数控多轴钻床

数控多轴钻床（共6篇）

数控多轴钻床 篇1

1 概念及理论综述

1.1 概念

上世纪90年代美国企业面对日本企业的竞争, 为了挽救市场竞争力, 长期致力于质量精进作为。六西格玛 (SixSigma) 品质体系最早见于知名的手机制造商 (Motorola) 公司, 而后全球各领域内的领先企业如柯达 (Kodak) 、Dow Chemical、联邦快递 (Federal Express) 、通用电气 (GE) 、东芝 (Toshiba) 、索尼 (Sony) 、ABB纷纷效仿, 这些企业的实践结果表明, 六西格玛 (Six-Sigma) 品质体系的推行能较好地帮助企业获取丰厚的利润且取得长足的发展, 因此, Six-Sigma质量系统也成为目前世界上最重要的管理制度之一。

“Sigma”系统计学上的西格玛, 其希腊符号表示为“σ”, 是用来表示变异的度量单位, 在统计学定义是指在完美情况下每百万个量测值中, 其缺点只有0.002个机会, 也就是良品率有99.9999998%。但摩托罗拉公司所订立的质量水平, 则是4sigma的质量水平再纳入量测值中可以能发生的变异考虑, 允许缺点为百万的3.4个机会, 最后通过设定此一品质水平目标, 并通过流程改善的管理, 达到质量改善的成果。

六西格玛 (Six-Sigma) 的系统概念, 重点包括三个部分:①封闭回路系统, ②以流程为重的三大策略, ③四大驱动要素。

1.2 DMAIC模式的具体实施

具体而言, DMAIC模式的实施步骤, 具体内容包括:

①确立问题与DMAIC管理模式目标;②辨别出缺陷 (业务开展中对“客户”产生不利影响的“犹豫不决”和“不同步”) 出现的详细关键根源;③寻找到和缺陷有关的业务流程;④找出关键业务流程;⑤判定是流程缺陷亦或是业务品质缺陷, 能够把控的程度 (人为因素、设计漏洞) ;⑥可否对数据全面量化, 证明应当优化的项目;⑦是否进行业务过程再造;⑧针对问题寻找对应的改进和优化举措或计划;⑨少量试验及反馈;⑩分析收集反馈信息;輥輯訛根据真实情况和DMAIC目的的差异, 明确是否展开对相应流程的循环操作。

2 多轴数控钻床管板生产工艺流程现状

2.1 项目定义阶段

从总体上来看, 推行六西格玛项目 (英文全称DMAIC) 全程的第一个步骤就是对项目进行定义 (Define) , 这是至关重要的一步, 项目小组务必下大力气做好定义阶段的各项工作。

正常情况下, 一个六西格玛项目的概念包含如下数个方面的内容, 即问题阐述、项目目标与目的陈述。

2.2 项目测量阶段

制造基地已经成功获得ISO 14001和ISO 9001的认证, 其设定的生产绩效指标为“准时交货能力”、“产出品质”与“避免危险”;现在这个时段企业的整个生产作业流程已较为完善, 产品于营销接单后即据以编订生产管制计划, 其后下达命令至生产线, 由生产线向生产设计单位确认产品规格无误后有错误则由生产线修订规格) , 再向物料部门确认物料存量 (无存量由物料采购部门紧急购料) , 等到完备后, 于开工准备后执行生产任务, 产品生产完成合格后送交质量部门进行检验, 合格后即入库待交货 (不合格则运回生产线检整后再检或报废) , 生产部门作业告一阶段。

数控钻床对管板的管孔进行加工, 其钻孔质量差异性较小, 加工精度、成本、效率三方面都比普通单轴横臂钻床高出很多, 更能大量节省人力资源消耗, 特别是在凝汽器中, 每块管板都有10000个以上的管孔, 多轴数控钻床的优势更是体现无疑。本课题以上海电气电站设备有限公司电站辅机厂新购置的数控龙门式六轴钻铣床为研究主体, 通过选取不同供应商的刀具及调节各项钻削参数等方法, 在完成质量目标的基础上, 同时尝试做到节约各类支出, 达到平均单孔成本最低的工况, 期望产品的生产成本得以下降, 进而提升企业在市场上的竞争实力。

从A公司管板生产的组织结构来看, 多个职能部门参与新生产, 足见公司领导层对生产的重视。然而伴随项目管理科技的持续发展, 企业身处环境的持续改变, 市场竞争的日益激烈, 目前项目管理的不足也逐步显现出来。如下几个方面就是其主要的表现:①项目关键团队仍待改进;②目前开发流程的缺陷阻碍了生产效率与质量的提升;③项目的绩效考核制度不完善, 团队成员缺乏工作积极性;④生产工艺流程再制品库存问题。

尽管有以上各种存在的问题, 然而这些问题都可以集中到一个问题身上, 即在制管板库存率的居高不下, 造成了生产第一线不幸变成了产品仓库, 生产局限性与约束性陡然加大, 制造周期长, 库存资金占有率高。因此, 解决问题的关键点在于解决管板生产工艺流程在制品的库存问题, 然而解决这个问题的突破口在于生产流程。

通过梳理目前A公司的生产问题显示, 若要解决A公司的库存问题, 实现生产流程的优化, 主要需要解决以下几个方面的问题:

第一, 现有生产作业流程与绩效指标中, 并未能显现生产单位能顾及由生产部门生产中所引发的重工、报废等内部或外部客户的额外损失。

第二, 生产作业流程对于生产活动后的生产不良衍生质量事件, 无法即时、有效、迅速予以应对, 对于矫正及预防活动的展开, 将丧失优势。

第三, 其余直接给流程改进带来影响的要素, 比如项目小组的建设、项目生产评审、绩效考核等辅助工作进行进一步制度安排。

3 管板生产工艺流程分析与改进阶段

3.1 管板生产工艺流程再制品库存增加原因

经过充分的调研和测量, 项目组讨论分析得来的结果显示造成库存增加的因素很多, 但各个因素对库存的影响并不相同。通过用头脑风暴法, 项目组发现以下可能出现偏差:销售因素、质量因素、仓库因素、采购员因素、机器因素、供应商因素。

3.2 降低管板生产工艺流程再制品库存措施

本节主要针对前文所提出的关键问题, 进一步提出降低管板生产工艺流程在制品库存的措施, 具体主要包括以下几个方面:

①通过生产计划及质量控制避免生产作业流程对于生产活动后的生产不良衍生质量事件;

②通过生产计划及质量控制优化项目生产评核;

③通过原料购买与供货商管理控制生产成本;

④通过营销管理与客户管理优化考核管理制度;

⑤改进生产工艺流程;

⑥降低在制品库存。

4 总结

本文基于对六西格玛相关的理论分析的基础上, 进一步选取A公司多轴数控钻床管板生产工艺流程作为研究对象, 结合六西格玛的DMAIC模式的五个步骤对A公司多轴数控钻床管板的生产工艺流程进行全面分析。

摘要：本研究以多轴数控钻床管板生产工艺流程改造优化方案为主轴, 以价值链量化来分析绩效指标设定的角度对现有流程可能存在的缺失, 并辅以六西格玛的DMAIC手法进行分析, 期望建构落实客户导向的新流程, 最后通过前后流程对比验证新流程的可行性与其效益, 本文的研究结论将有助于多轴数控床管板生产工艺流程的优化。

关键词：六西格玛,多轴数控,生产工艺

参考文献

[1]菲利普·科特勒, 营销管理——分析、计划、执行和控制 (第9版) [M].上海:上海人民出版社, 2000.4

[2]甘华鸣主编.新生产 (上、下册) [M].北京:中国国际广播出版社, 2002.

[3]田婧.以市场为导向的新生产流程管理体系研究[D].东南大学, 2006.3.

新型立式可调多轴钻床 篇2

很多机械零件，如法兰、端盖、机座等零件上，均匀分布着一些用于安装紧固件的孔，这些孔的尺寸精度和位置精度要求不高，但加工工作量很大，现有的多轴钻床调整比较困难，适合于大批量生产。目前，市场竞争激烈，大多数工厂的产品是多品种、小批量，因此要求机床调整方便，文中介绍的新型可调多轴钻床能满足这一要求。

2结构及工作原理

图1是新型立式可调多轴钻床的示意图，电机将动力输入分轴箱的主动齿轮1，主动齿轮1将动力传递给圆周上的6个从动齿轮2,6个从动齿轮2经过万向传动轴3将动力传递给钻杆4(主动齿轮1和从动齿轮2都装在齿轮箱内)，钻杆4的位置通过等分盘5和调节盘6来调节，钻模7上面分布了中心距不同的圆周孔，图中孔的分布圆周中心距从D1～D2，工件以钻模7的止口定位，气缸座9上面装有压紧气缸8，将工件压紧在钻模7上，等分盘5、钻模7、气缸座9和齿轮箱都是装在机座上。本机床的关键是等分盘5和调节盘6的设计和制造。

1.主动齿轮2.从动齿轮3.万向传动轴4.钻杆5.等分盘6.调节盘7.钻模8.压紧气缸9.气缸座10.机座

等分盘5如图2所示，等分盘上有3个角度为60°，用于将等分盘5和调节盘6用螺钉连接的圆周槽，和长度为(D1-d)/2径向槽，径向槽最小分布圆直径为D1，最大分布圆直径为D2，孔分布圆的直径范围可在D1～D2直径范围内调节;调节盘如图3所示，调节盘上分布6条槽，槽按阿基米德螺旋槽从起点直径D1开始逐渐增大至D2，阿基米德螺旋槽可在铣加工中心或数控线切割加工机床上加工;钻杆4外径与等分盘5上径向槽、调节盘6上的阿基米德螺旋线槽为小间隙过渡配合;图4为等分盘5和调节盘6装配后，钻杆处于起始圆的情况，等分盘5和调节盘6调节后用螺栓紧固;图5为等分盘5和调节盘6装配后，钻杆分布圆的情况，等分盘5和调节盘6调节时，6根钻杆同时等距离移动，位置调整好后，用螺栓紧固;图5为等分盘5和调节盘6调节后，钻杆分布圆为D2的情况，等分盘5和调节盘6相对位置调节后，用螺栓紧固;图6为钻杆处于阿基米德螺旋盘终点时的示意图;钻模7根据需要分布很多6等分的圆周孔，分布圆的中心距从D1～D2，用于钻孔时导向。这种新型可调多轴钻床调节时6根钻杆同时等距移动，调整迅速、方便、准确。本文介绍的是6等分孔，本技术方案也可用于其它等分孔。

