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當前位置: 首頁 > 新聞頻道 > 熱點聚焦 > 數控機床是怎樣工作的?看完這篇你就懂了
數控機床是怎樣工作的?看完這篇你就懂了
來源:中國數控機床網   發表時間:2019-6-7 18:22:00  瀏覽次數:
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作者|陳俊宇,清華大學機械工程系博士研究生

一提到工業,最基礎的就是制造。

而所謂制造就是把各種各樣的東西從原材料變成零件再裝配成產品。

圖:火星四濺的熱加工:鑄造

在傳統的金屬加工領域,零件的制造就是火星四濺的鑄鍛焊以及硬碰硬的車銑刨磨鉗,我們生活中見到的任何一個稍微有些形狀的金屬,在我們見到之前,都已經在工廠經歷了多次鐵與火的淬煉。

圖:硬碰硬的冷加工:車削

既然金屬零件是機器制造的,那么機器又是如何制造的呢?原來,它是通過機床完成的。

(一)從機床到數控機床,機器不再無腦干活

機床是其他機器的“母機”。

煉鋼廠出產的鋼鐵并不是我們在生活中見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床進行切削;還有一些精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件,就要在機床上用精細繁復的工藝切出來或者磨出來。

圖:形狀復雜、制造精度和表面粗糙度要求極高的零件:燃氣機葉輪

和所有的機器一樣,最初的機床包括動力裝置、傳動裝置和執行裝置,靠電機轉動輸入動力,通過傳動裝置帶著被加工的工件或者刀具進行相對運動,至于在哪兒下刀、切多少、多快速度切等等問題,則由人在加工過程中直接進行控制。

圖:傳統裝備的三大核心裝置

由于傳統機床使用的電機的轉速在工作時基本上是不變的,為了實現不同的切削速度,傳統的機床設計了極為復雜的傳動系統。這種復雜度的機械在現今的設計中已經不多見了。

圖:傳統機床(x5032型立式銑床)的傳動結構十分復雜

而隨著伺服電機(伺服電機就是可以在一定范圍內精確控制電機的位置和轉速的電機)技術的發展及其在數控機床上的應用,直接控制電機的轉速變得方便快捷效率高,而且基本上是無級變速,傳動系統的結構大大簡化,甚至出現了很多環節電機直接連接到執行機構上,而省略了傳動系統。

這種“直接驅動”的模式是現在機械設計領域的一大趨勢。

圖:伺服電機直驅使得數控立式銑床的傳動結構大大簡化

結構的簡化還不夠,要實現各種各樣的形狀的零件的加工,還需要讓機床可以高效、準確的控制多臺電機合作完成整個加工過程。

這就要讓機床成為有“腦子”的數控機床了。而這個腦子就是數控系統,數控系統的水平高低決定了數控機床能干多復雜、多精密的活兒,也決定了這臺機床和他的操作者的身價。

(二)數控系統能干嘛?處理信息并控制動力

數控系統(Numerical Controller System)是數控機床的大腦。

圖:一般數控機床的組成

對于一般數控機床而言,往往包含人機控制界面、數控系統、伺服驅動裝置、機床、檢測裝置等等,操作人員在一些計算機輔助制造軟件的幫助下,將加工過程所需的各種操作(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,并通過人及控制界面輸入到數控機床,之后由數控系統對這些信息進行處理和運算,并按零件程序的要求控制伺服電機,實現刀具與工件的相對運動,以完成零件的加工。

圖:數控機床的加工過程

數控系統完成諸多信息的存儲和處理的工作,并將信息的處理結果以控制信號的形式傳給后續的伺服電機,這些控制信號的工作效果依賴于兩大核心技術:一個是曲線曲面的插補運算,一個是機床多軸的運動控制。

(三)零件形狀太“自由”?靠插補運算搞定

如果運動軌跡可以用解析式表達,則整個運動就可以分解為幾個坐標的獨立運動的合成運動,就可以直接控制電機生成了。

但是制造過程中很多零件的形狀可以說是十分“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、模具、藝術品等產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。

圖:包含自由曲面的零件

要切出來這些“自由”的形狀,刀具和工件之間的相對運動也相應的十分復雜。具體到操作中,就是要控制工件臺、刀具都按照設計好的位置-時間曲線進行運動,控制這二者在規定的時間以指定的姿態到達指定的位置。

機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運動,而這種復雜的“自由”運動又該怎么完成呢?答案是依靠插補運算。

圖:數控機床進行復雜曲面加工

所謂插補,就是按照一定方法確定數控機床上刀具的運動軌跡的過程。根據給定的速度和軌跡,在軌跡的已知點之間,增加一些新的中間點,并控制工件臺和刀具通過這些中間點,進而就能完成整個運動。

而這些中間點之間,則通過線段、圓弧或者樣條曲線等來連接。相當于用數段微小的線段和圓弧去逼近要求的曲線和曲面,這就是插補的本質。

流行的插補算法包括逐點比較法、數字增量法等,而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精度好而得到了高端數控機床的青睞。

(四)刀的姿態不對無法加工?五坐標聯動分分鐘搞定

加工復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位置關系。

一方面如果刀具的姿態不合適會導致加工的表面質量低下;另一方面刀具還會和加工好的零件結構互相干涉,不調整刀具的相對姿態根本沒有辦法加工。這就需要賦予數控機床更多的運動自由度,使之更為靈巧。

圖:空間中的六個自由度

由于我們所處的三維空間的相對運動只包含六個自由度(3個平動自由度以及3個轉動自由度),五坐標聯動就是使數控機床在具有空間上x、y、z三個方向的平動自由度外,又增加了兩個方向的轉動的自由度,再加上刀具本身的用于切削的轉動自由度,這樣刀具和工件之間的相對運動就有了全部的六個自由度,使得刀具和工件之間可以呈現任意的相對位置和相對姿態。

圖:一種五坐標聯動機床

如上圖所示,雖然圖中標了4個平動自由度,但是其實質上也只是實現了x、y、z三個方向的運動,有一個自由度是冗余的,其實質上是一個五坐標聯動機床。

圖:五坐標聯動機床加工復雜曲面

(五)國產數控系統:逐漸邁向高端市場

中國是當今世界機床制造大國,數控系統在性能、功能和成套化應用方面均取得了長足進步。

其中,低檔數控系統幾乎完全取代了進口,中檔數控系統在系列化、商品化和產業化方面成效顯著。高檔數控系統已突破實現了五軸聯動功能,并在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復合機床等設備上得到了示范應用。

此外,中國企業針對零件(如手機殼)的大批量、表面光潔度高等特點,各自開發了多款專用系統和小型高速加工中心,大大降低了生產成本,該市場現已基本被國產系統和主機占領。

不過,還是應該看到,國際上的數控系統已經有很多成熟的高端產品,與世界機床強國相比,中國的機床產品在全球機床市場的競爭力差距依然很大。

結語

雖然時下機床產業不夠景氣,但作為機器的母機,在中國大力發展智能制造產業的大背景下,智能機床產業也必將有光明的未來。

作為世界上認知度最高的標簽,中國制造(MadeinChina)正尋求戰略升級。「了不起的中國制造」專欄,力邀行業權威、資深玩家,呈現他們眼中的中國創新之路。

 

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