論高速加工中心之總體關鍵部件和其重要技術
1 高速加工中心的關鍵部件和重要技術對于一臺高速加工中心 , 下列部件和技術是必不可少的。(1) 高速主軸(2) 功能強大的計算機精工系統(3) 專用刀具(4) 高的進給速度 (High feed rates)(5) 高的快速進給速度 (High rapid traverse rates)(6) 高的加/減速速率 ( High acceleration/ decelerationrates)(7) 快速換刀高速加工中心的簡單組成框圖如圖所示在圖1所示的高速加工中心中 , 當計算機精工系統具有待加工軌跡的監控功能時 , 則其可以直接與CAD/ CAM系統通過網絡連接 , 否則 , CAD/ CAM 系統生成的 NC代碼必須先通過具有待加工軌跡監控功能的系統 , 然后再被傳送到計算機系統中 , 如圖中的虛線所示。高速加工的成功實現是綜合應用多項技術的成果。在應用的這些技術中 , 其中一些技術用于機床本身的改造 , 例如主軸、伺服電機、反饋傳感器、精工系統等 , 經過改進的這些零部件協調工作 , 從而使加工過程中切削力降低、加工表面質量提高、生產周期縮短。另外一些技術用于對機床應用環境的改進。高速加工的成功應用必須對工廠的環境結構要有所改變 , 例如 ,對于模具的高速加工 , 其精工程序往往很長 , 一般都可以達到十兆字節左右。因此 , 建立一個企業內部局域網 ( INTRANET) , 使 CNC 系統能從 CAD/ CAM 中心快速獲得精工代碼就顯得非常重要。2 高速主軸高速加工中心的高速主軸應具有精密度高、剛性好、運行平穩和熱變形小等特點。眾所周知 , 軸承是主軸設計中最重要的零部件 ,對高速主軸來說更是如此。低速運行的主軸常使用鋼球軸承 , 油脂潤滑 , 但是 , 隨著轉速的提高 , 這種設計方法已不再合適。現在 , 人們希望主軸既能輸出大的功率又有高的轉速。目前解決該問題的方法是利用混合陶瓷軸承并輔之以油潤滑 , 這種方法能適合于150000r/ min以上的轉速。Setco 公司已運用此項技術制成 200000r/ min/ 75hp 和 3000000r/ min/ 50hp 的主軸。這種主軸中使用的軸承的內、外滾道仍然是用鋼制成的。但其滾動部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比鋼輕 , 加上其制造工藝可以保證其制成的滾珠比鋼制成的更圓 , 且工作中不易變形 , 熱穩定性好 , 所以這種混合陶瓷軸承的運行性能良好。任何一種軸承運行過程中產生的熱量都會對其精度和壽命產生負面影響 , 因此在高速主軸中 , 必須采取措施來處理這個問題。轉速在 100000r/ min以上的主軸 , 典型的方法是采用氣油混合潤滑系統。這種系統給軸承提供最少的 (但卻是足夠) 潤滑以使軸承產生較少的熱量 , 其中氣流不僅起潤滑作用 , 還可以帶走熱量 , 除此之外 , 高速主軸還使用軸承冷卻系統來散熱 , 這種冷卻系統有時也被稱為“冷卻器”。還有一些其他的減少摩擦的設計方法 , 例如 ,Ingersoll 銑床公司生產的高速加工機床中 , 其功率為50hp , 轉速達 200000r/ min 的主軸使用的是靜動壓軸承 , 這樣 , 主軸在“液體”中而非在剛性件上轉動。當轉速需要很高時可以使用空氣軸承 , 但它一般用于直徑較小且轉速要求超過 1000000r/ min 的主軸。幾乎無摩擦的磁力軸承也在某些場合得到運用。Ibag 公司就在一些特殊高速銑床上成功應用了這種軸承; 由于通過實時調節磁場可以自適應控制主軸的特性 , 因而這種磁力軸承顯示出了巨大的發展潛力。在今天的高速主軸設計中 , 混合陶瓷軸承發揮了巨大的作用 , 而且在將來的一段的時間里還繼續發揮這種作用。下一代軸承將是純陶瓷軸承 (包括滾道) 。