一提(tí)到(dào)工業,最(zuì)基礎(chǔ)的就是制造。
所謂制造(zào)就是把各種各樣(yàng)的東(dōng)西從原材料變成零件再裝配成産品。
在傳統的金屬加工領(lǐng)域,零件的制造就是火星四濺的鑄鍛焊以及硬碰硬的車銑刨磨鉗,我們(men)生活中見到的任何一個稍微有些形狀的(de)金屬,在我們見到之前,都已經在工廠經曆了多次(cì)鐵與火的淬煉(liàn)。
既然金屬零件是機器制造的(de),那麼機器又是如何制造的呢?原來,它是通過數控機床完(wán)成的。
(一)從(cóng)機(jī)床到數控機床,機器(qì)不再無腦幹活
機床(chuáng)是其他機器的“母機”。
煉鋼廠出産的鋼鐵并不是我們在(zài)生活(huó)中見到的各種奇奇怪怪的形狀,而(ér)是闆材、管材、鑄(zhù)錠等等形狀比較規則的材(cái)料(liào),這些材料要加工成各種形狀的零件就需要使用機床進行切削;還有一些精度要求較高和表(biǎo)面粗糙度要求較細的零件,就要(yào)在機床上用(yòng)精細繁複的工(gōng)藝(yì)切出來或者(zhě)磨出來。
和(hé)所有的機器(qì)一樣,最初的機床(chuáng)包括動力(lì)裝置、傳(chuán)動裝置和執行裝置,靠電機轉動輸入動力,通過傳動裝置帶着被加工的工件或者刀(dāo)具進行(háng)相對運動,至于在哪兒下刀、切(qiē)多少、多快(kuài)速度切等等問題,則(zé)由(yóu)人在加工過程中直接進行控制。
由于(yú)傳統機床使用的電機的轉速在工(gōng)作時基本上是不變的,為了實現不同的切削速度,傳統的機床設(shè)計了(le)極為(wéi)複雜的傳動系統。這種複雜度(dù)的機械在現今的設計(jì)中已經不多見了。
而随(suí)着伺服電機(伺(sì)服電機就是可以在一定範圍内精确控制電機的位置和轉速的電機)技術的發展及其在數(shù)控機床上的應用,直接控制(zhì)電機的轉速變(biàn)得方便(biàn)快捷效(xiào)率高,而且基本上是無級變速(sù),傳動系統的結構大大(dà)簡化,甚至出現了(le)很多環節電機直接連接到執行機(jī)構上,而省略了傳動系(xì)統。
這種(zhǒng)“直接驅動”的模式是現在機械設計領域的一大趨勢。
結構的簡化還不夠,要(yào)實現各種各樣的形狀的零件(jiàn)的加(jiā)工,還需要讓機床可以高效、準确的控制多台電機合作完成整個(gè)加工過程。
這就要(yào)讓(ràng)機(jī)床成為有“腦子”的(de)數控機床了。而這個腦子就是數控系統(tǒng),數控系統的(de)水平高低決定了數控機床能幹多複雜、多精密的活兒,也(yě)決定了這台機床和他的操作(zuò)者的身價。
(二)數(shù)控系統能幹嘛?處理信息并控(kòng)制動力
數控系統(Numerical Controller System)是(shì)數控機床的大腦。
對于一般數控機床而言,往往包含人機控制界面、數控系統、伺服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢測裝置等等,操作人員在一些計算機輔助制(zhì)造軟件的幫助(zhù)下,将加工過程(chéng)所需的各種操作(如主軸變速等步驟以及工件的形狀(zhuàng)尺寸)用零件程序(xù)代碼表示,并通過人及控制界面輸入到數控機(jī)床,之後由數控系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行處理和(hé)運算,并按零件程序的要求控制伺服電機,實現刀具與工件的相對運動,以完成零件的加工。
數控系(xì)統完成諸多信息的(de)存儲和處理的工作,并将信息的處理結果以控制信号的形式傳給(gěi)後續的(de)伺服電(diàn)機,這些控制(zhì)信号的工(gōng)作效果依賴于(yú)兩大(dà)核心技術:一個是曲線曲(qǔ)面的(de)插補運算,一個是機床多軸的運動控制。
(三)零件形狀太“自由”?靠插補運算搞定
如(rú)果運(yùn)動軌迹可以用解析式表達,則整個運動就可以分解為(wéi)幾個坐标的獨立運動的合成運動(dòng),就可以直接控制電機生成了。
但是制造過程中很多零件的形狀可以說是十分“自由”的,既不圓、也不方,甚(shèn)至都不知道是什麼形狀,例如(rú)汽(qì)車、輪船、飛機、模具、藝術品等産品常遇到不能用解析式描述的曲線曲面(miàn),這類曲線(xiàn)曲面稱為自由曲線(Free Form Curves)或自(zì)由曲面。
要切出來這(zhè)些“自由”的形狀,刀具(jù)和工件之間的相對運動也相(xiàng)應的(de)十分複雜。具體到操作中(zhōng),就是(shì)要控制工件台、刀具都按照設計好的位置-時間曲線進行運動,控制這(zhè)二者(zhě)在規定的時間以指定的姿态到達指定的位置。
機床可以在(zài)工件(jiàn)和刀具之間(jiān)很好地完成直線段、圓弧或其他的有(yǒu)解析式的樣條曲線(xiàn)的相對運動,而這種複雜的“自由”運(yùn)動又該怎麼完成呢(ne)?答案是依(yī)靠插補運算。
所(suǒ)謂插補,就是按照一定方法(fǎ)确定數(shù)控機床上刀具的運動軌迹的過程。根據給定的速度和軌迹(jì),在軌迹(jì)的(de)已知點之間,增加一(yī)些新的中間點,并控(kòng)制工件台和刀具通(tōng)過這些中間點,進而就能完成整個(gè)運動。
而這些中間點之間,則通過線段、圓弧或(huò)者樣條曲線等來連接。相當于用數段微(wēi)小的線段和圓弧去(qù)逼近要求的曲線和曲面(miàn),這就是插補的本質。
流行的(de)插補算法包括逐點比較法、數字增量(liàng)法等,而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精度好而得到了高端數(shù)控機床的青睐。