論高速加工中心之總體關(guān)鍵部件和其重要技術(shù)
1 高速加工中心的關(guān)鍵部件和重要技術(shù)對(duì)于一臺(tái)高速加工中心 , 下列部件和技術(shù)是必不可少的。(1) 高速主軸(2) 功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)(3) 專用刀具(4) 高的進(jìn)給速度 (High feed rates)(5) 高的快速進(jìn)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(jiǎn)單組成框圖如圖所示在圖1所示的高速加工中心中 , 當(dāng)計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)具有待加工軌跡的監(jiān)控功能時(shí) , 則其可以直接與CAD/ CAM系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接 , 否則 , CAD/ CAM 系統(tǒng)生成的 NC代碼必須先通過(guò)具有待加工軌跡監(jiān)控功能的系統(tǒng) , 然后再被傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 , 如圖中的虛線所示。高速加工的成功實(shí)現(xiàn)是綜合應(yīng)用多項(xiàng)技術(shù)的成果。在應(yīng)用的這些技術(shù)中 , 其中一些技術(shù)用于機(jī)床本身的改造 , 例如主軸、伺服電機(jī)、反饋傳感器、精工系統(tǒng)等 , 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的這些零部件協(xié)調(diào)工作 , 從而使加工過(guò)程中切削力降低、加工表面質(zhì)量提高、生產(chǎn)周期縮短。另外一些技術(shù)用于對(duì)機(jī)床應(yīng)用環(huán)境的改進(jìn)。高速加工的成功應(yīng)用必須對(duì)工廠的環(huán)境結(jié)構(gòu)要有所改變 , 例如 ,對(duì)于模具的高速加工 , 其精工程序往往很長(zhǎng) , 一般都可以達(dá)到十兆字節(jié)左右。因此 , 建立一個(gè)企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng) ( INTRANET) , 使 CNC 系統(tǒng)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(yīng)具有精密度高、剛性好、運(yùn)行平穩(wěn)和熱變形小等特點(diǎn)。眾所周知 , 軸承是主軸設(shè)計(jì)中最重要的零部件 ,對(duì)高速主軸來(lái)說(shuō)更是如此。低速運(yùn)行的主軸常使用鋼球軸承 , 油脂潤(rùn)滑 , 但是 , 隨著轉(zhuǎn)速的提高 , 這種設(shè)計(jì)方法已不再合適。現(xiàn)在 , 人們希望主軸既能輸出大的功率又有高的轉(zhuǎn)速。目前解決該問(wèn)題的方法是利用混合陶瓷軸承并輔之以油潤(rùn)滑 , 這種方法能適合于150000r/ min以上的轉(zhuǎn)速。Setco 公司已運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)制成 200000r/ min/ 75hp 和 3000000r/ min/ 50hp 的主軸。這種主軸中使用的軸承的內(nèi)、外滾道仍然是用鋼制成的。但其滾動(dòng)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(wěn)定性好 , 所以這種混合陶瓷軸承的運(yùn)行性能良好。任何一種軸承運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量都會(huì)對(duì)其精度和壽命產(chǎn)生負(fù)面影響 , 因此在高速主軸中 , 必須采取措施來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。轉(zhuǎn)速在 100000r/ min以上的主軸 , 典型的方法是采用氣油混合潤(rùn)滑系統(tǒng)。這種系統(tǒng)給軸承提供最少的 (但卻是足夠) 潤(rùn)滑以使軸承產(chǎn)生較少的熱量 , 其中氣流不僅起潤(rùn)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(tǒng)來(lái)散熱 , 這種冷卻系統(tǒng)有時(shí)也被稱為“冷卻器”。還有一些其他的減少摩擦的設(shè)計(jì)方法 , 例如 ,Ingersoll 銑床公司生產(chǎn)的高速加工機(jī)床中 , 其功率為50hp , 轉(zhuǎn)速達(dá) 200000r/ min 的主軸使用的是靜動(dòng)壓軸承 , 這樣 , 主軸在“液體”中而非在剛性件上轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速需要很高時(shí)可以使用空氣軸承 , 但它一般用于直徑較小且轉(zhuǎn)速要求超過(guò) 1000000r/ min 的主軸。幾乎無(wú)摩擦的磁力軸承也在某些場(chǎng)合得到運(yùn)用。Ibag 公司就在一些特殊高速銑床上成功應(yīng)用了這種軸承; 由于通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)可以自適應(yīng)控制主軸的特性 , 因而這種磁力軸承顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诮裉斓母咚僦鬏S設(shè)計(jì)中 , 混合陶瓷軸承發(fā)揮了巨大的作用 , 而且在將來(lái)的一段的時(shí)間里還繼續(xù)發(fā)揮這種作用。下一代軸承將是純陶瓷軸承 (包括滾道) 。