可变轴数控加工（精选5篇）
可变轴数控加工 篇1
1 五轴数控加工
五轴加工中的直线轴是确定的, 即坐标轴XYZ, 但是旋转轴有三个 (ABC) , 一般在加工时只选择其中两个即可。生产前将加工刀具安装到特定位置后, 仔细校验以确保安装的规范性, 使五轴能充分发挥其作用, 对多个曲面进行同时加工。在实际生产中, 根据生产需要采用不同的加工模式。
1.1“3+2”轴加工模式。
在机床加工中, 旋转轴的损耗远远大于直线轴, 所以如何解决旋转轴的损耗问题是生产工作中的重点。“3+2”模式的编程相对简单, 而且对旋转轴的磨损较小, 延长了机床使用寿命, 所以是五轴加工中普遍使用的模式。在加工中先要建立坐标系, 确定两个旋转轴的方向, 之后3个直线轴联动对零件加工。进行零件的斜面或者是底部打孔时可以使用短刀, 以提高零件的加工效率。但这种模式仍然存在不足之处:由于加工时两个旋转轴的限制, 不能进行360度的全面加工, 导致加工界面不是光滑平整的, 存在细小的瑕疵, 不能实现对零件的精确加工。
1.2“4+1”轴加工模式。
在加工类似回转体的零件时, 常采用“4+1”加工模式, 即确定一个旋转轴的角度, 其他四个轴联动进行加工。这种加工模式的局限性较大, 不适用于所有的零件加工, 但能够避免零件经常被安装, 在一定程度上提高了生产效率, 所以一直沿用至今。
1.3 五轴联动加工。
五轴联动加工是加工中最为精确的一种加工模式, 将三个直线轴和两个旋转轴同时运动, 并且在加工中能够进行方向的调整, 保证加工连续性和高效性, 五轴联动能很好的解决加工界面的层次问题, 减少加工误差, 将界面打磨光滑、平整。在进行精准加工时经常采用这种模式以提高零件的质量, 保证零件的精准度。
2 五轴加工的关键技术
在五轴加工中不仅要有先进的五轴机床设备, 还要有配套的编程软件及完善的加工工艺。根据加工零件的具体需要, 首先用CAD/CAM软件对刀具的角度和加工方向进行设置, 编译相应的加工程序。然后进行程序调试, 在计算机上进行仿真加工, 检验刀具加工路径是否符合实际加工要求, 及时对程序进行修改, 确保其科学、可靠。最后在机床设备上进行五轴加工。
2.1 五轴机床。
在三轴数控机床中只有三个旋转轴, 加工的零件较为简单, 精度不高。五轴机床不仅增加了两个旋转轴, 且加强了对零件的精度控制。在加工前的软件编译中对算法进行反复推敲, 在加工中能够修正刀具的方向控制加工速度, 加工后能对生产的零件进行质量控制。
2.1.1 主轴速度。
五轴机床的主轴转速在20000r/min~50000r/min, 既可以满足零件的加工需要又能节约电力, 减少设备损耗。对于精密度较高的零件, 机床的主轴应具备更高的转速, 以控制较小刀具对零件的细微加工。
2.1.2 驱动技术。
五轴加工不仅实现了技术改革, 而且能够在加工中及时修改设备相关参数, 改变主轴转速和刀具行进方向, 实施紧急制动, 避免零件报废产生经济损失。在进行复杂曲面加工时需要不断改变主轴的转速和角度, 使界面保持平整, 对转速进行精确控制能延长刀具的使用寿命。目前, 国内外都在研究新型的电机以精简机床设备内部结构, 减少实际加工中能量的损耗, 从而提高设备的稳定性, 使其保持高效率的生产。
2.1.3 控制技术。
在进行实际加工中, 要对运动中的5个轴进行严格控制, 保证其在应有的轨迹上进行运动。加工程序要具备高效的运算速度和控制精度, 及时发现生产中的错误, 改变刀具行进方向, 及时弥补刀具的不足。
2.2 五轴加工工艺。
根据加工情况不同五轴加工采用不同的工艺。按照生产零件精密度划分, 分成粗、精加工;按照刀具规格划分, 以减少换刀次数;按照加工部位划分, 进行先近后远、先简后繁、先平面后孔的加工。无论采用哪种加工工艺, 加工前都要进行模拟实验, 检验所编译的程序是否存在漏洞, 避免实际加工中造成刀具损伤。
2.3 五轴加工关键技术
2.3.1 刀轴控制。
在五轴加工中, 需要对刀轴进行严格控制, 经常改变轴的方向和加工速度, 避免生产中造成刀具的碰撞, 发生事故。
2.3.2 试切加工。
为了提高五轴机床的使用寿命, 程序预先设计的参数比较小, 之后反复调整, 慢慢提高, 逐步接近最大效率值, 以运用到实际加工中。
2.3.3 CAD/CAM软件。
要实现复杂曲面的五轴加工关键需要五轴CAD/CAM软件来实现加工工艺。由于powermill软件具有功能强大操作简便等特点, 在国内市场占有率正在逐年提高。软件中的五轴加工策略很多, 其中“曲面投影精加工”策略的加工范围广、生成的刀具路径质量高效, 特别适用于复杂曲面的加工, 因此受到机械制造工艺师的青睐。
