數(shù)控板材加工裝備的關(guān)鍵技術(shù)研究

  陳田玉，陳瑋，王欽若，李軍，逯憲斌
（1．廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣州510090;2．東華機械有限公司，廣州510000）
  摘要：介紹了數(shù)控板材加工裝備的關(guān)鍵技術(shù)，對自行研制的數(shù)控沖床的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的探討這些關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)控沖床的高速高效化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化一，并在優(yōu)化刀具選擇和走刀路徑等方面給出了加工過程的優(yōu)化算法．
  關(guān)鍵詞：數(shù)控板材加工裝備；高速高效；智能化；網(wǎng)絡(luò)化；柔性化
0  引言
  數(shù)控板材加工裝備（以下簡稱數(shù)控沖床）是集機、電、液一體化的前沿產(chǎn)品，是廣泛用于各類金屬薄板零件加工、一次性自動完成多種復(fù)雜孔型和淺拉深成型的板材加工關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用領(lǐng)域包括通訊設(shè)備、電力開關(guān)、電梯、青島車庫門、汽車、農(nóng)機、各類儀器儀表等行業(yè)，這類企業(yè)均是國家大力扶持的行業(yè)。特別是汽車、通訊及電力，是我國國民經(jīng)濟的支柱行業(yè)。近年來，這些行業(yè)對數(shù)控沖床的需求越來越大，據(jù)行業(yè)管理部門調(diào)查預(yù)測，目前全國市場對數(shù)控板材設(shè)備的年需求總量為3000~5000臺套．市場總值估計為人民幣40~60億元。而且行業(yè)對其性能指標也提出了更高要求，如要求其具有更高的生產(chǎn)效率，更高的柔性，智能化以及網(wǎng)絡(luò)功能，同時可以實現(xiàn)車間及工廠的集成管理等．
  在我國進口數(shù)控沖床占據(jù)著市場主導(dǎo)地位，特別是高端產(chǎn)品幾乎以進口產(chǎn)品為主，因此，我們迫切需要開發(fā)高技術(shù)含量的國產(chǎn)數(shù)控沖床，與進口產(chǎn)品形成抗衡，由此來提高國產(chǎn)產(chǎn)品的市場份額。然而目前國產(chǎn)數(shù)控沖床的技術(shù)水平比較落后，生產(chǎn)加工效率較低，網(wǎng)絡(luò)化智能化水平也有較大的差距，為此，本論文結(jié)合本課題組在研的數(shù)控沖床，對其關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，提出了相關(guān)指標。
1  數(shù)控板材加工成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)
  目前國外的生產(chǎn)數(shù)控沖床的廠家有近三十家，有代表性的有日本AMADA、Murate、德國Trunlpf、比利時LVD、芬蘭Finn - power等企業(yè)。這些企業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢就是設(shè)備向高速高效、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和柔性化方向發(fā)展。高速高效主要體現(xiàn)在設(shè)備的加工頻率達到600-1000次/min．送料速度在1OOm/min以上：網(wǎng)絡(luò)化和智能化主要體現(xiàn)在設(shè)備可以進行集成化生產(chǎn)管理：而柔性化則滿足用戶多品種、小批量的生產(chǎn)加工柔性需求，縮短用戶的生產(chǎn)準備周期。國產(chǎn)產(chǎn)品必須在上述幾方面得到真正的提高和改善，才能與國外產(chǎn)品競爭。
1.1  高速和高效
  高速加工(High Speecl Machining，HSM)新工藝技術(shù)的發(fā)展，用戶對設(shè)備柔性、高生產(chǎn)率、多功能、高性能和低費用的迫切需求，促進了數(shù)控機床朝向高效高速化、高精度、可重構(gòu)和復(fù)合加工結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，并已成為當前數(shù)控機床發(fā)展的基本趨勢。高速加工的主要評定參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速( r/miii)、進給速度( n1/min)、加速度(g)、換刀時間(S)等。