現(xiàn)在人們已經(jīng)掌握了純陶瓷軸承的制造技術(shù) , 但是一套高速加工主軸使用的純陶瓷軸承的價(jià)格在300000～400000美元左右,如此昂貴的價(jià)格阻礙了它的推廣應(yīng)用。 另外 , 在主軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速下對(duì)主軸、刀具及其刀具夾具進(jìn)行充分的平衡也是非常重要的。否則 , 過(guò)量的振動(dòng)將導(dǎo)致徑向跳動(dòng)問(wèn)題 , 從而縮短刀具壽命 , 降低加工表面質(zhì)量和加工精度。3 功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高速高精度加工 , 運(yùn)行快速且功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)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(guī)定的進(jìn)給速度。下面是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)及其概念。(1) 伺服周期。這是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)用于測(cè)量一次工作臺(tái)的實(shí)際位置并發(fā)出一次進(jìn)給命令所用的時(shí)間。換句話說(shuō) , 如果計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的伺服周期是 5ms ,那么 , 它將在一秒鐘內(nèi) 200 次檢測(cè)工作臺(tái)的位置并在每次檢測(cè)位置后發(fā)出新的進(jìn)給命令。(2) 代碼段處理時(shí)間。這是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)處理并完成一條加工指令代碼段規(guī)定的位移所花費(fèi)的時(shí)間。計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于高速加工中心來(lái)說(shuō)非常重要 , 因?yàn)樗麄儗Q定機(jī)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(bǔ)時(shí) , 用直線段來(lái)逼近零件輪廊所允許的******誤差。當(dāng) NC程序編制得越精確 , 描述刀具軌跡所需要的點(diǎn)也就越多 ,點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離也就越短。當(dāng)點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離過(guò)短時(shí)會(huì)導(dǎo)致所謂“數(shù)據(jù)不足” (Date Starvation) 的現(xiàn)象 , 此時(shí)計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)將無(wú)法使機(jī)床達(dá)到精工代碼規(guī)定的切削進(jìn)給速度。在高速加工中 , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)必須保證形成精確的加工軌跡 , 另外 , 在用直線段來(lái)逼近零件輪廊時(shí) ,為了保證精度 , 直線段勢(shì)必很短 , 從而使得零件程序變得很長(zhǎng)。基于此 , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)需要一個(gè) 32位的微處理器 , 有時(shí)甚至需要多個(gè)微處理器 , 以完成高速插補(bǔ)、高速段處理和良好的待加工軌跡監(jiān)控 (LookAhead) 功能。為了能預(yù)先知道刀具路徑以避免在拐角處出現(xiàn)事故 , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)最好是具有較多段加工NC代碼軌跡監(jiān)控的能力 , 這與司機(jī)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(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)都具有待加工軌跡監(jiān)控能力。所謂待加工軌跡監(jiān)控 , 就是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)在控制加工的同時(shí)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(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前面必須改變進(jìn)給方向時(shí) , 自動(dòng)執(zhí)行加減速程序 , 以避免偏離程序中規(guī)定的切削加工路徑。一些計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)和機(jī)床制造商通過(guò)軟件來(lái)增強(qiáng)這一功能 , 并以此來(lái)優(yōu)化機(jī)床的性能。例如 ,Makino公司在他們的 FANUC 16MC控制系統(tǒng)中使用了64位“超級(jí)幾何智能卡” ,其精工系統(tǒng)具有 120 段待加工NC代碼的軌跡監(jiān)控能力 ,這樣 ,它允許 NC代碼的編程人員使用想要的最高進(jìn)給速度 , 控制系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度和加減速度 ———在加工曲線段時(shí)減速 , 而在加工直線段時(shí)加速。當(dāng)然 , 這些加/減速處理都是隨不同機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性及要求的加工精度的不同而不同。