摘要：针对法兰、端盖、机座等零件上均匀分布的用于安装紧固件的孔,介绍了一种新型可调多轴钻床的结构和工作原理。

数控多轴加工培训现状及对策 篇3

随着世界经济结构的加速调整, 国内需求结构的重大变化, 提高我国产业的国际竞争力, 进行经济结构战略性调整、优化, 已成为当前和未来一个时期经济建设与发展的中心任务。改造提升传统产业是实现高新技术产业化的必然, 是高新技术产业发展的重要基础。通过用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业, 促进传统产业结构优化升级, 提高其技术和装备水平, 为发展高新技术及实现产业化提供了重要保障和基础条件。

目前二轴和三轴的数控技术的研究和教学都处在比较成熟的阶段。而四轴、五轴等多轴数控技术的教学存在很大的不足。主要原因是: (1) 成本高, 场地大。 (2) 对参加教学和培训的教师或技术人员的综合能力和素质要求非常高。 (3) 目前, 国内对多轴数控技术的教学还不是很多或者说还不是很系统和规范。特别是目前国内的大型企业中有相当一部分的数控多轴加工的技术人员和操作人员的技能培训, 依靠外企或国外的设备提供者提供的培训。

笔者针对上海目前的数控培训, 特别是多轴以上的培训作了一些调查。主要是在一些有较高知名度和国家级重点学校以及一些大型企业进行调查。具体调研的学校有:大众工业技术学校、工业技术学院、第二工业大学、石化工业技术学校、李斌技师学院等。企业:上海汽车制造厂、上海烟草机械厂、上海机床厂等。

一数控专业培训的现状分析

1. 数控专业的学历教育

学历教育主要集中在大学、高职、中职等教育机构中, 针对数控方面的专业主要有机床数控技术、数控加工技术、机械制造工艺设备等。而这些专业的专业课程主要有数控工艺与编程、数控机床原理以及相关的计算机辅助设计 (CAD、CAD/CAM、UG) 等。

在实践性教学环节中一般包括:金工实习、电工实习、认识实习、生产实习、计算机上机实习、数控编程实习、数控机床加工实训、CAD/CAM应用软件实训、毕业设计等。我国机械、机电类专业的课程设置近几年虽有所改进, 但仍相当陈旧。学生所学知识并不是用人企业所需要的, 而用人企业所需要的课程学生又没有学习。例如, 机械专业的金属切削机床、机械设计、机械零件课程, 至今仍在讲授传统的“三箱”和齿轮设计。而数控机床已广泛采用滚珠丝杠、滚动导轨、换刀机械手和伺服系统, “三箱”和齿轮已降为次要位置。又如, 机械专业开设的金属切削刀具、机械制造工艺学, 目前仍然是讲授传统刀具和传统加工工艺。而在数控加工上, 一次装夹, 即可完成粗精加工。因此, 数控加工的刀具和工艺不同于传统刀具和工艺。又如, 机械专业学生的金工实习, 其主要内容至今仍集中在传统的车、铣、刨、钳操作方面, 而企业急需的数控机床的操作、编程、维修的培训, 因无实验条件, 只能依靠讲授理论, 效果很差。

在数控培训方面, 很多学校把实训重点放在数控机床操作方面。事实上, 作为先进的自动化设备, 数控机床操作非常简单。用人企业真正需要的人才是精通数控加工工艺 (如工艺路线选择、刀具选择、切削用量设置等) 、模具设计、CAD/CAM与数控自动编程、数控机床机电设计与联调技术、数控机床的维护维修等专业“工程素质”。这些专业知识的获得, 不是靠课堂的灌输, 而是要对学生“真刀真枪”地长期实训。各学校由于受到实训条件、经费投入和师资力量的限制, 这方面的培训还远远不够, 导致学校所培养的人才不能满足用人企业的需求。

2. 数控技术培训班

目前数控专业的毕业生在数量和其他方面很难完全满足社会的需要, 有关学校在所在市人力资源和社会保障局的授权后, 开展了中短期 (时间从1周至3个月不等) 的数控机床操作、数控编程和CAD/CAM应用软件等方面的培训班, 并配合人力资源和社会保障局进行职业技能鉴定工作。获得职业技能等级证书者, 更容易取得用人单位的信赖。

参加这种培训的对象, 大部分是有关企业组织的在岗职工, 目的是提高理论知识水平和对新技术的应用技能, 更好地为企业服务。也有准备求职或跳槽的人员, 他们的目的是为了自己能找到一份更好的工作。从这些参加培训的人员结构上不难发现, 他们主要是为今后能更好地找到一份工作或者是为了能在以后不被企业所淘汰。而数控加工的高端人才的培训就很少, 也没有相应的学校或单位有这样的培训。

3. 学校或培训机构的师资力量严重不足

数控技术在近几年的广泛应用, 引起了社会对数控人才的大量需求, 同时造成数控师资, 特别是同时具备相当的理论知识和丰富的实践经验的数控师资队伍严重不足。基本上每个学校的数控教学师资队伍都存在着不同程度的人数和知识结构的缺乏。