2.3.4 刀路优化。
在编制NC程序时, 要避免刀轴不必要的、过度的摆动, 防止因机床主轴或工作台过于频繁摆动造成机床损坏。在进行刀路优化时着重注意连接刀路的设置, 生成多轴刀路后, 需根据机床性能、零件特征, 调整连接刀路参数, 优化刀具路径。
2.3.5 仿真验证。
由于五轴设备贵重, 加工程序量大, 需要考虑的干涉、碰撞问题较多, 所以实际加工前一定要先进行模拟加工。如今的CAM软件基本只能进行程序验证, 很难仿真实际的工艺工装等实际加工情境, 所以在进行实际的五轴联动加工前, 建议编程人员使用专业的多轴数控仿真软件 (VERICUT) 进行仿真加工, 来验证工艺及程序的安全性、可靠性, 同时增强操作者和机床的安全保障。
结语
本文对五轴加工中的关键技术进行了控制, 以提高实际的生产效率。五轴加工大大的减少了零件的生产周期, 提高了零件的质量和精密度, 而且设备性能上远远优于三轴加工, 是最新型的数控技术。在实际生产中, 要不断研究新型的加工工艺, 加强对于主轴转速、刀具等设备硬件的控制, 还要对系统程序进行反复验证, 以确保生产的高效性。
参考文献
[1]代星.整体叶轮五轴联动数控加工后置处理技术研究[D].华中科技大学, 2012.
五轴数控加工奇异点问题研究 篇2
五轴数控加工相对于三轴加工多了两个旋转自由度,可使刀轴方向任意,目前已得到越来越广泛的应用,特别是在高精的复杂曲面加工中具有不可替代的优势。近几年来,国内外学者在各方面进行了深入的研究。Takeuchi and Watanabe[1]提出了线性化及进给率的控制准则,并对主轴速度的控制做了研究;Lee and She[2]讨论了不同机床的正解和反解运动学;Bohez[3]等人则对不同机床的运动链设计做了深入探讨。
虽然五轴加工有许多优势,如较高的生产效率和更好的加工质量,但也增加了刀轨规划的复杂性和后置处理的难度,以及更高的投资费用,并且带来了新的问题——非线性误差。非线性误差是由于机床旋转运动的影响,导致各轴线性插补的合成运动使实际刀位运动偏离编程直线[4]。而在机床的反解运动中对于某些特殊位置,旋转轴将产生剧烈的运动(短时间内旋转180°),它将产生过大的非线性误差甚至毁坏零件,这就是常说的奇异点问题。本文将在前人研究的基础上分析奇异点产生的原因,并提出相应的解决方法。
1奇异点分析
1.1 奇异现象
图1为一螺旋面在W74CH机床上加工的仿真结果。W74CH机床是A-C双转台机床,并且两转动轴的中心不重合。从图1中可以看出,当加工到螺旋面的最顶端时,为了得到较大的行宽,刀轴近似与C转动轴平行,导致后置时C角产生突变而产生严重的过切。奇异点附近的刀位点数据见表1,相应的后置G代码见表2,后置处理前后各轴的变化曲线见图2。
从图2可知刀心点各坐标值变化均匀连续,而机床C轴、X轴和Y轴却在奇异点附近发生突变,导致刀心点轨迹严重偏离理论编程直线而产生过切。
1.2 产生原因分析
简化计算模型如图3所示。假定OA1=[i1,j1,k1]、OA2=[i2,j2,k2]均为空间单位矢量。为便于分析,令k1>0、k2>0(小于零时有类似的分析)。由图3可知,OA1与OA2的空间夹角为Φ,矢量OA2可由OA1绕Z轴旋转角度θ后得到,因此根据几何关系有:
undefined。 (1)
undefined
=Rot
undefined
undefined
undefined
。 (2)
由式(2)可解得i2、j2、k2,代入式(1)并考虑其为单位矢量可得:
cosΦ=iundefinedcosθ+jundefinedcosθ+kundefined=(1-kundefined)cosθ+kundefined。 (3)
k1=1时,i1=j1=0,θ可为任意角,由式 (3) 得:
undefined。 (4)
令f(k1)=(cosΦ-kundefined)/(1-kundefined),对k1求偏导可得:
undefined。 (5)
k1>0,cosΦ<1,因此式(5)恒小于零,f(k1)关于k1单调递减。由cosθ在θ∈(0,π)单调递减可知,θ关于k1单调递增。将式(3)对k1求偏导易知Φ关于k1单调递减,因此当k1无限逼近于1时,矢量OA1、OA2近似与Z轴平行,此时OA1、OA2的空间角Φ很小,但OA1却要绕Z轴旋转较大的角度θ才能到达OA2。
为了更形象地说明该问题,下面以一简单例子来证明以上推导。令Φ为定值,将k1连续变化可得到θ的变化规律,如图4所示。从图4中不难看出θ随k1的增大而增大,而k1接近1时θ将突然增大,并且越逼近1其变化越剧烈。
2解决方法
