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                       高性能數(shù)控加工中心

  1、引言
    數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,一個(gè)國家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國家的制造業(yè)水平和競爭力。
    我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平、性能和質(zhì)量與國外產(chǎn)品比較還有很大差距。高性能加工中心和功能部件大多數(shù)依靠進(jìn)口。
    加工中心是數(shù)控技術(shù)的集中體現(xiàn),市場活躍、需求旺盛,成為當(dāng)前和未來數(shù)控機(jī)床市場爭奪的前沿。如果我們不認(rèn)真研究國外高性能加工中心的發(fā)展趨勢,提高自主開發(fā)能力,積極培育新產(chǎn)品,我國的機(jī)床工業(yè)將失
去核心競爭力。
  2、高性能加工中心的特點(diǎn)
    高性能加工中心意味什么?它有那些主要特征?我們認(rèn)為,應(yīng)首先滿足用戶以下要求:
    (1)精度和可靠性高. 機(jī)床的牲能是穩(wěn)定的,能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù)、并能夠“保證”零件的加工質(zhì)量,而不是依靠加工后的檢驗(yàn)工序。
    (2)工序集約、復(fù)合加工. 在一臺(tái)機(jī)床上盡可能加工完畢一個(gè)零件的所有工序,同時(shí)又保持機(jī)床的通用性,能夠迅速適應(yīng)加工對(duì)象的改變。
    (3)信息化和智能化. 加工中心不僅提供“體力”,也有“頭腦”,能夠獨(dú)立自主地管理自己,并與企業(yè)的管理系統(tǒng)和人通信,從而使企業(yè)管理人員和操作者、供應(yīng)商和用戶能夠隨時(shí)知道機(jī)床的狀態(tài)和加工能力。
    (4)高性能不僅是某幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)高,還要體現(xiàn)在機(jī)床的生產(chǎn)效率高、運(yùn)行成本低,環(huán)境污染少,人機(jī)界面友好。
    為了達(dá)到上述要求,新一代加工中心必須具有以下特征:
    (1)機(jī)床不僅具有很高的幾何精度,符合出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(相當(dāng)ISO230-1),還必須具有很高的運(yùn)動(dòng)軌跡精度(ISO230-3,以及新的IS0—7)和動(dòng)態(tài)性能。
    (2)機(jī)床的加工精度,以及其可重復(fù)性和可信賴度高,性能長期穩(wěn)定,能夠在不同運(yùn)行條件下完成多種加工任務(wù),并“保證”零件的加工質(zhì)量。
    (3)機(jī)床具有自優(yōu)化、自監(jiān)控、自診斷和預(yù)維護(hù)功能。機(jī)床的加工過程是在一系列傳感器的監(jiān)視下進(jìn)行的。
  3、復(fù)合加工
    高性能加工中心除具有高速和高精度的特征外,另一發(fā)展趨勢是工序集約化,即在一臺(tái)機(jī)床上能加工完成一個(gè)零件的所有工
序。近年來,車銑復(fù)合加工有很大進(jìn)展。
    例如,Index公司最新推出的模塊化車銑復(fù)合加工中心就能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等許多工序,根據(jù)用戶需要構(gòu)建成為完整加工機(jī)床,如圖1所示。
             
                                  圖1：車銑復(fù)合加工中心
    從圖中可見,這種以車削加工中心為基礎(chǔ)復(fù)合加工機(jī)床,借助不同結(jié)構(gòu)的刀具轉(zhuǎn)塔和銑削頭可以進(jìn)行車削、銑削等加工工序。在車削工作時(shí),有兩個(gè)12把刀具的刀架可以完成各種復(fù)雜的車削工序。在銑削工作時(shí),刀架轉(zhuǎn)過9O°,兩個(gè)由電主軸驅(qū)動(dòng)的銑頭可在不同方向進(jìn)行銑削加工從而完成一個(gè)零件全部加工工序,實(shí)現(xiàn)了完整加工。當(dāng)加工需要磨削零件時(shí),也可以換上磨頭進(jìn)行磨削。
    工序集約化不僅提高了工藝的有效性,由于零件在整個(gè)加工過程中只有一次裝夾,加工的精度更容易獲得保證。
    復(fù)合加工大大縮短了生產(chǎn)過程鏈,而且由于把加工任務(wù)只交給一個(gè)工作崗位,不僅使生產(chǎn)管理和計(jì)劃調(diào)度簡化,而且無需復(fù)雜的計(jì)劃系統(tǒng)就能夠迅速解決所發(fā)生的事情并使之優(yōu)化。
    由于過程鏈的縮短和設(shè)備數(shù)量的減少,簡化了物料流和工夾具管理,縮短了生產(chǎn)周期,占地面積和維護(hù)費(fèi)用也隨之減少,從而降低了生產(chǎn)成本。
  4.自主管理
    高性能加工中心不單純是加工設(shè)備,往往還是企業(yè)的生產(chǎn)組織單元,網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)橐慌_(tái)機(jī)床替代了若干臺(tái)機(jī)床,是一個(gè)自動(dòng)化的工段。
    例如,日本Mazak公司生產(chǎn)的e410H型車銑復(fù)合加工機(jī)床,不僅實(shí)現(xiàn)加工過程和刀具交換的自動(dòng)化,能夠進(jìn)行零件的完整加工,還配備了計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)語音、圖形、視像和文本的通信功能。因此,它不僅能與MES、SCM和CRM聯(lián)網(wǎng),及時(shí)反映工作地的狀態(tài)、加工進(jìn)度、物料和刀具需求,還可以通過手機(jī)查詢定單完成情況,發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警,如圖2所示。
          
