多轴数控系统（精选8篇）
多轴数控系统 篇1
1 引言
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
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[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.
[5]帅梅,刘渊.五轴五联动数控系统的开发研制[J].组合机床与自动化加工技术,1998(10):31-35.
多轴数控系统 篇2
关键词：分瓶螺旋杆设计；三维建模；多轴数控加工
1.问题的提出
在饮料灌装过程中，需要将包装容器（瓶子）定时定距平稳地输送到包装工位，完成这一要求的装置称为定距分隔定时供给装置。分瓶螺杆在螺旋输送机械设备机械中，通常都是与星形拨轮配合使用的。在实际的生产工艺设计中，当瓶子直径比较大时，初段应采用与瓶子直径相等的等螺距螺旋线；当瓶子直径比较小时，瓶高或瓶子直径大于等于2.5倍时，瓶子受输送链条、护栏以及设备本身的震动等影响，特别是高速灌装线上的瓶子会发生一些抖、颤、震动的现象。分瓶螺杆每回转一周，从分瓶螺杆入口导入一个容器，螺旋槽中的容器前进一个螺距，螺杆出口端排出一个容器。螺杆的转速与包装机装填装置的执行构件之间保持一定的传动比，从而间接实现定时供给容器的要求。要达到定距分隔定时供给的工艺要求，这条螺杆必须满足以下几个条件：
1.1、把容器顺畅导入螺旋槽；
1.2、容器沿分瓶螺杆前进时应平稳；
1.3、容器与星形拨轮能够顺利衔接。
2.分瓶螺杆的设计
根据以上三个条件，我们可以把螺杆设计成组合螺杆：初段应采用与瓶子直径略大一点的等螺距螺旋线，更利于瓶子的顺利过渡，小瓶子的强度虽小，与输瓶链条摩擦力也很小，不会对分瓶螺杆的寿命造成较大影响。当设计分瓶螺杆的中间断螺旋线时，可以参照设计圆柱凸轮的曲线模式。螺旋输送机械设备分瓶螺杆与圆柱凸轮具有结构等效性，滚子在圆柱凸轮内的运动，可视为玻璃瓶子在分瓶螺杆内的运动，圆柱凸轮等效于分瓶螺杆。所不同的是圆柱凸轮的螺旋线多数是闭合的，而分瓶螺杆的螺旋线则全部都是非闭合型的。但两者之间并不矛盾，只是闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是相反的，滚子沿凸轮轴线运动既有向前的时候，也有相反运动的时候，最终从动体还会回到出发点，整条曲线是闭合的。非闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是一致的，所以我们可以将凸轮的设计方法应用到分瓶螺杆的设计中去。螺旋输送机机械分瓶螺杆的寿命延长很多，因为成排的瓶子在平顶输送链上瓶子的运动速度要比分瓶螺杆进口的螺旋线旋转速度要快，受到分瓶螺杆的限制瓶子与平顶输送链产生摩擦。由摩擦获得的较大向前推力，会通过螺杆初段的与瓶子直径相等的等螺距，将力量分散在分瓶螺杆初段的螺旋输送机上，接瓶顺利较小的减轻了冲击。
分瓶螺杆设计的基础公式即运动方程
速度：V=∫adt=at+C1 （式中a为加速度、t为时间、C1为待定系数）
位移：S=∫vdt=∫（at+c1）dt= c1t+1/2at2 + c2（C2为待定系数）
2.1.等速段的参数选取
根据速度与位移的关系我们可以知道，要想供送容器平稳导入螺旋槽，则要保证螺
杆每转的位移量V1 与容器的外径几乎相等。设容器的半径为R则：
V1 =2R+△ （△为两相邻容器的平均间隙2～5mm 计算、加工时可以忽略）
设等速段螺旋线的最大圈数为t1 （常取0.5～2圈），则等速段的轴向位移：
S1=V1t1
2.2.变加速段的参数选取
根据传送速度的不同要求，其螺旋线也可有不同的设计。
正弦加速度曲线：行程始、末加速度等于零，故起动平稳，适用于中、高速供送。
余弦加速度曲线：最大的加速度及扭矩小，起动较平稳，行程始末是柔性冲击，适用中、低速供送。
还有设计者提出多项式方程法，该方法对速度过高过低都有可能发生干涉，仅适用“L”形星形拨轮或用于输送不易碎的容器。
2.3.等加速度段参数选取
令分瓶螺杆等加速的供送加速度：
a3=ã；
则相应的供送速度及轴位移：
V3 =∫ã；dt3=ã；t3+C6
S3=∫v3dt3 =t32+C6t3+C7
式中t3表示被供送物件移过行程所需的转数（一般为2～5圈）。