根据处理的时间不同,目前已有的处理方法大致可分为两类:刀轨处理和G代码处理。所谓刀轨处理是指在规划刀轨时,考虑奇异点问题使生成的刀轨避免奇异现象[5];G代码处理则是通过优化G代码使机床各轴变化趋于平缓[6,7,8]。另外Anotaipaiboon[9]提出一种优化机床配制形式的方法来避免奇异现象,王瑞秋[10]则提出将工件倾斜的安装方法。本文在前人研究的基础上,提出通过监测刀轴矢量来规划刀轨,从而避免发生奇异现象。
由前面的分析可知,奇异点发生在刀轴与转动轴近似平行处,因此在计算刀轨时可以通过判断刀轴矢量与各转动轴的夹角来确定是否会发生奇异现象。因为在实际刀轨规划时相邻刀轴矢量的夹角即Φ通常较小,一般不会超过5°。由图4知,若Φ<5°,则k1≥0.995时可能发生奇异,此时刀轴与转轴的夹角大约为5°。因此假定发生奇异的角度为ε1=5°,刀轴矢量与旋转轴的夹角为θ,则若θ<ε1则可判定该刀位可能发生奇异。此时,可以通过机床反解运动得到上一刀位点转动坐标Φ1和当前刀位点转动坐标Φ2,若|Φ1-Φ2|>ε2(ε2为机床精度),则令Φ2=Φ1,再反解得到刀轴矢量,由于奇异区域范围小,这样就可以在稍微减小行宽的情况下保证机床运动缓慢变化。该算法的计算流程如图5所示,使用该算法后得到的仿真结果如图6所示。
3结束语
五轴加工过程中的奇异现象将产生过大的非线性误差,严重影响零件的加工质量,甚至使零件报废。本文提出了一种算法,即在刀轨规划时监测刀轴矢量与旋转轴的夹角,若该值小于给定值则认为其处于奇异区域,则以上一刀位点来优化当前刀位,从而使机床各轴能平缓通过奇异区域。仿真结果证明了该方法的有效性。
参考文献
[1]Takeuchi Y,Watanabe T.Generation of 5-axis controlcollision-free tool path and postprocessing for NC data[J].Annals of the CIRP,1992,41(1):539-542.
[2]Lee R-S,She C-H.Developing apostprocessor for threetypes of five-axis machine tools[J].International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology,1997(13):658-665.
[3]Bohez E L J.Five-axis milling machine tool kinematicchain design and analysis[J].International Journal ofMachine Tools and Manufacture,2002(42):505-520.
[4]周济,周艳红.数控加工技术[M].北京:国防工业出版社,2002.
[5]Affouard A,Duc E,Lartigue C,et al.Avoiding 5-axissingularities using tool path deformation[J].InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture,2004,44(4):415-425.
[6]王丹,陈志同,陈五一.五轴加工中非线性误差的检测和处理方法[J].北京航空航天大学学报,2008,34(9):1003-1006.
[7]Munlin M,Makhanov S S,Bohez E L J.Optimization ofrotations of a five-axis milling machine near stationary points[J].Computer-Aided Design,2003,36(7):1117-1128.
[8]Knut Srby.Inverse kinematics of five-axis machinesnear singular configurations[J].International Journal ofMachine Tools and Manufacture,2007,47(2):299-306.
[9]Anotaipaiboon W,Makhanov S S,Bohez E L J.Optimalsetup for five-axis machining[J].International Journal ofMachine Tools and Manufacture,2006,46(9):964-977.