  高速高效加工是一個復(fù)雜的過程，或者說是一個系統(tǒng)工程，它將涉及機床結(jié)構(gòu)、高速主軸、快速坐標驅(qū)動、控制系統(tǒng)、高速加工工藝和編程、刀具、刀夾系統(tǒng)和接口、冷卻和安全操作等，只有所有這些方方面面都取得了成功，高速加工才能取得成功。
1.2  柔性化
  當今，柔性制造系統(tǒng)( FMS)已逐漸成為機械制造業(yè)的一種現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。它為企業(yè)擴大產(chǎn)品和零件品種、適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化的需求、提高產(chǎn)品質(zhì)量及縮短產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期、提高勞動生產(chǎn)率及市場應(yīng)變能力創(chuàng)造了廣闊的前景．柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，
  所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化是指當產(chǎn)品的品種的需求發(fā)生變化時，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟性的前提下，實現(xiàn)及時轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。從定義可以看出，柔性化的涵義是非常廣泛的。柔性制造系統(tǒng)( FMS)是一項工程應(yīng)用技術(shù)，它的內(nèi)部組成因使用目的而異，客觀上很難有一個統(tǒng)一的模式。人們通常是根據(jù)自己的實際需要來研究系統(tǒng)的柔性化，針對數(shù)控系統(tǒng)，F(xiàn)MS可由以下四部分組成：
  (1)物料管理單元：主要負責(zé)材料的存放和運送，成品和半成品的存放和運送，保證加工過程無中斷，
  (2)刀具管理單元：包括刀具存儲庫、交換刀具的攜帶裝置、交換刀具的運送裝置、刀具刃磨、組裝及預(yù)調(diào)工作站等，主要功能是保證數(shù)控機床能準確快速地選用符合要求的刀具。
  (3)數(shù)控系統(tǒng)：不但要保證加工過程的快速性和可靠性，還要求系統(tǒng)在加工圖紙改變時能快速地作出響應(yīng)，控制相應(yīng)的部件來完成加工任務(wù)。
  (4)廢料處理單元：主要是負責(zé)處理加工過程所產(chǎn)生的廢料。
1.3  智能化
  隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程、前憒控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償、溫差剛性變形補償?shù)裙δ埽胰藱C界面極為友好，故障診斷專家系統(tǒng)使自診和故障監(jiān)控功能更加完善8。。目前，數(shù)控機床的智能化變得越來越重要。機床的智能化的程度也成了判定其先進性的重要條件之一二數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化方向發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾方面.
    (l)任務(wù)規(guī)劃的智能化、。是數(shù)控機床將接受的任
務(wù)變?yōu)閿?shù)控機床隨環(huán)境的變化而不斷調(diào)整的目標任
務(wù)。
  (2)自我完善和提高的能力。表現(xiàn)為數(shù)控機床獲取知識的能力，包含向?qū)＜覍W(xué)習(xí)，豐富和提高機器的“知識”結(jié)構(gòu)能力和通過給定獎懲函數(shù)自身提煉新知識的能力，
  (3)自適應(yīng)的人機界面。機器能夠適應(yīng)不同的操作人員，提供不同的人機接口及充分的信息交換能力。
  (4)加工過程的智能控制。通過對影響加工過程的因素和被控量的檢測及提取，快速實現(xiàn)目標的智能決策和控制。