3.分瓶螺杆的三维建模和数控加工
有了以上的基本设计原理，我们可以根据工艺要求设计出我们所需的分瓶螺杆，但在加工中，曲线越复杂，其加工难度也越大，普通机床及经济型数控机床不具备加工分瓶螺杆的功能，一般的数控机床也只有加工等变螺距的指令。现在以直径为φ66的瓶子为例介绍分瓶螺杆的设计与加工。
3.1.分瓶螺杆的三维建模
我们利用solidworks完成三维建模如下图所示：
3.2.数控加工
此次加工选用数控四轴加工中心一次装夹完成螺杆曲面的加工，用的软件是以色列的cimatrone9.0，所用刀路为三轴粗加工两面，然后利用航空平行铣削完成曲面的精加工。
4.结论
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
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[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
多轴数控系统 篇4
随着技术的进步和社会需求的发展,现代数控技术向着高精度、高速度、柔性化方向发展。在高性能多轴数控系统中控制器和设备层之间需要高速、高效和高可靠的数据交换,以保证系统的加工效率和加工精度。高速实时信息交换是有效协调同步各轴运动过程,实现高精度的多轴数控的关键技术之一[1]。
实时以太网采用了完全的数字信号通讯,在数字传输过程中具有高抗干扰能力和鲁棒性,特别适合高速、高可靠、高实时性的数据传输场合。它解决了高性能多轴数控系统中的数据传输的瓶颈。目前有10种实时以太网被列为了国际标准,例如Ether CAT,PROFINET,ETHERNET POW-ERLINK,SERCOSIII等[2]。
本文基于Ether CAT实时以太网提出一个能够满足实时通信要求的高性能数控系统硬件结构平台。该平台具有控制软件可自主开发、插补周期小、通信周期短、同步精度误差小、容错能力强、软硬件易重组等特点。
2 对实时以太网的要求
2.1 对设备层实时通信的要求
多轴的实时运动控制是数控系统的核心任务。在高性能多轴数控系统中多轴的实时运动控制不仅要求对控制数据的高速实时处理,而且要求数控系统与执行环节之间能够实现信息的高速实时交互。实时通信的等待延迟、同步冲突、偏置和抖动都将严重影响多轴数控系统的控制性能。高性能多轴数控系统对于实时以太网的要求主要体现在实时通信的高速性、实时性和同步性。
高速性要求是保证多轴数控机床实现高速高精度加工的基础。当插补精度要求小于0.1μm时,插补周期就必须小于1 ms,而通信周期应该小于1 ms[3]。而传统的脉冲方式其通信速率仅有几百kbit/s,无法满足高速数据传输的要求。因此要求实时以太网具有传输速率以实现控制设备与驱动装置之间高速信息传递。
实时性要求是保证多轴数控系统控制过程确定性的基础。在数控系统中,通信周期的延迟和抖动,都会影响插补周期的延长和不确定,进而影响加工精度。此外在高频数据实时采集过程中,通信周期的抖动势必造成采样数据的丢失和错误。因此实时以太网应具有强实时性保证采样周期和通信周期的准确性,这样才能满足高性能多轴数控系统中对控制精度和加工精度的要求。
同步性要求是保证多轴数控系统轮廓精度的基础。在多轴运动控制过程中,伺服轴的联动控制尤为重要,精确的同步性将会减小工件的轮廓误差。例如,当插补精度要求小于0.1μm时,同步精度必须小于1μs[4]。因此实时以太网应具有严格精确地时钟系统以保证各运动模块的精确同步。
除了满足运动控制要求外,设备层还需要满足大量I/O控制的要求。这些I/O控制包括:数字量I/O,满足限位、阀门等开关信号的测控;模拟量I/O,满足压力、温度等传感信号的测控;脉冲及计数器I/O,满足手轮、编码器和步进电机等设备的测控要求。
此外,系统应满足开放性、柔性、可重构要求,使各功能模块可互换,硬件设备可更换,以适应系统控制任务的变化。
2.2 高性能多轴开放式数控平台的目标
根据上述要求,本文对高性能多轴数控平台的设计提出下列目标:1)实现5轴联动插补控制,插补周期小于125μs,联动轴具有高同步性要求,运动轴数可裁剪、可扩展,各轴的联动类型可重构;2)具有PLC功能,能够实现各类开关量的逻辑控制,例如启停、油液气阀门开关、限位开关的控制;3)具有电流、电压模拟量输入/输出控制。将系统中的压力、温度等物理量采样反馈到系统中进行补偿控制。采用模拟量对变频主轴进行控制;4)具有脉冲量/计数器I/O接口,实现诸如电子手轮、步进电机、变频器等数据交互以及外部编码器信号的采集;5)所有I/O点数可扩展、可裁剪,实现柔性可重构。