阀芯内螺纹轴数控车削加工 篇3
1.1 零件图分析
阀芯内螺纹轴为典型的带有内螺纹孔及外成型面的轴类零件, 结构形状较复杂、精度要求高, 适合在数控车床上加工。
零件加工的难点在于槽底尺寸为Φ24±0.05的凹槽型面及两侧, 以及M27Χ1.5-6G内螺纹的加工。轮廓表面要通过粗车和精车, 逐步达到精度要求。特别是凹槽两侧30°斜面、R3及R7圆弧的加工, 要注意刀具与工件间的干涉, 选择副偏角大的尖形外圆车刀分层车削, 从左右两个方向或者需要调头装夹加工, 才能逐步达到要求。所以加工过程中零件需要调头安装, 或者一次装夹但要分别使用左、右偏刀加工凹槽左侧及右侧形面。
1.2 零件装夹定位分析
第一种方案:用三爪自定心卡盘辅以顶尖, 两次装夹。
为避免使用右偏车刀的不便, 采用分两次装夹, 先夹住零件毛坯左端外圆, 依次粗车右端Φ44-0.025圆柱表面至Φ44.5*55及外凹形槽槽底Φ24及两侧面去除余量 (留精车余量0.5-1mm) ;钻孔Φ20, 内孔车刀镗底孔及内切槽刀加工4*Φ32螺纹退刀槽, 螺纹车刀车内螺纹M24Χ1.5-6G, 再用35°V型刀片车刀加工Φ24±0.05及左侧的R3和30°锥面 (见图2所示) ;切断零件后调头包铜皮夹住Φ44-0.025外圆表面找正后夹紧 (采用一夹一顶) , 依次车削出左端倒角、Φ48-0.03外圆, 以及中间Φ24±0.05mm凹槽右半部分及R3圆角、R7凸圆弧面、Φ44-0.025圆柱表面。
第二种方案:用三爪自定心卡盘辅以顶尖, 一次装夹。
该方案和方案一不同之处是对于零件中间凹槽的加工, 分别使用左、右偏刀在同一次安装中先后加工出凹槽的槽底及左侧 (R3圆弧、30°斜面) 、槽底及凹槽的右侧 (R3、R7圆弧) 。
另外, 也可采用先以切槽刀切除凹槽大部分的余量, 但要在槽底及左右两侧留精加工的余量;再用左 (右) 偏尖形车刀加工出凹槽最终形状及尺寸。其特点是用外圆切槽复合循环 (G75) 指令编程, 加工效率较高。
1.3 工艺路线设计
方案一:
(1) 如图1示, 夹工件毛坯左端外圆;1) 用内孔车刀加工出M27x1.5-6G内螺纹底孔, 包括孔口倒角C2;换内切槽刀切螺纹退刀槽4xΦ32;粗、精车内螺纹直至与阀芯螺纹轴良好旋合;2) 右端用顶尖定位, 用35°尖形车刀加工出凹槽底部及左侧, 包括Φ25.5、R3圆角及30°角度斜面;注:凹槽中间可以先用切槽刀加工出宽18、深10的槽, 见方案三。3) 换93°外圆车刀加工右端Φ44外圆表面;4) 切断, 留1mm余量 (长度71mm) ;
(2) 如图3示, 零件调头, 夹零件右端 (Φ44x30) , 1) 以35°尖头车刀车出凹槽底部及右侧, 包括Φ24±0.05、R3及R7圆弧;2) 用93°外圆车刀加工右端面保证总长, 倒角C2及Φ44外圆表面。
方案二:
如图3示采用“一夹一顶”安装。
(1) 用35°左偏尖形车刀加工出凹槽槽底及左侧;
(2) 换35°右偏尖形车刀, 加工出凹槽槽底及右侧;
(3) 移出顶尖, 垫铜皮夹Φ44外圆表面, 分别加工出内螺纹底孔、螺纹退刀槽、M27x1.5螺纹;
(4) 用93°外圆车刀车两端Φ44外圆表面;
(5) 加工左端C2倒角, 切断;
(6) 零件调头, 车断面, 保证总长。
方案三:
同方案一和方案二不同之处是对于零件中间凹槽的加工, 方案三采用先以切槽刀切除凹槽大部分的余量, 再用左 (右) 偏尖形车刀加工出凹槽最终形状及尺寸。其特点是用外圆切槽复合循环 (G75) 指令编程, 加工效率较高。
2 加工程序的编制
分两次安装的加工程序如下;
车右端外圆表面及车左端面 (切断后) , 螺纹底孔及孔口倒角, 倒角C2和外圆的程序省略。
一次安装的外轮廓加工程序 (其它表面加工程序相同) 如下:
车螺纹底孔及孔口倒角、车内螺纹、车右端外圆表面, 以及零件调头用93°外圆车刀加工右端面保证总长, 倒角C2及Φ44外圆表面的程序, 同前面“分两次安装”。
参考文献
可变轴数控加工 篇4
关键词：五轴,数控加工,刀具轨迹,驱动
0 引言
五轴数控机床, 拥有三个移动轴X、Y、Z及A、B、C中任意2个旋转轴, 所以可以完成复杂曲面的高精度加工, 一次装夹即可完成五面加工[1]。在普遍采用商业化CAD/CAM软件生成五轴机床数控加工刀具轨迹的情况下, 如何规划刀具路径, 采用高效的驱动方式显得尤为重要。通过不同驱动技术的对比, 结合奖杯的加工, 可供其他用户加工其他复杂零件参考。
1 五轴加工驱动技术研究
1.1 五轴加工刀具轨迹生成