  (5)故障診斷智能化，快速定位故障的原因和部位，自動或指導(dǎo)排除故障．
1.4  網(wǎng)絡(luò)化
  NetCNC（網(wǎng)絡(luò)數(shù)控）技術(shù)意味著生產(chǎn)率、柔性、集成和競爭力，是制造業(yè)實現(xiàn)e -M的關(guān)鍵裝備。為此，現(xiàn)今許多數(shù)控機床或系統(tǒng)制造商都極力進軍該領(lǐng)域，他們不僅出售機床設(shè)備或控制系統(tǒng)，同時也出售他們研發(fā)的配套軟件產(chǎn)品，為實現(xiàn)信息技術(shù)、制造技術(shù)、生產(chǎn)管理和制造控制融合集成，提高企業(yè)生產(chǎn)率、快速響應(yīng)能力和綜合競爭力提出整體解決方
案．數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)為以下幾個方面：
  (1)便于采用數(shù)字化制造整體解決方案、一企業(yè)能進行統(tǒng)一的自動化規(guī)劃，解決從產(chǎn)品設(shè)計部門到制造車間的無縫連接，實現(xiàn)全企業(yè)集成。
  (2)可以與CAD/CAYI工作站鏈接，接收加工信息。
  (3)易于生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、保存和查詢。
  (4)實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控。企業(yè)管理人員在遠離制造車間現(xiàn)場的任何一臺聯(lián)網(wǎng)的PCM站點上，通過Wcl，瀏覽器方式就能看到生產(chǎn)現(xiàn)場實時信息。
  (5)有利于企業(yè)的柔性化管理j也使得企業(yè)可進行與其它企業(yè)車間的管理和信息交流．
  (6)設(shè)備遠程故障診斷和維護服務(wù)．．
  (7)實現(xiàn)可重配制造系統(tǒng)。對NetcNC制造系統(tǒng)，CNS機床是作為制造業(yè)內(nèi)部網(wǎng)上的一個節(jié)點，可形成動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的一個組成部分，從而易于進行數(shù)控機床重組，實現(xiàn)RMS，適應(yīng)變批量定制生產(chǎn)模式。
2數(shù)控板材加工裝備的關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)
  圖1是本課題組在研的數(shù)控板材加工裝備（數(shù)控沖床）系統(tǒng)框圖，筆者把它分成五部分：輸入單元、邏輯數(shù)字控制單元、伺服控制單元、液壓控制單元和人機界面。根據(jù)第一節(jié)提出的幾點關(guān)鍵技術(shù)，目前我們對在研數(shù)控沖床的高速化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化這三方面展開了研究。
  圖1  數(shù)控板材加工裝備的系統(tǒng)框架
2.1  高速高效的研究
  數(shù)控沖床的高速高效是一個涉及面很廣的研究課題，我們主要從以下三方面著手研究在研設(shè)備的高速高效的問題．
  (1)高速主軸
  高速主軸是高速機床中最為關(guān)鍵的部件，多采用電機和主軸一體化設(shè)計的高速電主軸( HSES)或復(fù)合電主軸，高速電主軸單元主要包括電主軸、軸承、內(nèi)裝式電機和刀具夾持裝置4個部分。輕結(jié)構(gòu)、高強度、高剛性、良好的動平衡和熱控制是成功電主軸設(shè)計的關(guān)鍵。
  (2)快速驅(qū)動
  高速加工要求機床坐標應(yīng)容易移動，快速響應(yīng)，準確定位和具有高重復(fù)定位精度，特別是在采用更多短時的快速移動來加工中小尺寸零件的應(yīng)用場合，坐標移動速度和高加減速的重要性將會更加突出。直線電機是我們的首選，它的電流被直接轉(zhuǎn)變成運動而不再需要通過中間的機械傳動部件，它的初級部件直接安裝在可高速運轉(zhuǎn)并具有較高軌跡精度的導(dǎo)軌上，所以它具有速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制等優(yōu)點．
  (3)從軟件方面改善數(shù)控系統(tǒng)的性能