現在人們已經掌握了純陶瓷軸承的制造技術 , 但是一套高速加工主軸使用的純陶瓷軸承的價格在300000～400000美元左右,如此昂貴的價格阻礙了它的推廣應用。 另外 , 在主軸的運動轉速下對主軸、刀具及其刀具夾具進行充分的平衡也是非常重要的。否則 , 過量的振動將導致徑向跳動問題 , 從而縮短刀具壽命 , 降低加工表面質量和加工精度。3 功能強大的計算機精工系統為了實現高速高精度加工 , 運行快速且功能強大的計算機精工系統是必不可少的 , 它必須能夠足夠快地處理精工程序代碼段以保持程序中規定的進給速度。下面是計算機精工系統的兩個重要參數及其概念。(1) 伺服周期。這是計算機精工系統用于測量一次工作臺的實際位置并發出一次進給命令所用的時間。換句話說 , 如果計算機精工系統的伺服周期是 5ms ,那么 , 它將在一秒鐘內 200 次檢測工作臺的位置并在每次檢測位置后發出新的進給命令。(2) 代碼段處理時間。這是計算機精工系統處理并完成一條加工指令代碼段規定的位移所花費的時間。計算機精工系統的這兩個參數對于高速加工中心來說非常重要 , 因為他們將決定機床的加工速度和加工精度。在這里 , 精度意味著在采用線性插補時 , 用直線段來逼近零件輪廊所允許的******誤差。當 NC程序編制得越精確 , 描述刀具軌跡所需要的點也就越多 ,點與點之間的距離也就越短。當點與點之間的距離過短時會導致所謂“數據不足” (Date Starvation) 的現象 , 此時計算機精工系統將無法使機床達到精工代碼規定的切削進給速度。在高速加工中 , 計算機精工系統必須保證形成精確的加工軌跡 , 另外 , 在用直線段來逼近零件輪廊時 ,為了保證精度 , 直線段勢必很短 , 從而使得零件程序變得很長。基于此 , 計算機精工系統需要一個 32位的微處理器 , 有時甚至需要多個微處理器 , 以完成高速插補、高速段處理和良好的待加工軌跡監控 (LookAhead) 功能。為了能預先知道刀具路徑以避免在拐角處出現事故 , 計算機精工系統最好是具有較多段加工NC代碼軌跡監控的能力 , 這與司機必須有良好的視野范圍才能高速駕駛一輛汽車有些類似。目前所有較高水平的計算機精工系統都具有待加工軌跡監控能力。所謂待加工軌跡監控 , 就是計算機精工系統在控制加工的同時掃描待加工的精工代碼 ,看刀具路徑是否有方向上的突然改變 , 如果計算機精工系統發現前面必須改變進給方向時 , 自動執行加減速程序 , 以避免偏離程序中規定的切削加工路徑。一些計算機精工系統和機床制造商通過軟件來增強這一功能 , 并以此來優化機床的性能。例如 ,Makino公司在他們的 FANUC 16MC控制系統中使用了64位“超級幾何智能卡” ,其精工系統具有 120 段待加工NC代碼的軌跡監控能力 ,這樣 ,它允許 NC代碼的編程人員使用想要的最高進給速度 , 控制系統能動態調節進給速度和加減速度 ———在加工曲線段時減速 , 而在加工直線段時加速。當然 , 這些加/減速處理都是隨不同機床的動態特性及要求的加工精度的不同而不同。4 運動控制卡運動控制卡是很多機床控制系統的基本組成部分 ,用于組成機床的位置環。它計算機床各軸的運行規律并給伺服電機發送命令以確保這些規律的實現。簡單地說 , 運動控制卡的工作順序是: 接受控制系統主機送來的 G代碼段:根據進給速度、進給方向和位移量來設置相應的參數;計算出各軸以程序規定的速度在指定的加工路徑上的一系列理論位置 ,然后相應地調節伺服放大器的信號以控制伺服電機運動來保證加工路徑的實現。為保證程序規定的加工路徑的準確實現 ,運動控制卡要重復地檢測機床各軸的實際位置并計算實際位置與理論位置的誤差 ,同時通過相應的調節來使這種誤差最小。這樣就完全了位置環的一次工作循環。為了控制高速加工中心正常運行 , 運動控制卡的所有工作都是實時反復地執行 , 幾乎每秒鐘要進行成千上萬次。普通 PC 機的軟硬件不能任這種工作 , 而運動控制卡上的微處理器及其軟件卻有完成這種任務的能力 , 他們是為運動控制中快速重復的方程式解算而專門設計的。