【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8] 柔性自 動(dòng)化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)同時(shí)注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓完善數(shù)控 機(jī)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(kāi)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(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)其已不再是簡(jiǎn)單的 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(guò)程的系統(tǒng)級(jí)平 臺(tái)控制對(duì)象的復(fù)雜多變生產(chǎn)的柔性化趨勢(shì)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(chǎng)總線 [29]將擁有獨(dú)立的控制和運(yùn)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(shí)現(xiàn)多層次的軟硬件可擴(kuò)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(kāi)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(cè)量單元的數(shù)字化因此現(xiàn)場(chǎng)總線編碼器到伺服的數(shù)字 化接口驅(qū)動(dòng)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(guó)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)力大幅提升 針對(duì)制造業(yè)對(duì)整合數(shù)控機(jī)床即融合工業(yè)機(jī)器人影像處理系統(tǒng)和精密物料 搬運(yùn)各項(xiàng)功能的機(jī)械不僅能完成通常的加工功能而且還具備自動(dòng)測(cè)量自動(dòng) 上下料自動(dòng)換刀自動(dòng)誤差補(bǔ)償自動(dòng)診斷和聯(lián)網(wǎng)等功能的巿場(chǎng)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(diǎn) [9 26] 其中的同步控制可以令不同 通道的運(yùn)動(dòng)軸按照某種時(shí)序關(guān)系或某種條件達(dá)到同步混合控制可讓一個(gè)軸的混 合命令在各通道之間進(jìn)行交換疊加控制能把一個(gè)軸的移動(dòng)命令疊加到屬于另一 通道的另一個(gè)軸上去 [32 33] 如 FANUC 開(kāi)發(fā)的新一代復(fù)合高速高精和高效 多軸聯(lián)動(dòng)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(jìn)給軸數(shù)達(dá) 32 根可聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)給軸數(shù)達(dá) 24 個(gè)能同時(shí)運(yùn)行十個(gè)獨(dú)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(gè)搬運(yùn)機(jī)器人一套天車輸送線外加兩部六腿切削加工機(jī)器人的整合 加工系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)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(jī)床特別是高速加工中心的開(kāi)發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)近十 多年來(lái)由于刀具伺服驅(qū)動(dòng)數(shù)字控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)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(chǎng)合已被高速切削所替代 [35] 通過(guò)高速 銑對(duì)一次裝 夾下的模具坯件進(jìn)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(shí)間而且簡(jiǎn)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(wàn)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(diǎn)問(wèn)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(duì)這些筋壁進(jìn)行加工近年來(lái) 采用大型整體鋁合金坯料掏空的方法來(lái)制造機(jī)翼機(jī)身等大型零件來(lái)替代多 個(gè)零件通過(guò)眾多的鉚 釘螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝使構(gòu)件的強(qiáng)度剛度和可靠 性得到提高 [24 36 37] 這些都對(duì)加工裝備提出了高速高精和高柔性的要求 為了實(shí)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(jī)等得到 了快速的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大這主要集中在高頻電主軸直線電機(jī)轉(zhuǎn) 矩電機(jī)高速切削刀具等越來(lái)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(jī)裝配在主軸中中間不需傳動(dòng)環(huán)節(jié)是高頻電 動(dòng)機(jī)與主軸部件的集成具有體積小轉(zhuǎn)速高可無(wú)級(jí)調(diào)速等一系列優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)要求高頻電主軸是精密制造技術(shù)軸 承技術(shù)電機(jī)調(diào)速技術(shù)電機(jī)技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)的綜合成果國(guó)際上高速高精度 數(shù)控機(jī)床普遍采用電主軸單元在多工件復(fù)合加工機(jī)床多軸聯(lián)動(dòng)多面體加工機(jī) 床并聯(lián)機(jī)床和柔性加工單元中電主軸更有機(jī)械主軸不可替代的優(yōu)越性 2 ．直線電動(dòng)機(jī)專門為動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)精度要求高的機(jī)床設(shè)計(jì)的直線電動(dòng) 機(jī)雖然價(jià)格高于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)但卻大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有效提高了 機(jī)床動(dòng)態(tài)性能 [39] 進(jìn)給速度和加速度 方面直線電機(jī)最大加速度可達(dá) 30g 目前 加工中心的進(jìn)給加速度已達(dá) 3g 激光加工機(jī)的進(jìn)給加速度已達(dá) 5g 現(xiàn)在進(jìn)給速 度 100mmin 加速度 1～ 2g 的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)移動(dòng)速度為 120mmin 加速度為2g 4 第一章 緒論 如德國(guó) Trumpf公司法國(guó)的 Renault automation公司 可生產(chǎn)直線電機(jī)最大速度達(dá) 150～ 200mmin 加速度達(dá) 5g 在定位精度方面利用直線電機(jī)并采用光柵閉環(huán) 控制定位精度可達(dá) 01～ 001μ m 應(yīng)用前饋控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可減少跟 蹤誤差 200 倍以上由于運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性好響應(yīng)靈敏加上插補(bǔ)控制的精 細(xì)化可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制從行程方面來(lái)講傳統(tǒng)的絲杠傳動(dòng)受絲杠制造工藝限 制一般為 4～ 6m 更長(zhǎng)的行程需要接長(zhǎng)絲杠無(wú)論從制造工藝還是在性能上都 不理想而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)定子可無(wú)限加長(zhǎng)且制造工藝簡(jiǎn)單已有大型高 速加工 中心 X 軸長(zhǎng)達(dá) 40m 以上由于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作平臺(tái)具有高速高加速 度高精度行程不受限制的特點(diǎn)可以更好的滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床對(duì)于進(jìn)給伺服 電機(jī)的要求 3 ．