常见的刀具轨迹生成方法主要有参数线法、截平面法、回转截面法、投影法以及等残余高度法等。根据加工曲面, 指定合适的刀具轨迹生成方法以及步距、残留高度和公差等加工参数, 生成切触点 (cutting contact, CC) 曲线。由切触点曲线, 按照各种类型刀具的偏置计算方法, 生成刀位点 (cutter location, CL) 曲线或刀具轨迹曲线[2]。
通过保证等残余高度, 使整个刀具路径的步距最大化方法, 等残余高度法能大规模减小刀位文件 (CL data file) 。它能适用于各种自由曲面, 既能适用于往复, 也适用于螺旋走刀方式[3]。
在等残余高度法中, 步距s与参与残余高度h之间有密切关联。可以分三种情况来分别计算:
1) 加工曲面曲率为零, 即加工面为平面时:设球头刀半径为r, 切削步距为s, 残余高度为h。根据几何关系我们可以得出
2) 加工曲面为凸面时, 设球头刀半径为r, 加工凸曲面曲率半径为R, 切削步距为s, 残余高度为h。根据几何关系经变换可得
实际加工中R>>h, 因此 (R+h) 2≈R2+2Rh, (R+h) 4≈R4+4R3h, R+h≈R, 可简化为近似解:
3) 加工曲面为凹面时, 设球头刀半径为r, 加工凹曲面曲率半径为R, 切削步距为s, 残余高度为h。根据凸曲面的计算方法, 类似可推得:
也可简化为近似解:
实际加工中, 对于复杂曲面, 特别是有连续小曲面凹凸往复的位置, 精加工时应采用等残余高度法, 可保证加工精度, 提高加工效率。
1.2 五轴精加工驱动对比研究
对于复杂的曲面五轴加工, 需要定义合适的驱动方法、投影矢量和刀轴。其中驱动方法是非常关键的, 一当确定了驱动方法, 就决定了可以选用的投影矢量、刀轴以及切削类型。
系统将会在所选驱动曲面上创建一个驱动点阵列, 然后将此阵列沿指定的投影矢量投影到部件表面上。刀具定位到“部件表面”上的“切触点” (CC) 。刀轨是使用刀尖处的输出刀位点 (CL) 创建的。
对于复杂曲面来说, 假如没有选择合适的驱动方法和刀轴矢量, 生成的刀轨会非常紊乱, 甚至发生干涉。而且会产生大量多余刀轴运动, 极大地影响加工效率。
在UG NX中, 对于可变轴加工来说, 常见的驱动方法有:曲线/点驱动、螺旋式驱动、径向切削驱动、曲面区域驱动、刀轨驱动、边界驱动和流线驱动等。
2 奖杯加工
2.1 加工路径规划
奖杯采用铝合金棒料加工, 分粗加工、半精加工和精加工三道工序。
粗加工, 为了高效去除大部分材料, 采用D10平底刀型腔铣。需要采用两侧分别粗加工, 刀轴选择垂直于对称平面。每侧切深应超过对称平面0.5 mm。切深0.5 mm, 留余量0.3 mm, 转速8000 r/min, 进给速度3000 mm/min。为了避免频繁抬刀, 选择围绕周边。
由于粗加工用的平底刀, 开始粗加工时好多复杂的凹曲面处没法下刀, 留下的余量比较大。半精加工的目的是为了给精加工小的球刀留下较为均匀的余量, 以提高精加工效率和精度。采用B3球铣刀, 可变轴加工方式。采用等残余高度0.5 mm, 余量0.1mm, 转速8000 r/min, 进给速度3000 mm/min。
精加工采用B2球铣刀, 采用可变轴加工方式。采用等残余高度0.001 mm, 余量0, 转速12 000 r/min, 进给速度5000 mm/min。
2.2 不同驱动方式加工对比
在奖杯的半精和精加工中采用了五轴可变轴加工方法, 采用不同的驱动技术会直接影响实际的加工效果。
第一种方式, 沿奖杯外轮廓绘制艺术样条曲线, 回转成曲面, 利用它来作为驱动体。刀轴采用插补矢量, 所有角度设为一致。尽管如此, 在每层插补点之间刀具摆动角度 (B轴) 还是会不断变化, 后处理的数控加工程序中B轴的旋转运动速度受实际机床动态特性的限制, 加工效率较低, 实际加工时间延长50%以上。
第二种方式, 按一圆柱表面加一上半球面作为驱动体, 使加工主体部分时保持刀具摆动角度 (B轴) 基本不变, 这样大大提高了加工效率, 节约了加工时间。为了避免球头刀刀尖挤压加工, 刀轴须设置一个前倾角。
3 结语
通过等残余高度法的加工精度计算, 提升实际加工驱动参数的设置能力。分析不同的驱动体和驱动方法, 结合奖杯的实际加工, 提高了加工效率和加工质量, 对其他复杂曲面的加工有借鉴和参考意义。
参考文献
[1]MAKHANOV S S, ANOTAIPAIBOO N W.Advanced Numerical Methods to Optimize Cutting Operations of Five Axis Milling Machines[M].Berlin:Springer-Verlag Berlin and Heidelberg Gmb H&Co.K, 2007.