現在 , 運動控制卡的發展趨勢是: ①實現與機床計算機精工系統主機之間的高速通訊; ②大量使用數字技術。運動控制卡功能的實現離不開一個響應迅速、與刀具路徑刀具處理系統緊密結合的伺服系統。可是 ,盡管計算機精工領域內經常談及計算機精工系統的開放式體系結構 , 但還是難以指望那種性能優良的伺服控制單元在近期里出現。計算機精工系統的著名制造商正在致力于復雜的分布式控制體系結構的建立。他們除了計算機精工系統中使用多個高速處理器分擔不同的實時控制任務外 , 有時還在一些系統中使用“敏捷”(smart) 數字坐標軸驅動器 , 從速度方向考慮 , 反饋信號直接回到驅動器 , 而不是計算機精工系統 , 計算機精工系統主要用于監測整個系統的精度。一個全數字式的運動控制卡將進一步增強計算機精工系統的控制功能。例如 , Mitsubishi 500CNC通過 G代碼能被切換到“高精度控制”模式來提高精度并減少加工時間。在一般的控制系統中 , 加/減速度是一個常數 , 但該控制系統在這種模式下工作時 , 加/減速度是按進給速度的某種函數計算的。其次 , 該控制系統中的控制算法能夠把加減速過程中的位移 - 時間曲線平滑成“S”形 , 這將使伺服系統運行變得更加平穩。再次 , 該控制系統中運用了自適應數字濾波來抑制系統在某種頻率范圍內的振動。5 高速加工的精工編程高速加工的精工編程不同于普通加工的精工編程。在高速加工中 , 由于進給速度和加工速度很快 , 編程員必須能夠預見到切削刀具是怎樣切入工件中去的。加工時除了使用小的進給量和淺的切削深度外 , 編制NC代碼時盡量避免加工方向的突然改變也是非常重要的 , 因為進給方向的突然變化不僅會使切削速度降低 ,而且還有可能產生“爬行”現象 , 這會降低加工表面質量 , 甚至還會產生過切或殘留、刀具損壞乃至主軸損壞的現象 , 特別是在三維輪廊加工過程中 , 將復雜型面或拐角部分單獨加工會比用“之”字形加工法、直線法或其他一些通用加工方法來一次加工出所有面更有利一些。高速加工時 , 建議刀具緩慢切入工件 , 同時盡量避免刀具切出后又重新切入工件 , 因此 , 從一個切削層緩慢地進入另一個切削層比切出后再突然進入要好 ,其次 , 盡可能地保持一個穩定的切削參數 , 包括保持切削厚度、進給量和切削線速度的一致性 , 當遇到某處切削深度有可能增加時 , 應降低進給速度 , 因為負載的變化會引起刀具的偏斜 , 從而降低加工精度、表面質量和縮短刀具壽命。故在很多情況下 , 有必要對工作輪廊的某些復雜部分進行預處理 , 以使高速運行的精加工小直徑刀具不會因為前道工序使用的較大直徑刀具而留下的“加工殘余”而導致切削負載的突然加大。目前一些 CAM軟件具有“加工殘余分析”的功能 , 這一功能使得 CAM系統準確地知道每次切削后加工殘余的位置所在 , 這是保持刀具負載不變的關鍵 ,而這一關鍵對高速加工的成功實現又是至關重要的。總之 , 刀具路徑越簡單越好 , 這樣 , 加工過程更有可能達到******進給速度 , 而不必由于密集的數據點簇和加工方向的突然改變而減速。在“之”字形切削路徑中 , 用“弧線”(或類似弧形線段) 來連接相鄰的兩個直線段 , 將有利于減少加/減速程序的頻繁調用和轉換次數。在高速加工中 , 無論從加工精度還是從加工安全性來說 , CAM系統的自動過切 (殘余) 保持功能是必不可少的。因為過切 (殘留) 對工件的損壞是不可修復的。而它對刀具的破壞亦是災難性的 , 這就要求被加工幾何表面建立一個精確而連續的數字模型以及有一個高效的刀具路徑生成算法來保證加工輪廓的完整性。其次 , CAM系統對刀具路徑的驗證能力亦是非常重要的 , 這一方面可以允許程序員在把加工代碼送到車間之前驗證程序編制的正確性 , 另一方面還可以對程序進行優化 , 根據不同加工路徑自動地調節進給速度以始終保持******安全進給速度。