3 Ether CAT总线的特点
Ether CAT总线是德国Beckhoff公司2003年提出的一种开放式实时以太网协议,并成为国际标准(IEC/PAS62407-Type12)。Ether CAT总线是基于以太物理层的现场总线技术,使用主-从站模式介质访问控制方式(MAC)。
3.1 Ether CAT通讯具有高确定性和高效性
Ether CAT总线使用“集总帧”的技术思想,其原理如图1所示。以太帧由主站发出,报文经过从站时均从以太网帧上取走与该站有关的数据,或者插入该站要输出的数据,最后一个Ether CAT从站发回经过全部处理的报文,并由第1个从站作为响应将报文发送给主站控制器[3]。通讯的整个过程由硬件处理完成,报文只有几ns的时间延迟。1个以太网帧最大可进行1 486字节的过程数据交换,而传送这些数据耗时仅为150μs。100个伺服轴的通讯也仅为100μs。传输速度为100Mbit/s,传输效率高达90%[5,6]。
3.2 Ether CAT的同步机制
Ether CAT采用精确排列分布时钟方式进行时钟同步,以第1个从站本地时钟作为参考时钟,该参考时钟为网络提供系统时钟以同步其他设备和主站的从时钟。由于通讯采用了逻辑环结构(借助于全双工快速以太网的物理层),主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移,另外主站会计算出参考时钟与每个从站时钟的漂移,通过该机制进行从站时钟漂移补偿。这就意味可以在网络范围内使用非常精确的、小于1μs的、确定性的同步误差时间基,其时间戳分辨率达到10 ns,精度小于100 ns[5,7]。
另外在Ether CAT的应用层中还嵌入SER-COS和CANopne标准协议。在Ether CAT网络中稍加改动便可轻松地选择CANopen设备作为扩展对象。在高性能运动控制场合中Ether CAT帧可以传送AT和MDT形式的SERCOS数据,实现对伺服位置、速度或转矩选择性控制。结合这些伺服驱动协议的Ether CAT技术不仅保证了多轴运动控制的精确同步,而且可以充分利用现有工控设备进行轻松扩展。
4 高性能多轴数控系统平台
针对高性能多轴数控系统对于实时以太网的实时性,同步性的要求,结合Ether CAT总线的通信高确定性、高效性以及高同步精度等特点,搭建了基于实时以太网Ether CAT的高性能多轴数控系统平台。
4.1 硬件系统设计
硬件平台结构原理图如图2所示。硬件系统由主站和从站两部分组成,主站和从站采用Ether CAT间环形拓扑结构连接。
主站为该平台提供了控制软件的运行环境。Ether CAT主站使用标准的以太网控制器,任何支持标准以太网控制器的工控机,如:工业PC机,嵌入式工控机等,都可以作为系统主站。为获得较高运算处理能力,本文采用了以Intel Core 2 Duo双核处理器的工业PC作为系统主站,主站带有集成两个以太网控制器用以实现环形拓扑结构。如果采用嵌入式控制器作为主站,控制器应该具备标准以太网控制器。为保障嵌入式主站的性能,可采用如图3所示的双处理器结构。其中ARM主控制单元用于代码文件的读取编辑解析、反馈信息显示控制、面板键盘的控制以及系统管理等弱实时功能;DSP单元用于处理插补计算、高速实时运动控制强实时任务,并提供与设备层相连的标准以太控制接口,实现Ether CAT的实时通信。
Ether CAT从站采用专用的通讯控制芯片ESC处理数据帧。本文搭建的实验平台从站主要采用德国Backhoff公司的商业自动化控制模块,用以构建真实数控机床控制本体。从站模块如下:1)在数字、脉冲输入输出模块中,由EL1008、EL2008、EL2521以及EL5101等模块组成,用于数字、脉冲信号的采集和输出。其中EL1008和EL2008是1个带有滤波功能的8通道和16通道的数字I/O模块,可以实现各类开关量(如急停开关、限位开关)的实时采集。EL2521是16位带差分的脉冲输出模块,可以直接用于控制步进电机。