和試制周期縮短數(shù)控機床的性能與可靠性也得到大幅度提升 4 ．高速切削刀具刀具材料的進步是切削加工技術(shù)進步的決定性因素之一 對于高速切削加工刀具材料更具有舉足輕重 的影響近三四十年來刀具材料 所取得的突破使高速切削中出現(xiàn)的問題得到了較好解決一些新型刀具材料如 氧化物碳化物氮化物陶瓷刀具和立方氮化硼 CBN 等具有良好的耐熱性晶 須增韌陶瓷刀具和涂層技術(shù)的應(yīng)用大大提高了刀具硬度并使刀具兼有高硬度的 刃部和高韌性的基體用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼 PCBN 刀片的硬度 高達 3500～ 4500HV 己成為高速切削淬硬鋼的首選刀具 [41] 同樣用聚晶方法得 到的聚晶金剛石 PCD 刀片的硬度可達 6000～ 10000HV 用聚晶金剛石 PCD 材料制作的車 刀銑刀鉆頭等可對有色金屬進行高速切削有時也應(yīng)用于黑色 金屬的切削加工 高速高精加工對運動控制系統(tǒng)也有著更高的要求為了達到對復(fù)雜曲面的高 速高精加工當(dāng)前的高端運動控制系統(tǒng)大都需要具備前瞻預(yù)讀控制柔性化加減 速高精度納米級插補 NURBS 插補和多重精度補償?shù)裙δ芷渲? 1．前瞻控制技術(shù)主要解決運動程序段連續(xù)加工中頻繁啟停導(dǎo)致實際加工時 5 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 間延長的問題 [42 43] 現(xiàn)在復(fù)雜形面的數(shù)控加工普遍采用 CAM 編程其中機床運 動的曲線軌跡會使用大量的微小線段描述如果采用傳統(tǒng)的每線段升降速勢必 [14 40 44 45] 導(dǎo)致機床運動速度的頻繁變化導(dǎo)致加工效率低下表面加工質(zhì)量差 因此通過采用前置預(yù)讀技術(shù)對多段運動程序一起進行插補前加減速規(guī)劃以減少 每程序段間的頻繁啟停已成為適用于高速加工數(shù)控系統(tǒng)中必須采用的關(guān)鍵技術(shù) 之一一般情況下前瞻預(yù)讀段數(shù)越多機器進給速率的波動就會越少但對系 統(tǒng)的運算性能也就要求越高在 FANUC 30i 數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以達到 1000 段的前 [9] 瞻控制能力 2 ．柔性化加減速控制技術(shù)主要是用于避免高速加工中加速度變化過大導(dǎo)致 機械沖擊的情況在復(fù)雜曲面的高速加工中往往需要各運動軸在最短的時 間內(nèi) 不斷地調(diào)整運行速度即對各軸加速度性能要求很高伴隨著直線電機力矩電 機等直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用機械本體的剛性變得越來越好其所能達到的速度和 加速度也越來越高在傳統(tǒng)的中低速速度規(guī)劃方法中通常只對機器所能達到的最 大加速度和最大速度進行限制而不對加速的變化率加加速度進行限制在 對高剛性的運動機器進行控制時如果使機器直接以最大加速度啟動或做速度調(diào) 整必然會產(chǎn)生較為明顯的機械沖擊因此高速運動控制系統(tǒng)必須對機器的加加速 度進行規(guī)劃使加速度變化與速度變化一樣實現(xiàn)連續(xù)的變化過程現(xiàn)今高速運動 控制系統(tǒng)如海德漢 iTNC 530 數(shù)控系統(tǒng)和西門子 840D 數(shù)控系統(tǒng)中都采用S 形加 減速控制方法來解決上述中的問題 [46 47] 3 ．高速高精度插補技術(shù)是實現(xiàn)高速高精控制的基礎(chǔ)高速高精度的加工 首先要求的就是極短的插補周期和更高的計算精度 在高精度插補方面已經(jīng)有了納米插補 [48 49] 的概念即數(shù)控系統(tǒng)的插補模塊產(chǎn) 生以納米為單位的位置指令數(shù)字伺服控制器根據(jù)此指令以納米為單位進行位置 控制納米級的插補對運動控制系統(tǒng)的處理器在浮點運算上有著比通用處理器更 高的要求 [50] 如在西門子 828D 數(shù)控系統(tǒng)中其浮點計算位數(shù)已經(jīng)達到 80 位這 在運算速度上為在納米級插補精度要求下實現(xiàn)曲線的高速插補提供了較充分的 保障 [9] 對于模具航空航天關(guān)鍵零部件等需要進行復(fù)雜曲線加工情況最有效的方 法是將 CAD 設(shè)計的自由曲線函數(shù)直接輸給運動控制系統(tǒng)執(zhí)行 [51 52] 由于NURBS 曲線曲面在 CAD技術(shù)中的廣泛使用支持 NURBS直接插補功能的數(shù)控系統(tǒng)能夠 更高精度的加工出零件的原有曲線輪廓同時 NURBS 插補方法可以用較少的程 序段更高精度 的描述出由大量短直線段組成的程序從而可有效的減少輸入加工 程序量 [5355] 此外由于 NURBS 曲線在節(jié)點內(nèi)連續(xù)可導(dǎo)的特點運動控制系