4 運(yùn)動(dòng)控制卡運(yùn)動(dòng)控制卡是很多機(jī)床控制系統(tǒng)的基本組成部分 ,用于組成機(jī)床的位置環(huán)。它計(jì)算機(jī)床各軸的運(yùn)行規(guī)律并給伺服電機(jī)發(fā)送命令以確保這些規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單地說(shuō) , 運(yùn)動(dòng)控制卡的工作順序是: 接受控制系統(tǒng)主機(jī)送來(lái)的 G代碼段:根據(jù)進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和位移量來(lái)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù);計(jì)算出各軸以程序規(guī)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(yīng)地調(diào)節(jié)伺服放大器的信號(hào)以控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)保證加工路徑的實(shí)現(xiàn)。為保證程序規(guī)定的加工路徑的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn) ,運(yùn)動(dòng)控制卡要重復(fù)地檢測(cè)機(jī)床各軸的實(shí)際位置并計(jì)算實(shí)際位置與理論位置的誤差 ,同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的調(diào)節(jié)來(lái)使這種誤差最小。這樣就完全了位置環(huán)的一次工作循環(huán)。為了控制高速加工中心正常運(yùn)行 , 運(yùn)動(dòng)控制卡的所有工作都是實(shí)時(shí)反復(fù)地執(zhí)行 , 幾乎每秒鐘要進(jìn)行成千上萬(wàn)次。普通 PC 機(jī)的軟硬件不能任這種工作 , 而運(yùn)動(dòng)控制卡上的微處理器及其軟件卻有完成這種任務(wù)的能力 , 他們是為運(yùn)動(dòng)控制中快速重復(fù)的方程式解算而專門設(shè)計(jì)的。現(xiàn)在 , 運(yùn)動(dòng)控制卡的發(fā)展趨勢(shì)是: ①實(shí)現(xiàn)與機(jī)床計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)主機(jī)之間的高速通訊; ②大量使用數(shù)字技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制卡功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)一個(gè)響應(yīng)迅速、與刀具路徑刀具處理系統(tǒng)緊密結(jié)合的伺服系統(tǒng)。可是 ,盡管計(jì)算機(jī)精工領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常談及計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) , 但還是難以指望那種性能優(yōu)良的伺服控制單元在近期里出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的著名制造商正在致力于復(fù)雜的分布式控制體系結(jié)構(gòu)的建立。他們除了計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)中使用多個(gè)高速處理器分擔(dān)不同的實(shí)時(shí)控制任務(wù)外 , 有時(shí)還在一些系統(tǒng)中使用“敏捷”(smart) 數(shù)字坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)器 , 從速度方向考慮 , 反饋信號(hào)直接回到驅(qū)動(dòng)器 , 而不是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng) , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的精度。一個(gè)全數(shù)字式的運(yùn)動(dòng)控制卡將進(jìn)一步增強(qiáng)計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)的控制功能。例如 , Mitsubishi 500CNC通過(guò) G代碼能被切換到“高精度控制”模式來(lái)提高精度并減少加工時(shí)間。在一般的控制系統(tǒng)中 , 加/減速度是一個(gè)常數(shù) , 但該控制系統(tǒng)在這種模式下工作時(shí) , 加/減速度是按進(jìn)給速度的某種函數(shù)計(jì)算的。其次 , 該控制系統(tǒng)中的控制算法能夠把加減速過(guò)程中的位移 - 時(shí)間曲線平滑成“S”形 , 這將使伺服系統(tǒng)運(yùn)行變得更加平穩(wěn)。再次 , 該控制系統(tǒng)中運(yùn)用了自適應(yīng)數(shù)字濾波來(lái)抑制系統(tǒng)在某種頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)。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(jìn)給速度和加工速度很快 , 編程員必須能夠預(yù)見(jiàn)到切削刀具是怎樣切入工件中去的。加工時(shí)除了使用小的進(jìn)給量和淺的切削深度外 , 編制NC代碼時(shí)盡量避免加工方向的突然改變也是非常重要的 , 因?yàn)檫M(jìn)給方向的突然變化不僅會(huì)使切削速度降低 ,而且還有可能產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象 , 這會(huì)降低加工表面質(zhì)量 , 甚至還會(huì)產(chǎn)生過(guò)切或殘留、刀具損壞乃至主軸損壞的現(xiàn)象 , 特別是在三維輪廊加工過(guò)程中 , 將復(fù)雜型面或拐角部分單獨(dú)加工會(huì)比用“之”字形加工法、直線法或其他一些通用加工方法來(lái)一次加工出所有面更有利一些。