EL5101是16位增量编码器接口模块,该模块可以接收来自于光栅尺,圆盘光栅编码器的高精度信号实现外部编码器的反馈控制;2)在模拟量4轴控制模块中,由EM7004模块组成,提供控制模拟量的输入和输出。该模块是4轴接口模块,它集成了4个增量式编码器,16个DC24 V数字量输入和输出,4个10 V模拟量输出。不仅可以用于模拟量的输入输出控制,还可以用于4轴的模拟量伺服运动控制;3)在电压、电流输入输出模块中,由EL3102,EL3122,EL4134以及EL4124等模块组成,主要实现电流、电压等模拟量的输入输出。EL3102,EL4134是16位带有差分功能的电压输入/输出模块。EL3122,EL4124是16位带有差分功能的电流输入/输出模块。这些高精度模拟量模块能够采集诸如热电偶、振动以及电机加速等模拟量数据,可实现数控系统的智能控制;4)在伺服控制模块中,由1个AX5112和2个AX5206伺服驱动单元组成,提供5轴进给伺服驱动。其中AX5206是一款数字式紧凑型伺服驱动器,带有双轴驱动模块。在总电流不变的情况下,实现不同功率的2轴电机控制,节省成本,经济实用。
另外各端子模块之间采用E-BUS的连接方式,安装在DIM导轨上,这样便于I/O模块的扩展和裁剪。平台采用环形拓扑结构连接,该连接方式可以提高整个系统的通信错误冗余能力。使用Ether CAT总线端子或路由交换器可以进行网络连接形式的多样化,扩展网络规模,如菊花形连接。
4.2 软件系统设计
高性能多轴数控系统软件在主站上开发,其中NC代码预处理、人机界面、运动前瞻、插补控制等与传统CNC系统类似,与传统CNC系统不同之处在于控制软件的控制数据及控制命令采用完全数字通讯方式直接驱动设备层,彻底摈弃数字与脉冲交互的过程。
Ether CAT主站可以在各种实时操作系统(如,RT-Linux,INTime,Vx Works,Windows CE,Windows XP with Twin CAT RTE等)上实现[5]。基于Windows的工业PC作为主站可以采用Twin CAT等商业化软件实现运动控制。Twin CAT带有基于Windows操作系统的Beckhoff实时内核,具有任务执行周期短的特点,最小PLC任务执行周期为50μs,实现多任务的实时控制。Twin CAT拥有PLC,NCI,CNC三大功能模块,能够满足PLC,多轴点位控制和多轴数控插补等不同控制方式的需要。另外该软件自带运动性能监视器SCOPEVIEW,能够通过图像对运动性能进行测试和观察。
除了采用商业化软件外,主站控制软件也可进行自主研发。在控制软件的设计过程中首先根据Ether CAT帧协议定义以太网数据帧数据结构用以存储发送和接收的Ether CAT帧数据,其次根据初始化协议、控制命令协议定义各类数据帧,同时对于接收到的数据进行分析。然后利用网卡驱动程序进行网络数据的接收和发送,例如使用Lib Pca P(the packet capture library,一个开源的专业网络驱动开发包)。例如在软件中定义初始化帧对各从站进行初始化。最后利用硬件周期或者软件的实时内核进行数据的周期性收发。对于非周期性数据可以依据UDP/IP协议进行收发。从而达到对各进给轴和模块的实时控制。
5 系统性能测试实验分析及结论
根据硬件结构原理图,搭建了1个具有控制信息可高速传输、可自由扩展、具有灵活多样的控制形式的高性能数控系统仿真平台。
为验证高性能数控系统实验仿真平台的性能,设计如下实验:读取加工正弦线刀位点文件,并计算出各轴插补位置数据。在Twin CAT中的NC模块中利用其FIFO功能,依据各轴插补位置数据对5个轴进行插补运动控制。插补任务执行周期为125μs。利用Twin CAT软件的SCOPE VIEW可以清楚地观察到各轴速度,如图4所示。从图4中可以看出,在高速运动下各轴运动速度平滑。说明该平台达到高性能数控系统的要求。
与传统脉冲伺服传输相比,实时以太网伺服数据传输是全数字编码传输,错误冗余能力强,数据传输量大,传输效率高,实时性、同步性好,并且主站可以实现软件数控,具有较强的开放性,设备层物理连接简单,容易实现重构与扩展。本文通过对Ether CAT实时以太网实时性和同步性的分析,提出了基于Ether CAT实时以太网的高性能多轴数控系统方案,搭建了一个软件可自主开发、硬件可重构的高性能多轴数控开放性平台。该平台可以实现轴与轴之间的精确同步,各轴的高速运动以及数字量和模拟量的高速高精采集。通过实验验证该平台满足实时通信的要求,为高性能数控算法的研究提供有利的仿真环境。