[2]刘雄伟.数控加工理论与编程技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.
可变轴数控加工 篇5
2012年6月12日,由中国机械工业集团公司和中国机床总公司共同主办的“第十一届中国国际机床工具展览会”(CIMES2012)在中国国际展览中心开幕。展会坚持“高品位、国际化、专业化”的定位,以“发展智能和绿色机床,引领中国‘智造’”为主题。济南铸造锻压机械研究所有限公司参团国机集团亮相展会,并展出了“PL31550型数控冲压激光切割复合机”等两台产品。其中最新研制的“SPE21250型数控伺服转塔冲床”(图1),采用了发明专利的Servo V.R可变连杆伺服主传动技术,在打点速度、1mm/25mm步冲速度等主要技术性能指标方面,达到国内领先、国际先进水平,同时具有技术先进、结构完善、性能可靠、精度优良、快速高效及节能环保等特点,现场加工演示中得到参观者的一致好评。
国机集团谢彪副总裁出席开幕式后,陪同原机械工业部老领导包叙定、贾成炳等参观了济南铸锻所有限公司展台,并在现场与公司董事长、总经理刘家旭进行了长时间的交谈,饶有兴趣地了解了展品情况,并对展出的科研成果等工作给予了肯定与指导。
2 主传动技术的发展
数控转塔冲床,是对金属板材进行冲孔及成形的高效数控设备,至今已有近50年的应用和发展。其结构主要包括床身、主传动系统、转盘选模系统、送进工作台、数控系统等(图3),广泛适用于多品种、小批量的金属板材加工行业。随着数控技术、液压技术、传动技术以及模具制造技术的进步,数控转塔冲床的总体技术水平和部件性能在不断提高,其中,作为冲压动力源的主传动系统,也经历了几个阶段的变化和发展。
最初的机械式主传动系统由电机、飞轮、离合器与制动器、曲轴、连杆和滑块等组成。电机通过曲柄连杆机构使滑块垂直上下运动,下压模具对金属板料进行冲孔。通过离合器与制动器的结合与脱开,控制动力扭矩的传递及滑块动作的起停。
机械式主传动部件中,离合器与制动器的性能很重要,直接影响到主传动部件的工作效率和使用寿命。最早使用一种气动离合器与制动器,虽然其结构较为简单,但缺点是摩擦片损耗快,污染性强,性能稳定性差,需要经常调整与维修,而且其工作频率较低,噪声大。直到上世纪八十年代,推出了液压离合器与制动器,它具有性能稳定、噪声低、污染小等优点,而且使用寿命比气动离合器与制动器长得多,大大减少了停机时间,降低了维修费用。
上世纪九十年代以来,液压式主传动部件被越来越多地采用,至今已成为数控转塔冲床的主流配置。与机械式主传动相比,油缸取代了曲轴连杆等机械结构,液压站提供动力,两者由主液压阀块连接,通过专门的电子卡程序化控制整个系统的动作,并由连接于油缸活塞杆上的电子传感器适时测量和反馈,最终实现对冲头位置、行程及速度的精确控制。
近年来,随着大扭矩伺服电机及驱动系统的改良与推广,伺服电机驱动式主传动部件已被成功应用于日本AMADA、MURATEC公司的数控转塔冲床产品中。国内厂商也在竞相研制和推出该类伺服主传动的产品。
目前,国内外伺服电机驱动式主传动的结构形式主要有以下几种:
一是在传统机械式主传动的基础上,将伺服电机直接与曲轴相连,省去飞轮及离合器与制动器。如日本AMADA公司的EM系列双伺服电机主传动系统(图4a),是将两台伺服电机分别连接于曲轴的两端,控制其同步运转,保证了对曲轴足够的扭矩输出,同时可以获得很高的冲压频率。
二是伺服电机通过丝杠传动副与曲柄肘杆机构相连,如日本AMADA公司的AC单电机系列数控转塔冲床的主传动结构形式(图4b)。该结构虽然比较复杂,但其利用曲柄肘杆机构特有的增力特性,可以降低伺服电机的负载扭矩,并且曲柄旋转一周,滑块上下运动两次,这样能够相应提高冲压频率,但仍不及前者。
此外,日本MURATEC公司也具有单伺服电机滑枕驱动及采用全新碳纤维增强塑料的连杆机构的主传动形式,后者实现了轻量化和高刚性;芬兰FINN-POWER公司的伺服电机通过传动机构带动推块及双边楔块机构,再推动压头的传动形式;而德国TRUMPF公司采用了双伺服电机驱动丝杠螺母机构的主传动形式。
如上所述,采用伺服电机驱动主传动系统的数控伺服转塔冲床,具有冲压速度高、节能、低噪声、无液压油、环保等优点,已成为国外著名厂商的技术发展重点,并相继开发出拥有各自专利技术的产品,作为主导机型推向国际市场。
