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当前位置: 首页 > 新闻频道 > 热点聚焦 > 数控机床是怎样工作的?看完这篇你就懂了
数控机床是怎样工作的?看完这篇你就懂了
来源:中国数控机床网   发表时间:2019-6-7 18:22:00  浏览次数:
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作者|陈俊宇,清华大学机械工程系博士研究生

一提到工业,最基础的就是制造。

而所谓制造就是把各种各样的东西从原材料变成零件再装配成产品。

图:火星四溅的热加工:铸造

在传统的金属加工领域,零件的制造就是火星四溅的铸锻焊以及硬碰硬的车铣刨磨钳,我们生活中见到的任何一个稍微有些形状的金属,在我们见到之前,都已经在工厂经历了多次铁与火的淬炼。

图:硬碰硬的冷加工:车削

既然金属零件是机器制造的,那么机器又是如何制造的呢?原来,它是通过机床完成的。

(一)从机床到数控机床,机器不再无脑干活

机床是其他机器的“母机”。

炼钢厂出产的钢铁并不是我们在生活中见到的各种奇奇怪怪的形状,而是板材、管材、铸锭等等形状比较规则的材料,这些材料要加工成各种形状的零件就需要使用机床进行切削;还有一些精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件,就要在机床上用精细繁复的工艺切出来或者磨出来。

图:形状复杂、制造精度和表面粗糙度要求极高的零件:燃气机叶轮

和所有的机器一样,最初的机床包括动力装置、传动装置和执行装置,靠电机转动输入动力,通过传动装置带着被加工的工件或者刀具进行相对运动,至于在哪儿下刀、切多少、多快速度切等等问题,则由人在加工过程中直接进行控制。

图:传统装备的三大核心装置

由于传统机床使用的电机的转速在工作时基本上是不变的,为了实现不同的切削速度,传统的机床设计了极为复杂的传动系统。这种复杂度的机械在现今的设计中已经不多见了。

图:传统机床(x5032型立式铣床)的传动结构十分复杂

而随着伺服电机(伺服电机就是可以在一定范围内精确控制电机的位置和转速的电机)技术的发展及其在数控机床上的应用,直接控制电机的转速变得方便快捷效率高,而且基本上是无级变速,传动系统的结构大大简化,甚至出现了很多环节电机直接连接到执行机构上,而省略了传动系统。

这种“直接驱动”的模式是现在机械设计领域的一大趋势。

图:伺服电机直驱使得数控立式铣床的传动结构大大简化

结构的简化还不够,要实现各种各样的形状的零件的加工,还需要让机床可以高效、准确的控制多台电机合作完成整个加工过程。

这就要让机床成为有“脑子”的数控机床了。而这个脑子就是数控系统,数控系统的水平高低决定了数控机床能干多复杂、多精密的活儿,也决定了这台机床和他的操作者的身价。

(二)数控系统能干嘛?处理信息并控制动力

数控系统(Numerical Controller System)是数控机床的大脑。

图:一般数控机床的组成

对于一般数控机床而言,往往包含人机控制界面、数控系统、伺服驱动装置、机床、检测装置等等,操作人员在一些计算机辅助制造软件的帮助下,将加工过程所需的各种操作(如主轴变速等步骤以及工件的形状尺寸)用零件程序代码表示,并通过人及控制界面输入到数控机床,之后由数控系统对这些信息进行处理和运算,并按零件程序的要求控制伺服电机,实现刀具与工件的相对运动,以完成零件的加工。

图:数控机床的加工过程

数控系统完成诸多信息的存储和处理的工作,并将信息的处理结果以控制信号的形式传给后续的伺服电机,这些控制信号的工作效果依赖于两大核心技术:一个是曲线曲面的插补运算,一个是机床多轴的运动控制。

(三)零件形状太“自由”?靠插补运算搞定

如果运动轨迹可以用解析式表达,则整个运动就可以分解为几个坐标的独立运动的合成运动,就可以直接控制电机生成了。

但是制造过程中很多零件的形状可以说是十分“自由”的,既不圆、也不方,甚至都不知道是什么形状,例如汽车、轮船、飞机、模具、艺术品等产品常遇到不能用解析式描述的曲线曲面,这类曲线曲面称为自由曲线(Free Form Curves)或自由曲面。

图:包含自由曲面的零件

要切出来这些“自由”的形状,刀具和工件之间的相对运动也相应的十分复杂。具体到操作中,就是要控制工件台、刀具都按照设计好的位置-时间曲线进行运动,控制这二者在规定的时间以指定的姿态到达指定的位置。

机床可以在工件和刀具之间很好地完成直线段、圆弧或其他的有解析式的样条曲线的相对运动,而这种复杂的“自由”运动又该怎么完成呢?答案是依靠插补运算。

图:数控机床进行复杂曲面加工

所谓插补,就是按照一定方法确定数控机床上刀具的运动轨迹的过程。根据给定的速度和轨迹,在轨迹的已知点之间,增加一些新的中间点,并控制工件台和刀具通过这些中间点,进而就能完成整个运动。

而这些中间点之间,则通过线段、圆弧或者样条曲线等来连接。相当于用数段微小的线段和圆弧去逼近要求的曲线和曲面,这就是插补的本质。

流行的插补算法包括逐点比较法、数字增量法等,而利用Nurbs样条曲线进行插补因为其效率高、精度好而得到了高端数控机床的青睐。

(四)刀的姿态不对无法加工?五坐标联动分分钟搞定

加工复杂曲面不光要理论上可以加工,还需要考虑刀具和被加工的表面之间的相对位置关系。

一方面如果刀具的姿态不合适会导致加工的表面质量低下;另一方面刀具还会和加工好的零件结构互相干涉,不调整刀具的相对姿态根本没有办法加工。这就需要赋予数控机床更多的运动自由度,使之更为灵巧。

图:空间中的六个自由度

由于我们所处的三维空间的相对运动只包含六个自由度(3个平动自由度以及3个转动自由度),五坐标联动就是使数控机床在具有空间上x、y、z三个方向的平动自由度外,又增加了两个方向的转动的自由度,再加上刀具本身的用于切削的转动自由度,这样刀具和工件之间的相对运动就有了全部的六个自由度,使得刀具和工件之间可以呈现任意的相对位置和相对姿态。

图:一种五坐标联动机床

如上图所示,虽然图中标了4个平动自由度,但是其实质上也只是实现了x、y、z三个方向的运动,有一个自由度是冗余的,其实质上是一个五坐标联动机床。

图:五坐标联动机床加工复杂曲面

(五)国产数控系统:逐渐迈向高端市场

中国是当今世界机床制造大国,数控系统在性能、功能和成套化应用方面均取得了长足进步。

其中,低档数控系统几乎完全取代了进口,中档数控系统在系列化、商品化和产业化方面成效显著。高档数控系统已突破实现了五轴联动功能,并在六轴数控砂带磨床、五轴叶片铣床和车铣复合机床等设备上得到了示范应用。

此外,中国企业针对零件(如手机壳)的大批量、表面光洁度高等特点,各自开发了多款专用系统和小型高速加工中心,大大降低了生产成本,该市场现已基本被国产系统和主机占领。

不过,还是应该看到,国际上的数控系统已经有很多成熟的高端产品,与世界机床强国相比,中国的机床产品在全球机床市场的竞争力差距依然很大。

结语

虽然时下机床产业不够景气,但作为机器的母机,在中国大力发展智能制造产业的大背景下,智能机床产业也必将有光明的未来。

作为世界上认知度最高的标签,中国制造(MadeinChina)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

 

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