6 待加工軌跡監控 (Look Ahead)前已述及 , 高速加工中的計算機控制系統必須具有待加工軌跡監控功能。通過待加工軌跡監控 , 機床可以獲得最高進給速度 , 這就是說 , 機床的計算機精工系統可以在保證加工精度的條件下使機床盡可能在******編程速度下工作。這里值得注意的是 , 完成上述工作的不是程序員 , 也不是機床操作者 , 而是機床的計算機精工系統 , 它可以在秒鐘內 2000多次改變進給速度來達到上述目的。因此 , 使用一個具有待加工軌跡監控功能的高速計算機精工系統 , 可以保證在理想的精度條件下實現零件加工時間的最短。(1) 待加工軌跡監控的必要性一般來說 , 經過機床加工后無需鉗工處理的零件應是最精密的。為了達到這一目的 , 可以通過盡量減少進給量來降低加工表面的理論粗糙度。減少進給量意謂著所需要的切削時間會增加 , 但進給量的減少降低了切削力 , 因而允許機床在更大的加工速度和更高的進給速度下工作。特別是隨著新的刀具制造技術的發展 , 更促進了加工速度的提高。在當今的高速銑削加工中 , 高速計算機精工系統和高速伺服單元結合來用最少的時間加工出符合精度要求的工件 , 待加工軌跡監控是必不可少的條件。(2) 為什么需要待加工軌跡監控眾所周知 , 三維型面是很多相互靠近的點來形成的 , 其實問題就出在這里。我們可以經常見到很多 NC代碼段定義的位移僅 010025mm , 這在復雜的精密零件加工中更是常見 , 如此密集的點在高速加工中出現過切 (殘留) 的可能性極大。如果機床以高于 510m/ min的進給速度工作 , 那么機床要在小于 0125mm 的距離內從加工速度減速直到停下來幾乎是不可能的。如果控制系統不通過待加工軌跡監控對此做出充分的準備 ,過切 (殘留) 現象就不可避免。(3) 待加工軌跡監控的工作原理顧名思義 , 待加工軌跡監控就是計算機精工系統在控制加工的同時對將要被加工的程序段進行掃描以驗證其能否正確控制機床完成 NC代碼所規定的任務。如果發現前面有可能出現問題的話 , 控制系統將在適當的位置控制機床開始減速 , 把它降到剛好能滿足加工精度要求的******速度為止。(4) 待加工軌跡監控的代碼段數從1010m/ min的速度停下來 , 大部分機床至少需要1010mm以上的距離。這就是說 , 如果每一 NC代碼段定義的位移僅 0110mm , 那么計算機精工系統就需要對后續待加工的100段NC代碼進行檢查看是否有加工方向的大幅度改變。后續的每兩個 NC代碼段的連接與目前加工點的距離和每軸減速的******距離進行比較。每一個微小線段可能需要計算一個不同的進給速度以保證達到精度要求的******進給速度。因此 , 不能規定監控多少段待加工 NC代碼就足夠了 , 監控待加工的程序段數是變化的 , 隨著零件輪廓的復雜程度、要求達到的加工精度以及不同機床的動態性能等因素而改變。待加工軌跡監控算法雖然復雜 , 但這一工作完成得越快 , 越精確 , 那么計算機精工系統控制加工微小線段的性能和精度就越好。如果使用沒有待加工軌跡監控功能的計算機精工系統 , 那么機床加工的進給速度幾乎是固定的 , 例如 ,如果加工的零件有某處形狀較為復雜 , 當加工進給速度超過 014m/ min時就會產生過切 (殘留) 現象 , 這時機床就必須以 014m/ min的速度加工整個零件。如果精工系統具有待加工軌跡監控功能 , 那么它就可以不斷調整進給速度來平衡加工速度與加工精度的關系 , 也即精工系統不斷監控后續加工的 NC代碼段并調節進給速度以使機床能用最少的時間來加工出符合加工精度要求的零件。總之 , 待加工軌跡監控功能是本著“精度第一 , 速度第二”的原則來優化加工參數 , 以使機床工作得更好、機床壽命更長。不過 , 只有在仔細優化機床的加/減速性能并充分利用機床及其驅動系統的特性的前提下 , 待加工軌跡監控功能的優點才能得以充分體現。