近年来的发展表明,数控伺服转塔冲床将作为换代型产品,逐步成为金属板材冲压加工的主要装备。与机械型和液压型数控转塔冲床相比,它具有技术领先、冲压速度快、控制精度高、工艺性强、节能环保等优势,代表了数控转塔冲床的发展方向。
3 Servo V.R可变连杆伺服主传动技术
虽然国内数控伺服转塔冲床技术发展相对滞后,与国外先进水平相比有一定差距,但主要厂家也将其作为换代新产品竞相研制,并有样机相继推出。在伺服电机驱动主传动系统技术方面,济南铸锻所有限公司进行了持续深入的研究,不同于其他产品所采用的国外已有技术的主传动模式,创新提出了连杆长度可变曲柄连杆传动机构及数控转塔冲床主传动系统,形成了独有的伺服主传动专利技术(ZL200720027575.8)。
该专利技术的主传动采用数控伺服电机通过减速机与曲轴直连,驱动连杆长度可变的曲柄连杆传动机构运行的传动方式(图5)。将一种连杆长度可变的装置,应用于小偏心距的曲柄连杆机构中,采用通用高速低扭矩伺服电机,在满足数控转塔冲床所需较大的模具提升及换位行程的同时,能够通过较小的加工行程实现满载荷冲压及快速步冲等功能。
图5a所示曲柄连杆机构中的连杆为内、外连杆的组合嵌入式结构,由升降气缸控制其伸缩,并由平移气缸带动垫块补偿连杆长度的变化。该结构将数控转塔冲床的换模与冲压时所需的两种滑块行程,分别通过可变的连杆长度与较小的曲轴偏心距合理匹配,从而使公称力矩降低,进而减小其伺服电机的额定力矩和功率,能够采用小惯量低扭矩通用伺服电机取代高成本大功率力矩电机。图5b所示为伺服电机直连曲轴并配置改进型快速可变连杆机构(ZL201110219184.7)的主传动系统。
该项技术的应用,达到了使用小功率通用伺服电机取代大扭矩力矩伺服电机达到提高效率、降低能耗的目的。同时采用创新设计满足步冲模式的高速特性要求,并使机床的工况更合理,效率更高。
该技术的应用于数控转塔冲床主传动,其不同于国内外同类产品的独特性在于,将主流的高性能、低成本的通用伺服电机与传统的完善可靠的曲柄连杆机构相结合,并通过连杆长度可变的技术创新,解决了采用小惯量低扭矩伺服电机取代高成本大功率力矩电机的难题,实现了以伺服电机按照板厚、步距等参数自动调整转速并连续运转进行快速步冲,而避免了其他同类产品的伺服电机以间歇摆动方式运转所产生的额外损耗。
作为一种新型的伺服电机驱动主传动系统,不仅保留了传统机械式结构成熟可靠的优点,而且具备了当前液压型的诸多特性,并有其独特的专利技术优势:
(1)节省能源:可变连杆机构的应用,可明显降低伺服电机功率,如11kW电机即可满足300kN公称压力的要求;同时,通过适时控制伺服电机,仅在时启动并提供所需能量,冲压完成后停止,降低了能耗。
(2)降低噪声:滑块冲压模具穿透板料时,会受冲压反力作用产生振动和冲击,由此带来的噪声也会随滑块速度和冲压力的增加而增大。通过在冲压行程中对滑块的速度进行控制和调节,减轻冲头进入板料时的冲击,从而延长模具的使用寿命,并可有效地降低噪声。
(3)提高效率:伺服电机驱动式主传动的滑块行程和速度能够任意调整,可以选择冲压所需的最佳行程,同时设定合适的速度,使其与送料同步,从而有效地提高生产率。自主研发冲压控制及参数化编程软件,对滑块行程、速度和送料时间进行优化、匹配,充分发挥系统整体性能。本公司的SPE系列数控转塔冲床,1mm/25mm步距下最大冲孔次数分别可达到1000HPM/500HPM,而打点时更高达1800HPM(图6),该指标达到了目前数控伺服转塔冲床的高端水平。
(4)优化工艺:通过精确设定滑块停止位置尤其是下死点,能够提高成型模具的加工精度。按照冲压工艺和模具类型,通过优化程序来控制滑块以适应各种冲压模式,如压印、冲孔、成型等(图7)。
以下列举出几种典型的工作模式:
(1)快速单冲:伺服电机间歇运转,根据板料厚度、冲孔大小,控制冲头以最短的行程和最快的速度进行冲压。
(2)高速步冲:伺服电机连续运转,按照一定的送料速度和步距,以合适的频率连续冲压。
(3)精确成形:精确设定冲头下死点位置及停止时间,使成形模保证材料充分的变形与流动,提高其成形精度。
(4)静音加工:通过程序控制冲头打击速度,采用两段式冲压,减少振动和噪声,延长模具寿命。