目前, 各级职校的师资队伍的技术素质普遍偏低, 学历水平偏低。据统计, 我国高职教师中具有硕士学历以上的高职教师比例只有7%。现在各学校的数控教师主要是从各高校机械或机电专业毕业的本科生或硕士研究生。这些教师具有一定的基本理论知识, 讲授数控专业的理论课没有问题。但由于数控技术专业是一种新专业, 能够承担数控教学工作的“双师 (教师、工程师) 型”教师很少。特别是能承担数控多轴加工的教学、实训指导工作的老师就更少了。

为了尽快提高高职、高专数控教育教师的工程素质, 希望由教育部组织, 委托有能力的单位来承办“机械工程领域 (现代数控技术方向) 骨干师资工程硕士班”, 以弥补这类人才的严重不足。

4. 数控实训设备条件严重不足

前几年, 各学校对数控技术所归属的机械、机电专业的投入力度非常有限, 各学校的数控实验室的数控培训设备非常有限。近年来, 由于数控人才的需求推动, 各校均建有不同规模的数控实训基地, 有的是规模大、设备种类多的实训中心, 也有设备种类和数量相对较少的实验室。但在数控多轴 (四轴、五轴) 的设备上的投入就相对较少了。一方面, 这些设备主要依赖进口, 成本较高;另一方面, 这些设备如引进后还要组织人员去国外进行培训, 企业或学校花了人力和财力还缺少这方面的人才。

而数控多轴加工的教学和培训, 需要有一定的数控专业知识、数控专业英语、编程软件的应用等, 又要投入较高的成本。因为多轴数控加工过程中的工艺、加工的刀具等, 要应用编程软件自动编程。

二对策

随着数控技术的不断发展, 特别是多轴加工的数控人才的需求不断增加, 只能熟练操作数控机床的“蓝领层”人才的比例将逐渐下降, 而具备一定专业理论知识和一定动手能力, 熟练掌握和应用CAD/CAM、Master CAM、Pro-Engineer、UG等自动编程技术, 具有一定的数控设备维护维修技能的人才需求将会日益旺盛。

第一, 在如何进行数控教学方面, 应从目前的教学对象上加以调整, 如在大学、高职等院校进行相关专业的教学, 进行一些有关多轴数控技术的理论教学, 因为大学生有一定的理论知识, 而且专业知识也比较扎实。在这些学生中开设这类课程既弥补了目前这类专业教学内容上的单一化, 又为社会和企业增加新的技术能手。

第二, 在教学培训中也应该从目前的数控基础教学中, 增加数控多轴加工的高技能人才的培训。

第三, 在多轴数控加工技术的教学上应从以下方面着手: (1) 在数控专业的编程能力上, 加强自动化编程及编程软件的应用。 (2) 特别是模具专业更应注重零件的造型设计与加工, 这就更应从数控多轴加工培训方面着手。 (3) 整合现有的资源, 充分利用各个学校和大型企业现有的设备。 (4) 也可利用目前发达的网络进行网络教学。 (5) 应尽量联合大型企业进行产学教研的合作。 (6) 在软件方面应注重老师的能力培养和实践教学的能力, 特别是在数控多轴的教学上更应该加强编程能力和实际操作的能力。

第四, 还应该有政府和职能部门的大力协助。即在教学经费上、设备上、教学软件等, 提供帮助。

参考文献

[1]王晓鸣、刘奇珍.多轴加工数控仿真模拟技术应用研究[J].新技术新工艺, 2012 (7) :10～14

[2]曹怀明.基于MasterCAM软件的4轴钻孔加工[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2012 (5) :76～79

论多轴联动数控系统的开发 篇4

五轴联动数控机床是电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备,代表着一个国家的制造业发展水平。研究开发五轴数控机床和数控系统成为数控技术的研究热点[1]。研究五轴数控技术是一个复杂的过程,要开发相应的五轴实验装置,通过实验装置研究测试各种五轴控制算法、程序,测试各种控制板卡软硬件系统,对五轴联动数控编程、实物加工仿真校验等。

五轴数控的种类有许多,目前常见的有双摆回转台、双摆头和转台加摆主轴三大类[2]。本文采用PC+运动控制器及龙门式双摆回转台结构开发的五轴数控实验平台,是一种开放式的软硬件模块化结构。

2 五轴数控实验平台的主要要求

五轴数控实验平台是为了研究多坐标联动数控系统而开发,在多坐标联动数控系统研制和开发的各个环节中发挥着重要的作用,所以要求其能对多轴联动运动控制算法、插补控制算法进行研究与测试;对开放性多轴运动控制器进行调试;对五轴联动数控编程和五轴数控程序进行校验仿真、实物加工仿真等。

为了满足各类实验的需要,实验平台必须是一种开放式软硬件模块化结构。本文介绍的实验平台为PC+运动控制器的开放式软硬件模块化结构,所谓开放式软硬件模块化结构是指数控系统的开发在统一的运行平台上,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同结构的开放式数控系统,从而达到不同试验的要求。