高速加工時(shí) , 建議刀具緩慢切入工件 , 同時(shí)盡量避免刀具切出后又重新切入工件 , 因此 , 從一個(gè)切削層緩慢地進(jìn)入另一個(gè)切削層比切出后再突然進(jìn)入要好 ,其次 , 盡可能地保持一個(gè)穩(wěn)定的切削參數(shù) , 包括保持切削厚度、進(jìn)給量和切削線速度的一致性 , 當(dāng)遇到某處切削深度有可能增加時(shí) , 應(yīng)降低進(jìn)給速度 , 因?yàn)樨?fù)載的變化會(huì)引起刀具的偏斜 , 從而降低加工精度、表面質(zhì)量和縮短刀具壽命。故在很多情況下 , 有必要對(duì)工作輪廊的某些復(fù)雜部分進(jìn)行預(yù)處理 , 以使高速運(yùn)行的精加工小直徑刀具不會(huì)因?yàn)榍暗拦ば蚴褂玫妮^大直徑刀具而留下的“加工殘余”而導(dǎo)致切削負(fù)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(tǒng)準(zhǔn)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(fù)載不變的關(guān)鍵 ,而這一關(guān)鍵對(duì)高速加工的成功實(shí)現(xiàn)又是至關(guān)重要的。總之 , 刀具路徑越簡(jiǎn)單越好 , 這樣 , 加工過(guò)程更有可能達(dá)到******進(jìn)給速度 , 而不必由于密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(lái)連接相鄰的兩個(gè)直線段 , 將有利于減少加/減速程序的頻繁調(diào)用和轉(zhuǎn)換次數(shù)。在高速加工中 , 無(wú)論從加工精度還是從加工安全性來(lái)說(shuō) , CAM系統(tǒng)的自動(dòng)過(guò)切 (殘余) 保持功能是必不可少的。因?yàn)檫^(guò)切 (殘留) 對(duì)工件的損壞是不可修復(fù)的。而它對(duì)刀具的破壞亦是災(zāi)難性的 , 這就要求被加工幾何表面建立一個(gè)精確而連續(xù)的數(shù)字模型以及有一個(gè)高效的刀具路徑生成算法來(lái)保證加工輪廓的完整性。其次 , CAM系統(tǒng)對(duì)刀具路徑的驗(yàn)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(yàn)證程序編制的正確性 , 另一方面還可以對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化 , 根據(jù)不同加工路徑自動(dòng)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度以始終保持******安全進(jìn)給速度。6 待加工軌跡監(jiān)控 (Look Ahead)前已述及 , 高速加工中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具有待加工軌跡監(jiān)控功能。通過(guò)待加工軌跡監(jiān)控 , 機(jī)床可以獲得最高進(jìn)給速度 , 這就是說(shuō) , 機(jī)床的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)可以在保證加工精度的條件下使機(jī)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(jī)床操作者 , 而是機(jī)床的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng) , 它可以在秒鐘內(nèi) 2000多次改變進(jìn)給速度來(lái)達(dá)到上述目的。因此 , 使用一個(gè)具有待加工軌跡監(jiān)控功能的高速計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng) , 可以保證在理想的精度條件下實(shí)現(xiàn)零件加工時(shí)間的最短。(1) 待加工軌跡監(jiān)控的必要性一般來(lái)說(shuō) , 經(jīng)過(guò)機(jī)床加工后無(wú)需鉗工處理的零件應(yīng)是最精密的。為了達(dá)到這一目的 , 可以通過(guò)盡量減少進(jìn)給量來(lái)降低加工表面的理論粗糙度。減少進(jìn)給量意謂著所需要的切削時(shí)間會(huì)增加 , 但進(jìn)給量的減少降低了切削力 , 因而允許機(jī)床在更大的加工速度和更高的進(jìn)給速度下工作。特別是隨著新的刀具制造技術(shù)的發(fā)展 , 更促進(jìn)了加工速度的提高。在當(dāng)今的高速銑削加工中 , 高速計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)和高速伺服單元結(jié)合來(lái)用最少的時(shí)間加工出符合精度要求的工件 , 待加工軌跡監(jiān)控是必不可少的條件。(2) 為什么需要待加工軌跡監(jiān)控眾所周知 , 三維型面是很多相互靠近的點(diǎn)來(lái)形成的 , 其實(shí)問(wèn)題就出在這里。我們可以經(jīng)常見(jiàn)到很多 NC代碼段定義的位移僅 010025mm , 這在復(fù)雜的精密零件加工中更是常見(jiàn) , 如此密集的點(diǎn)在高速加工中出現(xiàn)過(guò)切 (殘留) 的可能性極大。如果機(jī)床以高于 510m/ min的進(jìn)給速度工作 , 那么機(jī)床要在小于 0125mm 的距離內(nèi)從加工速度減速直到停下來(lái)幾乎是不可能的。