(5)模具校准:通过监测伺服电机的输出扭矩来检测上下模具的对中性。该模式下,控制滑块缓缓下降至设定位置,并监测当冲头接触下模时伺服电机的扭矩,当其超过平稳进入时的预设数值时,冲头会停止运动并报警。
另外,在上述冲压模式的控制方面,针对不同的模式特点,采用参数化指令设计,并通过自动编程软件,达到高效智能化的应用。
4 SPE/SPH系列数控伺服转塔冲床
如上所述,SPE21250型数控伺服转塔冲床,是应用Servo V.R可变连杆伺服主传动专利技术,研制的主要技术指标达到国际先进水平的高性能产品。其主要结构特点包括:
(1)独有专利的伺服电机驱动及可变连杆型主传动,具有节省能源、降低噪声、提高效率、优化工艺等优点。
(2)闭式机身,弧线造型,新颖美观;钢板焊接式结构,去应力退火,精度稳定。
(3)厚型高强度球墨铸铁转盘,模孔抗磨能力强、导向精度高;国际通用长导向型模具,配套方便,使用寿命长;独特的涡轮蜗杆结构转模工位,分度精度高,模具规格大。
(4)全固定及毛刷钢球复合式宽幅工作台,对板料运行起到良好的保护作用;配置四导轨式横梁及浮动沉降式夹钳的高性能送料系统,保证板料的快速移动及准确定位。
(5)国际高档数控系统及伺服单元,性能优良;国际名牌机电配套元器件,稳定可靠。
(6)可移动操作台、模具视窗、自动翻转台、集中润滑、自动编程等设计,更便于操作和维护。
在上述结构性能的基础上,将进一步研制SPH系列产品,其主要包括以下方面的技术提升:
(1)Servo D.V.R双路可变连杆主传动专利技术(ZL2010101913841)
主传动系统分两路自动切换,一路适应高速轻载,一路适应中、低速重载,以适应不同冲压工艺的需要;同时采用连杆长度可变结构,以适应选模与冲压两种状态下对滑块上死点位置的要求,通过以低扭矩实现高冲压力及变换滑块冲程,达到提高效率降低主电机功率的目的。
(2)标准模可分度多子工位模具专利技术(ZL2011203063447)
将6个1/2"标准模具组合集成构成多子模并安装于分度工位,通过变连杆机构、双冲头机构及分度装置对旋转副冲头驱动及离合控制等实现两种冲压方式:(1)副冲头锁定而分度装置独立旋转的方式可选择任一子模进行零方位冲压;(2)副冲头与分度装置同步旋转的方式可使选定的子模实现任意分度。
(3)多重模具互换型分度工位及模具系统技术(ZL 2011102413950)
使模具系统规格和数量扩充、工艺适应性增强、功能更完善;采用更大规格工位(3 1/2")的模具分度机构设计,可实现单转模(3 1/2"、2")、多子摸(6-1/2")、大规格标准模(4 1/2")等类型模具的互换安装,且操作方便;通过配置四套转模及多子模应用,使模位数可根据需要由30个变换扩充为40甚至50个。
(4)数控系统控制及自动编程技术
采用日本FANUC PANELi-PD数控系统及伺服驱动系统,完善系统控制软件设计,并利用其开放型系统,将自主开发的自动编程系统与伺服冲压数控系统软件相集成,与CAD和数控系统无缝对接,采用一体化人机界面操作,使控制系统配置及软件设计更完善,能够进一步提升整机性能和可靠性。
上述系列产品的主要技术参数如表1所示。
上述系列产品与国际先进产品的技术对比如表2所示。
5 结束语
数控伺服转塔冲床作为最新一代产品,具有快速高效、节能环保等优势,代表了数控转塔冲床的发展水平和方向。
数控伺服转塔冲床的技术关键在于伺服主传动技术。在跟踪与分析国际先进伺服冲压技术的同时,进行集成创新研究,推出的以可变连杆为核心的主传动专利技术,以其与数控转塔冲床工艺的紧密结合而体现出独特的技术优势。以此为核心并通过伺服驱动冲压控制技术、拓展加工工艺研究、自动编程软件开发等关键技术的研究应用,研发出技术水平达到国际同类产品先进水平的数控伺服转塔冲床,在满足相关行业高效精密冲压加工的需要的同时,也将对推动我国伺服冲压技术的发展,提高产品国际竞争力起到积极的作用。
摘要：本文通过对最新研制的SPE系列数控伺服转塔冲床与其Servo V.R专利主传动技术的介绍,以及对其相关技术演变与对比的论述,使读者进一步了解当前国内外伺服电机驱动式数控转塔冲床的发展现状,也能从中管窥未来高性能板材冲压加工设备的发展趋向。
关键词：机械制造,数控转塔冲床,伺服主传动,曲柄连杆机构,长度可变连杆,伺服冲压轴,数控系统
参考文献
[1]刘永宽,陈东,尹东辉.C轴同步控制在数控转塔冲床上的应用.锻压装备与制造技术,2011(,5).