                           圖2：完整加工和自主管理的機(jī)床
    近年來隨著移動(dòng)通信的普及,這個(gè)領(lǐng)域有很大進(jìn)展和廣闊的前景。
  5、新的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理
    德國Chiron公司最新推出的Ⅴision型高速加工中心是一臺(tái)具有創(chuàng)意的產(chǎn)品。該機(jī)床的外觀和機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
              
                           圖3：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工中心
    從圖中可見,主軸部件采用框架式輕型結(jié)構(gòu)和λ式并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),其原理是兩個(gè)桿件和鉸鏈將主軸部件與機(jī)床框架連接,在直線電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,桿件前后伸縮,完成主軸部件的X和y坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng),提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。主軸的z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)由傳統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)。
    機(jī)床的前方還配置有兩坐標(biāo)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái),可實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)數(shù)控加工。
  6、新-代數(shù)控系統(tǒng)
    為了使數(shù)控機(jī)床成為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn),數(shù)控系統(tǒng)必須是開放的,具有下表所列的特征。
                              開放式控制系統(tǒng)的特征
              
    開放式數(shù)控系統(tǒng)是大勢所趨。德國Andron公司的最新產(chǎn)品Andronic2060數(shù)控系統(tǒng)是新一代基于微機(jī)的、在Windows平臺(tái)上的開放式系統(tǒng),其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
           
                   圖4：Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    它采用由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和兩個(gè)Intel處理器,通過PCI-PCI橋進(jìn)行相互通信。一個(gè)處理器承擔(dān)數(shù)控運(yùn)算(NC計(jì)算機(jī)),另一個(gè)作為人機(jī)界面計(jì)算機(jī)。NC計(jì)算機(jī)中插有NC CPU卡、NC機(jī)床卡。NC機(jī)床卡與數(shù)控驅(qū)動(dòng)裝置連接,并且通過2塊帶PCI橋的總線卡與人機(jī)界面
計(jì)算機(jī)通信。人機(jī)界面計(jì)算機(jī)地內(nèi)部總線卡與數(shù)控系統(tǒng)操作面板和外部接口連接。人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的CPU卡控制觸摸式LCD顯示屏以及計(jì)算機(jī)外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)通信。
    Andron公司還采用SERCOS接口,實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)傳輸,開發(fā)了皮米(Pico)插補(bǔ)技術(shù),將插補(bǔ)精度從1xm提高到0.6xm。在數(shù)控加工時(shí),插補(bǔ)精度越高,機(jī)床加工零件的尺寸精度也越高,表面粗糙度值越小,機(jī)床運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn),刀具磨損也越
小,可進(jìn)一步提高加工質(zhì)量,降低加工成本。
  7、聰明加工系統(tǒng)
    機(jī)床在加工過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生各種誤差,需要采用現(xiàn)代監(jiān)控和補(bǔ)償技術(shù),以進(jìn)一步提高機(jī)床的性能和通信能力。
    2005年,在增強(qiáng)制造業(yè)競爭能力的指道思想下,國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所提出“聰明加工系統(tǒng)”(Smart Machining System)的研究計(jì)劃如圖5所示。聰明加工系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是制造系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化,其主要特征是:
 
                     圖5：聰明加工系統(tǒng)
    (1)性能超群,知道本系統(tǒng)的加工能力和狀態(tài)并能夠上層進(jìn)行通信(獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)?wù)?。
    (2)能夠自行度量加工(輸出)的質(zhì)量,能夠監(jiān)控和自主優(yōu)化加工過程(自診斷)。
    (3)智能化和人性化,能夠不斷持續(xù)學(xué)習(xí)和提高自己的能力,具有知識(shí)獲取、重用和管理的功能。
    聰明加工系統(tǒng)的5大目標(biāo)是:
    (1)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模,進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。
    (2)開發(fā)特征化的測量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn),并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行測量和通信。
    (3)采用下一代數(shù)控系統(tǒng)。與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式,使基于模型的控制能夠無縫運(yùn)行。
    (4)狀態(tài)監(jiān)控和可靠性,開發(fā)測量、傳感和分析方法。在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。
  8、結(jié)束語
    復(fù)合加工方法的出現(xiàn),使數(shù)控機(jī)床不僅是高效加工設(shè)備,而且是企業(yè)組織中的自主管理生產(chǎn)單元。開放式數(shù)控系統(tǒng)是將數(shù)控機(jī)床納人企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的先決條件。SETP-NC使CAD/CAM/CNC之間的無縫集成以及遠(yuǎn)程制造和監(jiān)控成為可能。發(fā)展高性能加工中心的最終
目標(biāo)是大幅度提高生產(chǎn)率。
     
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