轉(zhuǎn)矩電機(jī)在高速加工中心上回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的擺動(dòng)以及叉形主軸頭的擺 動(dòng)和回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)已廣泛采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) [1 38 40] 轉(zhuǎn)矩電機(jī)是一種同步電機(jī) 其轉(zhuǎn)子直接固定在所要驅(qū)動(dòng)的部件上所以沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)元件它像直線電機(jī)一 樣是直接驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩電機(jī)所能達(dá)到的角加速度要比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)高 6 倍在擺動(dòng)叉形主軸頭時(shí)加速度可達(dá)到 3g 由 于轉(zhuǎn)矩電機(jī)可達(dá)到極高的靜態(tài)和 動(dòng)態(tài)負(fù)載剛性從而提高了回轉(zhuǎn)軸和擺動(dòng)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(dòng)的直線軸與直接驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸相組合使機(jī)床所有 的運(yùn)動(dòng)軸都具有較高的動(dòng)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(jī)床的開(kāi)發(fā)和試制周期縮短數(shù)控機(jī)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(jìn)步是切削加工技術(shù)進(jìn)步的決定性因素之一 對(duì)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(lái)刀具材料 所取得的突破使高速切削中出現(xiàn)的問(wèn)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(dá) 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(dá) 6000～ 10000HV 用聚晶金剛石 PCD 材料制作的車 刀銑刀鉆頭等可對(duì)有色金屬進(jìn)行高速切削有時(shí)也應(yīng)用于黑色 金屬的切削加工 高速高精加工對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也有著更高的要求為了達(dá)到對(duì)復(fù)雜曲面的高 速高精加工當(dāng)前的高端運(yùn)動(dòng)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(jí)插補(bǔ) NURBS 插補(bǔ)和多重精度補(bǔ)償?shù)裙δ芷渲? 1．前瞻控制技術(shù)主要解決運(yùn)動(dòng)程序段連續(xù)加工中頻繁啟停導(dǎo)致實(shí)際加工時(shí) 5 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 間延長(zhǎng)的問(wèn)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(jī)床運(yùn) 動(dòng)的曲線軌跡會(huì)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(shì)必 [14 40 44 45] 導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(guò)采用前置預(yù)讀技術(shù)對(duì)多段運(yùn)動(dòng)程序一起進(jìn)行插補(bǔ)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(jī)器進(jìn)給速率的波動(dòng)就會(huì)越少但對(duì)系 統(tǒng)的運(yùn)算性能也就要求越高在 FANUC 30i 數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)可以達(dá)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(guò)大導(dǎo)致 機(jī)械沖擊的情況在復(fù)雜曲面的高速加工中往往需要各運(yùn)動(dòng)軸在最短的時(shí) 間內(nèi) 不斷地調(diào)整運(yùn)行速度即對(duì)各軸加速度性能要求很高伴隨著直線電機(jī)力矩電 機(jī)等直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用機(jī)械本體的剛性變得越來(lái)越好其所能達(dá)到的速度和 加速度也越來(lái)越高在傳統(tǒng)的中低速速度規(guī)劃方法中通常只對(duì)機(jī)器所能達(dá)到的最 大加速度和最大速度進(jìn)行限制而不對(duì)加速的變化率加加速度進(jìn)行限制在 對(duì)高剛性的運(yùn)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行控制時(shí)如果使機(jī)器直接以最大加速度啟動(dòng)或做速度調(diào) 整必然會(huì)產(chǎn)生較為明顯的機(jī)械沖擊因此高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)必須對(duì)機(jī)器的加加速 度進(jìn)行規(guī)劃使加速度變化與速度變化一樣實(shí)現(xiàn)連續(xù)的變化過(guò)程現(xiàn)今高速運(yùn)動(dòng) 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(lái)解決上述中的問(wèn)題 [46 47] 3 ．高速高精度插補(bǔ)技術(shù)是實(shí)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(bǔ)周期和更高的計(jì)算精度 在高精度插補(bǔ)方面已經(jīng)有了納米插補(bǔ) [48 49] 的概念即數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)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(jìn)行位置 控制納米級(jí)的插補(bǔ)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的處理器在浮點(diǎn)運(yùn)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(diǎn)計(jì)算位數(shù)已經(jīng)達(dá)到 80 位這 在運(yùn)算速度上為在納米級(jí)插補(bǔ)精度要求下實(shí)現(xiàn)曲線的高速插補(bǔ)提供了較充分的 保障 [9] 對(duì)于模具航空航天關(guān)鍵零部件等需要進(jìn)行復(fù)雜曲線加工情況最有效的方 法是將 CAD 設(shè)計(jì)的自由曲線函數(shù)直接輸給運(yùn)動(dòng)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(bǔ)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(shí) NURBS 插補(bǔ)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(diǎn)內(nèi)連續(xù)可導(dǎo)的特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制系