3 五轴机床基本框架设计

实验平台中机床采用龙门框架双摆台式机械结构,立式主轴,具有适应性强、加工精度高、性能稳定、便于工件安装、检测和观察等特点。本实验机床中X、Y、Z三个移动轴和主轴都采用伺服电机驱动,有模拟和脉冲两种控制方式;额定转速为3000转/分钟,Z轴要求具有断电抱闸功能,防止断电后主轴在重力作用下掉落和工件碰撞,损害刀具和工件。第4、第5数控回转轴采用B、C双摆台结构;B轴设计旋转角度为±110°,C轴设计旋转角度为±360°[3]。由于加工过程中双摆台直接驱动所需要的力矩较大,为减小机构的结构,在设计中B、C轴的伺服电机采用带减速机的伺服电机。本实验平台通过电机连接方式的调整,可以B、C轴或A、C轴测试实验研究,可用于立式和龙门式双摆台五轴机床测试的实验研究,使用UG设计的基本结构和加工后的实物分别如图1和图2所示。

4 五轴数控实验平台控制系统硬件构成

五轴数控实验平台采用图3所示的“NC嵌入PC”开放式结构的数控系统,系统上位机由一台工控PC机组成,采用Windows操作系统。下位机可选用32位高速DSP运动控制器,上下位机的连接可通过标准PCI接口,也可采用RS485接口或通过以太网连接。

上位PC机的硬件和软件平台已经形成了全世界广泛认同的规范和标准。PC硬件平台的标准化和易换性非常有利于数控系统的开发、使用和维修,而且为以PC为基础的数控系统的标准化、模块化和开放性奠定了硬件基础[4]。上位PC机的WINDOWS系统是多任务操作系统,具有通用性、模块化和开放性等特点,具有强大的开发群体和丰富的软硬件资源,为系统的开发提供了良好环境。但由于Windows不具备实时性,在系统中PC模块主要完成数控系统的非实时性工作内容,如人机交互、NC程序预处理和管理、数控系统参数设置、加工数据显示、图形显示等。

对于数控系统中实时性要求高的工作内容(如:插补控制、加减速控制、I/O控制等)交由DSP运动控制器完成。为满足五轴数控的加工控制要求,系统采用具有浮点处理能力的高速DSP运动控制器,要有强大的运算和实时处理功能。

在加工过程中先上位机预读一段NC代码,经加减速预处理后翻译成运动控制器的控制指令通过通讯模块发送到下位机的插补缓冲区,由下位运动控制器实现实时插补控制,并实时地将插补过程中的各种动态信息(如各运动轴位置、速度信号、限位信号等)反馈给PC机。

5 上位机软件开发

为了研究和调试能适应各种运动控制器的要求,在软件设计中采用开发性和模块化设计思想[5]。运动控制器可以直接选用商业化运动控制卡,也可选用自行开发的运动控制卡,上位机软件可以根据不同的运动控制卡选择不同的功能模块和选择各板对应的函数库,从而达到对各种运动控制卡的调试和测试作用,因此上位机软件由下列模块组成:(1)系统初始化模块;(2)NC代码编辑和人机交互模块;(3)NC代码预读处理模块;(4)MDI和手动方式处理模块;(5)NC程序运行管理模块;(6)系统状态动态显示和报警模块;(7)运动控制器指令翻译和通讯控制模块;(8)NC轨迹显示、仿真和图形管理模块;(9)多轴联动数控系统参数设置和维护模块。

本实验平台PC数控系统各界面如图4所示。

各运动轴参数设置模块、运动轴与控制器的对应关系设置模块分别如图5、图6所示,通过运动控制参数设置模块可以设置各轴的脉冲当量、丝杆螺距、电机参数等,通过各轴与控制器对应关系设置模块可以改变各轴的对应关系,从而满足调试程序、验证各类算法,达到模块化开放式试验平台的要求。

6 总结

根据五轴联动数控机床开发的需求,按照开放性、模块化设计的思想,建立了基于PC+DSP运动控制器的双摆台五轴联动数控实验平台。这个实验平台包括硬件和软件两部分,硬件主要结构为PC机+DSP运动控制卡+连接板+伺服电机结构,软件采用模块化结构,根据各类试验的要求,通过改变、增加或剪裁结构对象,形成不同的数控系统,满足五轴数控系统科研的需要。

摘要：多轴数控系统的研究已经成为国内的研究热点,根据研究需要,提出了五轴数控实验平台的主要要求,并描述了双转台五轴数控实验平台的开发过程。

关键词：五轴数控,双回转台,实验平台

参考文献

[1]全荣.五坐标联动数控技术[M].长沙:湖南科学技术出版社,1995.

[2]卢胜利,王睿鹏,祝玲.现代数控系统[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]周凯.数控原理、系统及应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]李鹏,王太勇,赵巍,等.五轴开放式数控系统用户界面的研究[J].机床与液压,2005(6):10-12.