摘要：针对传统数控系统脉冲和模拟量通信难以满足高性能多轴数控系统中大传输速率、强实时性以及高可靠性的要求,提出采用工业实时以太网EtherCAT构建高性能多轴数控系统的方案,并设计了基于EtherCAT实时以太网的多轴数控平台。该平台具有插补周期短、通信速度快、软硬件可重构等特点。采用TwinCAT控制软件对各轴运动情况进行测试,实验结果表明该平台能够实现高速高精运动控制过程。
关键词：多轴数控系统,实时以太网,EtherCAT总线,运动控制
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多轴数控系统 篇5
1 多通道数控系统
多通道数控系统当中具有多个运动以及PLC控制器,该系统的主轴可以在同一时间运动,一起完成一项任务。多个主轴的同时运动使得在工作的时候会存在争夺公共轴、工序以及时序的问题,所以,多通道数控系统在工作的时候需要对通道的重叠、并行、交换以及同步等问题进行协调。
通道指的是对零件程序的自动运行进行控制的最小单元。从功能的角度上讲,每个最小单元都可视作一个单通道的能独立运行NC程序的数控系统。多通道系统当中的每个通道是可以进行信息交流的,系统会分配给每个通道一个独立的XYZ轴以及几何轴。
从机械结构的角度上将,数控机床存在局限性,所以为全部的通道配置足够的机床轴是不现实的,因此,工作人员就需要考虑如何对公共资源进行分配的问题。由于系统中的通道之间存在这相互协作的关系,故各个通道之间是相互制约的,这就需要为系统为通告提供协调等待的性能。具体示意图见图1。
上面叙述的多通道数控系统的这些特性,不仅仅为系统节省了资源,还减少了系统完成一项工作所需要的时间,提高了数控产品的精确程度。
2 基于复合加工的数控系统多轴多通道控制技术
就目前的形式而言,基于复合加工的数控系统多轴多通道控制技术已经成为当今数控行业发展的主要趋势,基于复合加工的数控系统多轴多通道控制技术是通过多通道多方式组的并发控制实现的。多轴多通道技术是指一项工序通过多个通道一起完成的过程,如果加工工序是不同的就需要多通道多轴进行复合加工。
2.1 复合加工的主要形式
复合加工主要有一下几种形式:第一,复合加工一个加工元件;第二,复合加工多个加工元件。
为在数控系统当中实现复合加工,需要对数控加工过程进行建模处理,通过上面叙述的两种复合加工方式,提出了复合加工集合的概念;复合加工集合不但可以并行进行,还可以独立进行。
2.2 数控系统当中的多通道协作控制的基本原理
数控系统需要各个通道之间可以独立的协同的完成所需要加工的工序,在多数通道同时工作的时候,需要确定哪个通道何时工作、何时等待等问题,因此,工作人员需要设置一个高效的、可行的通道之间的信息传递以及协作同步机制。
协作控制指的是在通过工作的时候有相应的约束条件,当某个通道工作到某个点的时候,需要等待其他某一通道完成相应的工序之后,才能占用资源继续工作。而同步控制指的是通道以及轴的同步,在不同的通道以及轴工作的时候存在时间差的时候,是需要通过信号传递机制实现多通道的同步控制。就图1而言,通道一的优先级别较高,也就是说通道一需要先独立的完成部分NC程序,在通道一的NC程序运行到一定点的时候,等待通道二开启并运行,通道一处于等待状态。
各个通道之间的信息传递是通过信号量的传递实现的,多通道数控系统当中的通道的地位是平等的,而各个通道是独立的实现自己的NC程序的。
通道之间在进行信号量传递的时候,信号量可以从一个通道直接传递到另外一个通道之中的,但是信号的转发以及信号的收集需要通过第三方来完成,这就不得不提通过管理器这个概念。
通道管理器的主要作用是对信号量进行收集以及发射,通常情况下,通道管理器包含信号发送缓冲区以及信号收集缓冲区这两个内存区域。在多个通道之间需要同步运行的时候,这就需要实现信号量的传递,每个通道都需要和通道管理器进行沟通,这时通道会向通道管理器发送一个等待信号,在所有需要同步运行的通道都向通道控制器发送了等待信号之后,通道管理器就会给所有需要同步运行发送同步信号。具体运行过程见图2。
2.2.1 数控系统当中的公共轴分配问题