如果控制系統(tǒng)不通過(guò)待加工軌跡監(jiān)控對(duì)此做出充分的準(zhǔn)備 ,過(guò)切 (殘留) 現(xiàn)象就不可避免。(3) 待加工軌跡監(jiān)控的工作原理顧名思義 , 待加工軌跡監(jiān)控就是計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)在控制加工的同時(shí)對(duì)將要被加工的程序段進(jìn)行掃描以驗(yàn)證其能否正確控制機(jī)床完成 NC代碼所規(guī)定的任務(wù)。如果發(fā)現(xiàn)前面有可能出現(xiàn)問(wèn)題的話 , 控制系統(tǒng)將在適當(dāng)?shù)奈恢每刂茩C(jī)床開(kāi)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(jiān)控的代碼段數(shù)從1010m/ min的速度停下來(lái) , 大部分機(jī)床至少需要1010mm以上的距離。這就是說(shuō) , 如果每一 NC代碼段定義的位移僅 0110mm , 那么計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)就需要對(duì)后續(xù)待加工的100段NC代碼進(jìn)行檢查看是否有加工方向的大幅度改變。后續(xù)的每?jī)蓚€(gè) NC代碼段的連接與目前加工點(diǎn)的距離和每軸減速的******距離進(jìn)行比較。每一個(gè)微小線段可能需要計(jì)算一個(gè)不同的進(jìn)給速度以保證達(dá)到精度要求的******進(jìn)給速度。因此 , 不能規(guī)定監(jiān)控多少段待加工 NC代碼就足夠了 , 監(jiān)控待加工的程序段數(shù)是變化的 , 隨著零件輪廓的復(fù)雜程度、要求達(dá)到的加工精度以及不同機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能等因素而改變。待加工軌跡監(jiān)控算法雖然復(fù)雜 , 但這一工作完成得越快 , 越精確 , 那么計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)控制加工微小線段的性能和精度就越好。如果使用沒(méi)有待加工軌跡監(jiān)控功能的計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng) , 那么機(jī)床加工的進(jìn)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(fù)雜 , 當(dāng)加工進(jìn)給速度超過(guò) 014m/ min時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)切 (殘留) 現(xiàn)象 , 這時(shí)機(jī)床就必須以 014m/ min的速度加工整個(gè)零件。如果精工系統(tǒng)具有待加工軌跡監(jiān)控功能 , 那么它就可以不斷調(diào)整進(jìn)給速度來(lái)平衡加工速度與加工精度的關(guān)系 , 也即精工系統(tǒng)不斷監(jiān)控后續(xù)加工的 NC代碼段并調(diào)節(jié)進(jìn)給速度以使機(jī)床能用最少的時(shí)間來(lái)加工出符合加工精度要求的零件。總之 , 待加工軌跡監(jiān)控功能是本著“精度第一 , 速度第二”的原則來(lái)優(yōu)化加工參數(shù) , 以使機(jī)床工作得更好、機(jī)床壽命更長(zhǎng)。不過(guò) , 只有在仔細(xì)優(yōu)化機(jī)床的加/減速性能并充分利用機(jī)床及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性的前提下 , 待加工軌跡監(jiān)控功能的優(yōu)點(diǎn)才能得以充分體現(xiàn)。7 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) (Direct CNC Networking)高速加工中 , 要實(shí)現(xiàn)刀具與工件之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不是一件十分簡(jiǎn)單的事情。一般來(lái)說(shuō) , 高速加工機(jī)床都是在計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)控制下工作的 , 精工系統(tǒng)中的 NC指令來(lái)自 CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的表示刀具軌跡的數(shù)據(jù)流。很多親自操作過(guò)銑床來(lái)加工三維復(fù)雜零件的人肯定見(jiàn)到過(guò)計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)因等待 CNC代碼數(shù)據(jù)而停止插補(bǔ)的現(xiàn)象。怎樣才能將 NC代碼數(shù)據(jù)快速送到計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)中以避免出現(xiàn)“數(shù)據(jù)不足” ( datastarvation) 的現(xiàn)象 ? 由于 CAD/ CAM系統(tǒng)在三維零件精工加工中的成功應(yīng)用 , DNC (直接數(shù)字控制) 在過(guò)去幾年里成為了精工加工中解決上述問(wèn)題的通用工具。由于三維零件的 NC代碼文件非常龐大 , 而計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)中的內(nèi)存單元又相對(duì)較少 , 因此有必要在加工過(guò)程中分批將加工代碼傳送到計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)中。