7 計算機精工系統網絡 (Direct CNC Networking)高速加工中 , 要實現刀具與工件之間的高速相對運動并不是一件十分簡單的事情。一般來說 , 高速加工機床都是在計算機精工系統控制下工作的 , 精工系統中的 NC指令來自 CAM系統產生的表示刀具軌跡的數據流。很多親自操作過銑床來加工三維復雜零件的人肯定見到過計算機精工系統因等待 CNC代碼數據而停止插補的現象。怎樣才能將 NC代碼數據快速送到計算機精工系統中以避免出現“數據不足” ( datastarvation) 的現象 ? 由于 CAD/ CAM系統在三維零件精工加工中的成功應用 , DNC (直接數字控制) 在過去幾年里成為了精工加工中解決上述問題的通用工具。由于三維零件的 NC代碼文件非常龐大 , 而計算機精工系統中的內存單元又相對較少 , 因此有必要在加工過程中分批將加工代碼傳送到計算機精工系統中。在高速加工中心中 , 計算機精工系統應該與CAD/CAM系統連接到同一個網絡中 (direct CNC networking或DCN) 。網絡的數據傳送速度是 1M 字節/秒。而串行通訊的典型數據傳送速度 (在 9600 波特率的情況下) 是960 字節/秒 , 因此 , DCN 使 CAD/ CAM系統向計算精工系統傳送數據的速度得到了顯著提高 , 其提高幅度幾乎是 1000倍。在高速加工時 , 如果 NC 代碼數據不能夠以足夠快的速度傳送到計算機精工系統中 , 那么 , 快速而精確地加工三維復雜曲面將是一句空話。一般來說 , 在三維加工中 , 如果 NC代碼段定義的位移小于 015mm的話 , 這時候 CAD/ CAM 系統與計算機精工系統之間的數據傳送就必須通過網絡傳送 , 否則 , DNC在數據傳送速度方面的不足將會影響到機床性能的充分發揮。當DNC的數據傳送速度成為一個瓶頸問題的時候 , 控制系統有時會出現因等待 NC數據段而停止插補的現象 , 這對機床來說意味著出現走走停停的“爬行”現象。可見 , 計算機精工系統要實現待加工軌跡監控的優點 , CAD/ CAM系統與計算機精工系統之間具有高速通訊功能就顯得非常重要。8 高速加工中心的其他方面一臺高速加工中心就是一個綜合系統 , 其各個方面都離不開設計和制造工程師們的智慧。對于高速加工中心的機械系統來說 , 最重要的問題就是要能夠實現每個軸向在高的速度和加速度的情況下精確地運動 , 克服由此而產生的所有問題 , 其中最主要的就是振動和發熱問題。對于軸向運動速度問題 , 目前最為領先的技術是使用直線電機來驅動軸向運動 , 取代了原來用回轉電機和滾珠絲桿的傳統方法。與高分辨率的線性反饋系統結合使用 , 直線電機具有速度快、剛性好和精度高的特點。使用這種電機和反饋裝置后 , GE Fanuc 的機床在進給速度達到 7612m/ min 的情況下 , 加工誤差只有3 μm。況且 , 目前使用直線電機的機床能達到高達115g的加/減程度 , 這對高精度高速切削和減少非切削時間是特別重要的。當然 , 直線電機也不是實現高速運動的唯一途徑。Mazak在它的 FF - 510臥式加工中心和 FJV - 20 立式加工中心中 , 使用滾珠絲桿和回轉電機也達到了 1g的加速度和 6010m/ min的快速進給速度。在這兩種加工中心中 , 使用了螺距較長的雙頭螺紋滾珠絲桿 , 以便伺服電機每轉一圈能實現較長的線位移。盡管如此 , 通過使用高分辨率的反饋編碼器 , 該類機床仍可達到 ±01005mm的精度。在設計上述的滾珠絲桿時 , 必須考慮熱量對它的影響 , 以免高速加工時運動部件之間的摩擦產生的熱量降低系統的精度。高速加工中心設計中 , 其他應考慮的方面還有 ,運動部件應具有較小的慣性 , 其剛度也應合適以吸收高速加工過程中產生的振動。總之 , 在高速加工中心的設計中 , 我們應大膽創新 , 使用一些非傳統的方法 , 解決因高速而引起的種種問題。由于計算機輔助工程技術的日益普及 , 不難找到解決每一個問題的方法。