因为数控系统会收到一定机械特性的限制,数控机床当中的轴的数量是一定的,这就表明在加工元件的时候,通多会对公共轴进行争夺。数控系统当中的公共资源的交换以及状态是通过通道管理器进行统一管理的。
基于先前学者的研究,本文提出了一种以信号量机制为基础的公共轴交换策略。公共轴有三种,分别是中性轴、PLC轴以及通道轴,这三种公共轴所处的状态分别是空闲状态、PLC控制状态与通道控制状态,不管在何种操作模式下,通道的状态都为终止状态、初始状态、中断状态、初始状态以及运行状态等的一种。在通多获取了公共轴运行加工工序的时候,这个通道就会被标记为激活状态,在通道完成工序的运行的时候,通道就会被标记为中断状态。
2.2.2 多通道之间的并行控制
先前的单通道的数控系统的NC程序的运行方式是串行方式,用户在输入了G代码之后,计算机会解释和解析数字控制单元,同时会对插补方式、刀位点以及刀具补偿等进行深入的分析,直到加工工序完成,所以说,先前的单通道数控系统并没有就通道提出建议。但是,当前的多通道数控系统的NC程序运行方式是并行的,用户需要对G代码文件进行输入,并对每个通道需要执行的NC程序进行分配。
图3当中的每个通道当中都配备一个插补器,由于每个通道的NC程序都是需要进行独立插补的。从多通道数控系统整个加工流程的角度上讲,在某一时间段,先前的单通道数控控制系统只可以实现对一个加工元件的NC程序的加工,执行程序的过程是串行执行的,这样不仅不能确保程序的加工精度,还损耗了大量的时间。多通道数控系统可看成多个单通道数控系统在同一个数控机床同时对多个或者一个加工元件的NC程序进行加工的过程。从OS的角度上讲,数控系统可以被认作为一个进程,那么多通道数控系统就可以被认为是一个线程,多通道控制功能可以实现对不同数控机床或者同一数控机床的多个部件或者不同设备的运行进行控制,对它们的控制不仅仅可以独立运行、还可以互相协调实现。
多通道数控系统的并行控制技术能保证在多个NC程序在同一时间执行,另外,还可以保证正在执行的NC程序之间的信号处在交互和传递的状态。多通道控制系统当中的控制关系包含任务组、通道组以及机床组三种。
3 总结
在满足复合加工工艺的相关规定之下,本文希望能设计出一台装置确保多个任务的执行方式是并发式的。多通道控制功能可以实现对不同数控机床或者同一数控机床的多个部件或者不同设备的运行进行控制,对它们的控制不仅仅可以独立运行、还可以互相协调实现。
参考文献
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试验台多轴电气同步控制系统 篇6
关键词：多轴电气同步,电轴,试验台
1 引言
机车车辆试验台是对现代机车车辆进行科学试验的大型试验装置,它可以模拟再现机车车辆在铁路线上运行的各种工况环境,测试机车车辆的各种性能参数。经过实践,证实了机车滚动试验台试验与线路运行试验相比具有如下优点:
(1)同时进行多项性能试验,周期短,成本低;
(2)缩短机车车辆的研发时间,节约研究经费;
(3)具有良好的重复性,不受气候条件影响;
(4)排除各种干扰,进行单因素分析;
(5)进行线路上无法进行的试验,如超高速运行、蛇行失稳、各种人为设置的极端条件(如减振器失效)下运行试验等;
(6)检测方便,可检测在线路运行中无法检测的运行信号如车体振动的绝对位移等。
试验台系统如图1所示,为了使各轨道滚轮的转速相同,需对试验台四个轴进行同步控制。同步控制有两种方式:一种是机械上的同步,即机械同步;另一种是对电路的控制实现同步,即电气同步。电气同步实现方案较多,如直流多单元分电源同步、交流电机变频调速同步等,在综合考虑试验台实际运行工况、同步精度要求以及节约资金等方面因素,最后选定电轴同步系统。
2 电轴同步系统的工作原理
电轴同步方案如图2所示,M1及M2为两台主拖动电动机(或简称主机),分别拖动两个工作机构,负载转矩为Tl和T2。M1及M2通常为型号、功率与机械特性均相同的异步电动机,也可以是直流电动机和其他类型的动力机械。
为了使轴1与轴2同步旋转,在每根轴上设有辅助电动机(或简称辅机)BMl及BM2,它们是绕线异步电动机,功率与机械特性相同。当主拖动电动机带动BMl及BM2旋转时,转向可以顺着或逆着辅助电动机定子磁场的旋转方向。
设两电轴电机转子电势之间的失调角等于θ12,两者之间的电势△E2≠0,在转子电路产生一个平衡电流,它滞后于△E2一个角度ψ2(复数表达式),即:
式中:E2N为转子不动时的电势模;R2、Z2、X2为转子每相的电阻、阻抗及电抗;S为转差率。
经变换后,可以求出滞后的电轴电机中的电流的有功分量。
设φ不变,则转矩正比于电流有功分量
M1为即慢的一台电机所产生的力矩。
从上面转矩的公式可以看出,在一定的失调角下,工作转差率愈高,则电轴电机所产生的转矩愈大,因此一般情况下,为了产生较大的平衡转矩并保证系统的同步可靠性,实际上电轴电机的转子是逆着磁场旋转的,利用上述公式作图,即以转差率不变,失调角为横座标,M/Mm为纵坐标,如图3所示。从图3可以看出,对系统起平衡作用的转矩为:
显然,在一定范围内转差率愈高,平衡转矩愈大。当失调角超过90°后,转矩逐步递减,若此时外负载继续增大,由于平衡转矩不能适应逐步增大的外负载,必然引起失调角增大;平衡转矩继续减少,系统将失步解体。为保证系统在稳定区运行,实际系统失调角不得大于30°,超过此值要加以保护,同时要求转差率最好在2>S>1范围之内,基于以上原因,起动前一定要整步,使两电轴电机失调角在接近于零的状态下再启动。
3 系统的稳定性
在由四点拖动的生产机械中,有四套机组,如果假定其为一刚体,则θ12=θ34这样四台电轴实际上只有两个自由度了,如图4所示为四台电轴的转角与失调角。
令x=θ14=θ1-θ4;y=θ23=θ2-θ3于是得到:
式中:
因为:
及d23=d14(在本拖动系统中是如此)
所以Kg=K′g,Kn=K′n。
当x,y很小时(小偏差情况),则想x,y两个方程近于独立,不再存在联立关系。
根据实际具体数据,取△t0=0.005s,设
所以
由以上结果,充分证明了系统的过渡过程是减幅震荡,最后x(t)和y(t)分别趋近稳态解0.164和0.087弧度。
4 电轴电机的起动
电轴电机起动前必须先进行整步。系统在上一次停车时,两轴的惯性不可能完全一致,以及两轴刹车时间和制动力矩不一致等原因,造成两轴的位置不一致。使得辅机转子不是停在同一位置上,而是彼此错开一定失调角θ。如θ不大,M1虽为负值,M2为正值,但经过一连串振荡之后,θ将减小到使两轴位置基本上一致。但若θ较大时,电轴电机通入三相电,在转子电路中将流过很大的起动电流,可能会导致系统的失步。造成失步的原因在于,电轴电机的转矩对失调角的曲线对于横坐标不对称,如图5所示。
当θ较大,二轴的负载极不均衡,BD2辅机相当于堵转,BD1可能会单独旋转起来,也可造成电轴系统失步。由此可见,采用三相整步方式,即起动时辅机定子接到三相电网,而两台主机不接电源时,可能达不到整步的目的。为了避免整步开始瞬间出现过大的电流和强烈的振荡,通常多半采用两相整步或单相整步,两相整步如图6(左),线路为最佳,它的过程快而平滑,失调角与整步力矩是一个很规则的正弦曲线。单相整步线路,就是把电轴电机的两相并联后与第三相串联如图6(右),两相接线的相电势小于三相接线的一半,单相接线则为三相的
5 结论
机车滚动试验台是一项复杂的综合性的大型工程项目。该试验台已投入运用,为代替机车试运产生了良好的效益。具有辅机电轴系统,由于转子能逆着磁场旋转、对负载的平衡能力较强,有利于提高系统低速起动过程中的平衡转矩。主机的机械特性较硬、振荡衰减很快,有较好的动态稳定性。值得指出的是本设计防止了机车运转中出现个别轮对因粘着破坏的打滑,使同步力矩急增的情况。
参考文献
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多轴数控系统 篇7
关键词：数控机床,结构,多轴
1 多轴数控机床的结构形式及选择
五坐标通常是指在三个平动坐标轴基础上增加两个转动坐标轴 (A、B或A、C或B、C) , 且五个轴可以联动如图1所示。由于具有两个转动轴, 导致五坐标机床可以有很多种运动轴配置方案。由于五坐标机床具有两个回转坐标, 相对于静止工件来说, 其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制, 从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力, 因此, 五坐标加工又可以获得比三坐标加工更广的工艺范围和更好的加工效果, 特别是适合大型或直母类零件的高效高质量加工以及异型复杂曲面零件的加工, 他们可以归于三大结构类型:
1.1 刀具摆动型。