数控多轴钻床 篇5

多轴联动数控数控机床特别是五轴联动数控机床是加工复杂零件的高效、高质量的重要制造装备, 代表着一个国家机械制造业数控技术发展的水平[1]。对于复杂曲面零件存在着空间几何构型复杂的特点, 因此在数控 (NC) 程序的编制方面, 就会因为刀具空间点位的复杂性而导致程序编制的难度大, 验证程序也更费时。NC程序是数控加工的关键, 数控程序的准确性直接影响着被加工零件的精度和表面质量。为实现多轴加工, 有必要在零件实际加工之前进行加工仿真, 来验证NC程序的正确性。同时, 进行刀具轨迹的优化, 以提高加工效率。VERICUT软件广泛应用于多轴数控加工仿真, 在虚拟加工环境下仿真加工过程, 使零件加工之前就能够得到一个有效的加工预测结果。文中以Hermle C42U五轴联动数控机床为原型, 采用海德汉数控系统, 对整体叶轮进行数控加工仿真, 用以验证NC程序的准确性, 同时验证提出的刀具轨迹优化算法的有效性。

1 刀具轨迹优化算法

在目前国内外的研究中, 用于加工曲面的刀具轨迹生成方法主要有如下三种。

1) 等参数线法

等参数线法是一种最常用的刀具轨迹生成算法, 这种方法的最大优点是算法简单, 但参数线受两相邻刀具轨迹之间最大残留高度限制, 得到的刀具轨迹疏密不均, 加工效率较低。

2) 等距偏置法

等距偏置法是求边界曲线的等距离曲线作为刀触点轨迹, 在整体叶轮的加工中, 其边界曲线就是叶片与轮毂表面的交线, 从边界曲线开始逐行地加工叶轮叶片的表面。刀具轨迹的间距只能根据最大残留高度决定, 加工效率比较低。

3) 等残留高度法

等残留高度法则是通过控制相邻轨迹间的距离使得轨迹间的残留高度不变, 从而在已知一条加工轨迹、刀具半径和允许残留高度的前提下, 计算出下一条刀具轨迹。这种方法考虑了曲面形态的不同, 使轨迹间的残留高度不超过限定值, 提高了加工效率。但该方法的缺点是刀轨分布不均匀。

1.1 改进的等距偏置法

等距偏置法虽然保证了刀具轨迹线在几何空间内的间距相等, 但一般情况下在不同位置处的残留高度并不相等, 其间距由最大残留高度决定, 因而加工效率比较低。而等残留高度法则是考虑了曲面形态及刀具半径的因素, 使轨迹间的残留高度达到最大, 提高了加工效率。若是将两种方法进行结合, 在等距偏置法的基础上, 通过控制刀具轨迹的行距, 保证相邻刀具轨迹之间的残留高度维持在一定的范围内。本文中的算法示例将残留高度的范围维持在0.004~0.005之间。这样既可以保证刀具轨迹在空间当中的分布较为均匀, 同时又保留了等残留高度法生成的刀具轨迹加工效率较高的优点。

1.1.1 刀具轨迹曲线的计算

对于等距偏置法的实现, 实际上是要建立空间中等距曲线的数学模型并进行公式推导。

设P (u) = (x (u) , y (u) ) 是一条曲线的方程, 则这条曲线的等距曲线H (u) 的方程为:

其中, N (u) 是曲线P (u) 在 (x (u) , y (u) ) 处的单位法矢量, R是刀具半径。

通过公式的推导, 最终可以得到等距曲线H (u) 的表示形式为:

1.1.2 走刀行距的计算

实现改进的等距偏置法的关键在于控制走刀的行距。走刀行距是指两相邻刀具轨迹之间的距离, 其大小是影响曲面加工的表面粗糙度和效率的重要因素。行距过小将使加工时间成倍增加, 过大则表面残留高度增大。所以走刀行距既要考虑表面粗糙度, 又要考虑生产效率, 是曲面加工计算的一个重要问题。残留高度在一定范围的情况下, 行距由法曲率半径和刀具半径决定。实际上, 过曲面的给定点且垂直于已知刀触点轨迹的曲线有无数条, 所求的下一条刀触点轨迹应该是曲面上与上一条刀触点轨迹距离最短的一条[7]。通过计算出的刀触点轨迹应用公式 (2) 计算出刀具轨迹。合理的走刀行距应是在满足给定的残留高度范围内的最大行距。

走刀行距计算公式为[8]:

其中, 其中L是走刀行距, h是残留高度, R是刀具半径, k0是法曲率半径, 如果被加工曲面为凸曲面, 则k0取正值, 如果被加工曲面为凹曲面, 则k0取负值。

通过控制走刀的行距, 就可以控制两相邻刀具轨迹之间的残留高度。使残留高度维持在一定的范围内, 在满足这一条件的同时尽可能地增大行距, 达到提高加工效率的目的。

1.1.3 改进的等距偏置法的算法流程及实现

改进的等距偏置法的算法流程如图1所示。

结合SIEMENS NX二次开发平台, 通过在Visual C++中用C语言实现改进的等距偏置法的编程, 将其嵌入到SIEMENS NX系统中, 如图2和图3所示。

通过嵌入的改进的等距偏置算法, 在叶片精加工的参数设置时, 切削层参数对话框中增加了一个“残留高度范围”选项, 单击“残留高度范围”按钮, 会弹出“残留高度范围”对话框, 可以设置其范围, 以及设置刀具半径值。

1.2 基于SIEMENS NX的刀具轨迹规划

首先是通过SIEMENS NX软件的建模功能建立整体叶轮的三维模型, 如图4所示。

然后进入数控加工模块。在加工模块中, 首先要确定数控加工的程序零点, 根据叶轮模型确定毛坯的几何模型, 确定工艺过程。工艺过程分为以下四步:

1) 三轴插铣, 应用插铣的目的是为了高效率地去除材料;

2) 在第一步的基础上进行五轴型腔铣, 达到一定的精度, 为后面的精加工打下基础;

3) 叶片精加工;

4) 轮毂表面的精加工。

对于每一步加工, 需要设置参数, 然后生成刀具轨迹。图5为第一步插铣加工的刀具轨迹, 图6为第三步叶片精加工的刀具轨迹, 图7为第四步轮毂表面精加工的刀具轨迹。

通过改进的等距偏置法生成的刀具轨迹, 与等距偏置法生成的刀具轨迹对比如图8和图9所示。

生成刀具轨迹之后, 应用Heidenhain i TNC530 (海德汉) 系统的后处理器在SIEMENS NX中进行后处理, 生成数控加工程序, 如图5~图7所示。

2 基于VERICUT的数控加工仿真

基于VERICUT的数控加工仿真的流程, 如图10所示。

2.1 Hermle C42U数控机床的调用

Hermle C42U是双转台五轴联动数控机床, 除了X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴以外, 还有两个旋转轴A轴和C轴。其中A轴可以绕X轴进行-30°~120°的摆动, C轴可以绕Z轴实现360°的旋转。

VERICUT软件中有机床库及其相对应的控制系统库, 从库中调用Hermle C42U五轴联动数控机床的模型、加载海德汉控制系统, 导入的机床模型如图11所示。

2.2 建立VERICUT组件树

VERICUT组件树的建立实际上代表了仿真之前的所有步骤, 通过加载数控机床控制系统, 机床装配以及加载STL格式的夹具和毛坯之后, 还需要建立数控程序零点、建立刀具库和加载数控程序。

建立程序零点分为两步, 第一步是建立一个机床坐标系MCS, 在组件树的坐标系统选项中, 新建一个坐标系, 命名为MCS, 然后加载坐标系到Stock (毛坯) 。第二步是进行G代码偏置的设置, 选择偏置名为程序零点选项, 然后选择从Spindle (主轴) 到坐标原点MCS定位。

刀具库可以根据零件加工的需要去建立, 整体叶轮的加工需要插铣粗加工, 开槽粗加工, 叶片和轮毂精加工一共三把刀具。其中插铣工序用平底立铣刀, 开槽粗加工用球头铣刀, 叶片和轮毂的精加工应用带有锥角的球头铣刀。最终建立的刀具库如图12所示。

加载由SIEMENS NX生成的数控程序, 通过在VERICUT中设置机床的行程极限和建立数控程序零点, 确定了零件加工的相对坐标系相对于机床绝对坐标系的位置, 相当于完成了对刀的过程, VERICUT组件树的建立如图13所示。

2.3 仿真结果

VERICUT软件能对NC程序的正确性做出验证, 检查干涉、过切、碰撞和超程等问题, 实现对加工过程正确性的评估及优化[5]。仿真后的结果如图14所示。

3 结束语

多轴数控加工复杂曲面, 具有机床运动复杂、数控程序编制复杂的特点。实际生产中, 要先进行仿真加工来验证NC程序的准确性。在SIEMENS NX嵌入了改进的等距偏置法, 该算法既保证了表面质量又提高了加工效率。在加工仿真的过程中, VERICUT软件会对加工过程中的干涉碰撞等问题进行评估, 以指导设计者对NC程序出现的问题进行修正。

参考文献

[1]郭宏伟, 蔡安江, 等.基于VERICUT的多轴联动数控加工仿真[J].机床与液压, 2011, 39 (17) :113-115.

[2]王爱云.虚拟制造技术研究现状及展望[J].矿山机械, 2007, 35 (12) :148-150.

[3]燕杰春.基于UG和Vericut软件平台的多轴数控加工编程与仿真加工研究[J].制造业自动化, 2012, 34 (2) :41-43.

[4]徐刚.基于VERICUT的多轴机床加工仿真研究[J].制造技术与机床, 2011, 2:33-36.

[5]吕东迪, 乔垒, 等.五轴数控加工仿真研究[J].现代机械, 2012, 1:6-7, 67.

[6]Piegl L A, Tiller W.Computing offsets of NURBS curves and surfaces[J].Computer-Aided Design 1999, 31 (2) :147-156.

[7]Eungki Lee.Contour offset approach to spiral tool path generation with constant scallop height[J].ComputerAided Design 2003 (35) :511-518.

数控多轴钻床 篇6

1 多轴数控加工中存在的主要问题

1.1 工件定位

在模具深腔曲面多轴数控铣削加工中, 工件定位问题是造成当前机床加工技术受到限制的直接瓶颈。这一方面体现在工件的重新装夹、调整和尺寸在线检测等工序都需要投入大量的资金;一方面传统的工件重新装夹方法使用的是机械夹具, 而对于给定精度要求的工件加工, 则往往需要设计专门的、全新的机械夹具, 这既需要投入大量的时间和精力, 同时也需要投入大量的资金。另外, 对于难识别基准特征的深腔曲面可能需要花费几个小时的时间来完成装夹操作, 这大大降低了加工的整体效率[1]。