在高速加工中心中 , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)應(yīng)該與CAD/CAM系統(tǒng)連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中 (direct CNC networking或DCN) 。網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送速度是 1M 字節(jié)/秒。而串行通訊的典型數(shù)據(jù)傳送速度 (在 9600 波特率的情況下) 是960 字節(jié)/秒 , 因此 , DCN 使 CAD/ CAM系統(tǒng)向計(jì)算精工系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)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(shí) , 如果 NC 代碼數(shù)據(jù)不能夠以足夠快的速度傳送到計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)中 , 那么 , 快速而精確地加工三維復(fù)雜曲面將是一句空話。一般來(lái)說(shuō) , 在三維加工中 , 如果 NC代碼段定義的位移小于 015mm的話 , 這時(shí)候 CAD/ CAM 系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送就必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送 , 否則 , DNC在數(shù)據(jù)傳送速度方面的不足將會(huì)影響到機(jī)床性能的充分發(fā)揮。當(dāng)DNC的數(shù)據(jù)傳送速度成為一個(gè)瓶頸問(wèn)題的時(shí)候 , 控制系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)因等待 NC數(shù)據(jù)段而停止插補(bǔ)的現(xiàn)象 , 這對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō)意味著出現(xiàn)走走停停的“爬行”現(xiàn)象。可見(jiàn) , 計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)待加工軌跡監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn) , CAD/ CAM系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)精工系統(tǒng)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(tái)高速加工中心就是一個(gè)綜合系統(tǒng) , 其各個(gè)方面都離不開(kāi)設(shè)計(jì)和制造工程師們的智慧。對(duì)于高速加工中心的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō) , 最重要的問(wèn)題就是要能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)軸向在高的速度和加速度的情況下精確地運(yùn)動(dòng) , 克服由此而產(chǎn)生的所有問(wèn)題 , 其中最主要的就是振動(dòng)和發(fā)熱問(wèn)題。對(duì)于軸向運(yùn)動(dòng)速度問(wèn)題 , 目前最為領(lǐng)先的技術(shù)是使用直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng) , 取代了原來(lái)用回轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲桿的傳統(tǒng)方法。與高分辨率的線性反饋系統(tǒng)結(jié)合使用 , 直線電機(jī)具有速度快、剛性好和精度高的特點(diǎn)。使用這種電機(jī)和反饋裝置后 , GE Fanuc 的機(jī)床在進(jìn)給速度達(dá)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(jī)的機(jī)床能達(dá)到高達(dá)115g的加/減程度 , 這對(duì)高精度高速切削和減少非切削時(shí)間是特別重要的。當(dāng)然 , 直線電機(jī)也不是實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)電機(jī)也達(dá)到了 1g的加速度和 6010m/ min的快速進(jìn)給速度。在這兩種加工中心中 , 使用了螺距較長(zhǎng)的雙頭螺紋滾珠絲桿 , 以便伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的線位移。盡管如此 , 通過(guò)使用高分辨率的反饋編碼器 , 該類機(jī)床仍可達(dá)到 ±01005mm的精度。在設(shè)計(jì)上述的滾珠絲桿時(shí) , 必須考慮熱量對(duì)它的影響 , 以免高速加工時(shí)運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦產(chǎn)生的熱量降低系統(tǒng)的精度。高速加工中心設(shè)計(jì)中 , 其他應(yīng)考慮的方面還有 ,運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)具有較小的慣性 , 其剛度也應(yīng)合適以吸收高速加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。總之 , 在高速加工中心的設(shè)計(jì)中 , 我們應(yīng)大膽創(chuàng)新 , 使用一些非傳統(tǒng)的方法 , 解決因高速而引起的種種問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的日益普及 , 不難找到解決每一個(gè)問(wèn)題的方法。