这种结构类型是指两个转动轴都作用于刀具上, 由刀具绕两个互相垂直正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。这类机床的主要特点是摆动机构结构较复杂, 一般刚性较差, 但其运动灵活, 机床使用操作 (装卡工件) 较方便, 因而在大型龙门机床上广泛使用。
1.2 工作台回转型。
这种结构类型是指两个转动轴都作用于工件上, 根据运动的相对性原理, 它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的, 这类机床的主要特点是其旋转工作台刚性容易保证, 工艺范围较广, 而且容易实现。但由于工件要随工作台在空间摆动, 因此这种结构适合于中小规格的机床用于加工体积不大的零件。
1.3 刀具与工作台回转型。
这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运动, 两个回转轴在空间的方向都是固定的。这列机床的特点介于上述两类机床之间。
基于以上结构的分析, 由于工作台回转式机床结构简单, 工作台刚性容易保证, 并且适合于微小零件的加工, 因此选择这种结构作为五轴数控编程及数控系统搭建的基础。图1为数控系统结构图。
2 数控系统软件界面的研制
结合数控系统的主要功能部件, 对数控系统软件结构的分析。系统的主要功能模块图如图2所示。
下面详细介绍各主要模块的具体功能实现:
2.1 初始化模块。
系统初始化包括上、下位机建立通讯和初始化整个数控系统两部分。在启动了应用程序后, 调用Pcomm32种的函数Open Pmac-Device () (该函数已在VB工程模块中用声明动态连接库中函数的方法进行了声明。形如:Declare Function Open Pmacdevice Lib"Pmac.dll" (By Val PMAC As Long) As Long。本软件其他来自动态连接库中的函数也同样在模块中进行了声明) , 用来建立上、下位机的通讯, 如果返回值不为1, 则用消息框提示用户通讯没有正确建立及可能存在的错误, 如果返回值为1, 则正确建立通讯并允许进一步进行系统初始化。
系统首先设置Metric Flag=Ture和mintMode=1, 即系统初始化默认单位制为公制、工作方式为手动方式。然后下载系统重要文件, 主要包括系统重要I变量件配置文件、标准数控代码解释文件 (如:G代码, M代码解释文件) 等:
然后建立坐标系, 并对其内部轴进行定义, 如下所示:
控制器每发一个脉冲对应于行程是50nm, 选取的用户单位为mm, 所以对坐标轴进行缩放20000倍, 在坐标系1 (&1) 下, #1->20000x表示:将1号电机定义给坐标系下的x轴, 且用户单位为mm。其它电机定义意义相同。而对应于旋转轴用户单位为度, 意义相同。
2.2 实时状态显示模块。
该模块使本软件十分重要的模块, 主要用来完成系统的大部分实时显示任务, 下面具体介绍实现维系, 状态显示功能的方法和设计的函数。本模块主要实现了坐标轴给定位置, 速度的显示。其中举例说明位置显示实现的过程如下:
2.3 加工仿真模块。
由于PC机的配置已经越来越高, 并且仿真模块可以由非实时处理完成, 所以采用现有CAD/CAM软件完成这部分的功能, 这里采用UG的VERICUT仿真模块完成仿真功能, 这里需要用到VB中的应用程序连接的函数功能, 实现方式如下:
在这里可以对不同软件的加工模块进行调用, 从而有很大的灵活性和适用性, 可以精确的完成各种复杂零件的加工仿真。
2.4 程序操作模块。
该模块可以对运动程序进行编辑、下载。因此该模块至少应包含对文件进行操作的函数 (如:新建、打开、保存) , 同时应有下载、显示加工程序段的能力, 以下为下载功能实现的程序段:
3 结论
3.1 针对加工对象的特点, 对五轴数控机床的结构特点进行了分析, 并选择了双转台形式的机床结构形式。
3.2 完成了对基于PMAC控制的开放式数控系统的人机界面的编写, 并对其实现的功能进行了详细的介绍。
多轴数控系统 篇8
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。
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