1.2 数控机床技术

与以往相比, 数控机床及其加工用刀具的性能有了一定程度的提升, 但数控机床的性能却没能够得到充分的发挥。这主要是因为数控机床在加工时, 工艺的参数设置过于保守, 使得数控机床、工艺参数与刀具的选择之间不匹配, 从而制约了数控机床性能的正常发挥。

2 多轴数控铣削加工切削力研究

2.1 顺削时受力方向及其对加工的影响

以球头刀为例, 根据物理学中力的相互作用原理可知, 工件受到的轴向、切向和径向分力与微元刀刃受到的轴向、切向和径向分力大小相等、方向相反。采用顺铣切削时, 刀齿每齿的切削厚度都会由最大值逐渐减小到零。当刀具由切入到切出时, 采用顺铣削会使得刀具在整个切入切出过程中都会受到工件施加的挤压力, 从而产生欠刀现象出现, 导致切削不彻底。当刀具切出时, 其切出角为90°, 此时切削厚度为零[2]。

2.2 刀具倾角对切削力的影响

对于球头刀而言, 由于其存在前倾角和侧倾角, 使得铣削时瞬时未变形切削厚度与有效切削速度发生变化, 从而对最大切削力和平均切削力造成一定影响。

前倾角对切削力的影响。采用顺铣削, 水平方向的瞬时未变形切削厚度与垂直方向的瞬时未变形切削厚度会随着刀具倾角的变化而发生变化。当前倾角不为零时, 顺铣削的瞬时未变形切削厚度根据前倾角的正负有两种计算公式。当前倾角不同时, 顺铣削的有效切削速度和瞬时未变形切削厚度也不相同, 从而造成切削力的不同。采用逆铣削加工, 当前倾角不为零时, 刀具一方面在水平方向做水平运动, 一方面在垂直方向做进给运动。当前倾角不为零时, 两方向的瞬时未变形厚度与顺铣削方式计算公式相同。同时, 由于前倾角不同而引起的瞬时未变形切削厚度和有效切削速度的不同, 同样也会造成切削力的不同[3]。根据上述分析可知, 刀具倾角的不同会对深腔曲面多轴数控铣削加工的切削力产生巨大的影响, 进而影响加工的效率与质量。

3 多轴数控铣削加工技术优化策略

3.1 合理准确确定设计变量

在模具深腔曲面多轴数控铣削加工中, 其加工刀具存在刀具倾角、切削宽度、切削速度、切削深度、每齿进给量等参数变量。如果垂直刀具轴线方向的切削分量变大, 切削稳定性就会下降, 进而导致刀具变形幅度增加。在充分考虑切削力和刀具变形对深腔曲面多轴数控铣削加工产生的巨大影响之下, 当刀具倾角为40°时, 刀具变形较小;当刀具倾角在30°到40°之间时, 刀具表面粗糙度最佳。同时, 对主轴转速与每齿进给量这两个工艺参数进行优化设置, 以符合加工目标要求[4]。

3.2 刀具路径的优化

1) 合理选择铣削加工方法。目前, 铣削加工方法主要有两种, 即顺铣削和逆铣削。顺铣削和逆铣削在实际切削过程中都会产生“欠切”现象。发生“欠切”现象就会存在欠切量。欠切量是由刀具材料、刀具直径、伸出长度和切削力等多种因素共同决定的。要想得到良好的铣削加工精度, 就必须选择刀具变形量小的铣削方法。在条件相同的情况下, 顺铣削的刀具变形程度要小于逆铣削, 具有较高的加工精度。但如果想要得到最佳的表面粗糙度, 则需要选择逆铣削。在实际加工过程中, 应根据具体情况、具体目标要求, 综合考虑各方面因素, 选择最合适的铣削方法。

2) 合理选择刀具路径。在不考虑是顺铣削还是逆铣削的情况下, 铣削加工具有四种刀具路径, 包括正前倾角、负前倾角、正侧倾角和负侧倾角。不同的刀具路径具有不同的切削速度、刀具变形、表面粗糙度和切削力。当刀具倾角相同时, 正前倾角和正侧倾角的切削力都较小, 因而在满足这一条件的情况下, 铣削加工适合采用这两种刀具路径。而正侧倾角刀具路径上一刀的出刀点正好是下一刀的进刀点, 几乎没有空刀出现。所以, 为提高加工效率, 减少空刀存在, 应选择正侧倾角刀具路径加工方式。

4 结束语

综上所述, 本文以模具深腔曲面多轴数控铣削加工为主要研究对象, 从模具深腔曲面多轴数控加工中存在的主要问题, 以球头刀为例从顺、逆铣的前、侧倾角对多轴数控铣削加工切削力影响进行了研究, 从设计变量的确定、铣削方法的选择和刀具路径三方面对模具深腔曲面多轴数控铣削加工技术优化策略进行了探讨。根据文章分析可知, 模具深腔曲面多轴数控铣削加工受诸多因素影响, 只有对这些因素进行全面充分的考虑, 才能够制定出有效的优化策略, 才能推动多轴数控机床加工产业快速发展。

参考文献

[1]程雅琳.复杂曲面多轴数控加工精度预测与控制[D].济南:山东大学, 2010.

[2]张剑.整体叶轮五轴数控铣削技术研究[D].长沙:湖南大学, 2012.

[3]杨胜培.复杂曲面数控加工的若干基础技术研究[D].长沙:湖南大学, 2009.