  理想的硬件平臺能保證是數(shù)控系統(tǒng)高速的保證，但也不能忽略了數(shù)控系統(tǒng)的軟件方面。對于高速的數(shù)控系統(tǒng)，先進的軟件平臺是必不可少的．．有了適合的軟件平臺，我們可以通過優(yōu)化插補算法、優(yōu)化走刀路徑、優(yōu)化換刀時間等來減少加工過程的時間，從而達到高速的目標。
2.2  智能化研究
  (1)友好的人機界面
  以往，加工命令是用一些數(shù)控專用的指令來表示，通常一個加工命令要輸入許多條加工指令，不但影響加工效率而且不便于操作。我們把加工命令用圖形來顯示，用戶只需在操作界面上選擇要加工的圖形，然后設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，數(shù)控沖床系統(tǒng)便可以自動地生成相應(yīng)的加工指令。
  (2)CAD/CAM自動編程
  在研的數(shù)控沖床系統(tǒng)采取CAD/CAM自動編程的方式。用戶只需要在CAD上把要加工的三維加工圖紙畫好，然后傳給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)就能自動地將加工元件的圖紙自動生成加工程序，這樣就大大地簡化了用戶的編程過程。
  (3)優(yōu)化刀具選擇
  刀具的選擇直接影響到工件加工的速度和精度，也是數(shù)控系統(tǒng)智能化的一個很重要的體現(xiàn)i刀具的選擇有兩個方面值得深入研究的：
  ①加工時間最優(yōu)i這種情況在快速加工不同形狀的7L時尤其重要。數(shù)控系統(tǒng)可以自動地計算換刀時間和使用相應(yīng)刀具要沖完需要的時間，然后選擇總時間最少的方案i例如加工一個簡單的面板（如圖2、圖3所示）．假設(shè)圓形孔用相同的刀具，矩形孔用相同的刀具；圖2、圖3中帶術(shù)表示要換刀。按圖2的加工順序，我們易看出，在工件I到2、2到3、4到5、5到6、6到7都要換刀，總共換刀的次數(shù)是五次。再看圖3優(yōu)化后的加工順序，只有在工件3到2時才換了一次刀，比原來減少了四次，由此可見，優(yōu)化后的加工路徑大大地減少了換刀次數(shù)，從而提高了加工效率、圖2  沒有優(yōu)化的加工順序  圖3  優(yōu)化后的加工順序
  ⑦刀具使用壽命最優(yōu)。在數(shù)控加工中刀具成本是非常高的，出于保護刀具的目的要盡量地合理用刀。從刀具使用壽命的目的出發(fā)來優(yōu)化刀具的選擇是必要的。
  (4)優(yōu)化走刀路徑
  如果工序內(nèi)含有多個加工特征，如加工多個孔．則其加工順序由CAD系統(tǒng)的造型次序決定，因為CAM加工特征的實體號由CAD傳遞過來的。設(shè)計人員在造型過程中不考慮加工順序，這就意味著CAM規(guī)劃的加工順序是隨機的，由此會增加走刀路徑，增加能耗和降低加工效率，特別是加工特征數(shù)量很大時，這種問題暴露得更加明顯，因此對加工路徑進行優(yōu)化會提高加工的效率。目前，對于數(shù)控機床的加工路徑優(yōu)化研究已成了數(shù)控加工的研究熱點，控制理論中越來越多的控制算法成功地應(yīng)用在走刀路徑的優(yōu)化上．
  不考慮換刀問題，單純優(yōu)化走刀路徑、。如圖4所示的一個簡單面板，圖中的圓表示要加工的孔，在此我們把孔抽象成幾個結(jié)點，走刀
圖4  多級最優(yōu)決策算法路徑最優(yōu)問題就簡化為求經(jīng)過所有結(jié)點的路徑最短。．這里提出多級最優(yōu)決策算法：從開始的結(jié)點起，將要經(jīng)過下一個的結(jié)點是所有未經(jīng)過結(jié)點中距離當前結(jié)點最近的那個結(jié)點．如圖4所示，假如規(guī)定結(jié)點1是開始結(jié)點，那么它的下一個候選結(jié)點有8個，但結(jié)點2是距離最近的，所以結(jié)點1的下一結(jié)點是2：同理離結(jié)點2的下一個候選結(jié)點有7個，最近的下一個結(jié)點是5．所以結(jié)點2的下一個結(jié)點是5……以此類推得出了以下的最優(yōu)路徑：從結(jié)點1開始，分別經(jīng)過2、5、6、3、7、8、9最后以結(jié)點4結(jié)束。
  (5)故障診斷智能化
  故障處理是評定數(shù)控系統(tǒng)先進性的一個重要方面，我們在研的數(shù)控沖床系統(tǒng)能自動檢測故障且能自動保護，并能在工作中實時監(jiān)控，同時也實現(xiàn)故障的遠程診斷以及對系統(tǒng)的潛在故障進行檢測并發(fā)出預(yù)警信號。
2.3  網(wǎng)絡(luò)化研究
  我們在研的數(shù)控沖床帶有網(wǎng)絡(luò)接入I/O模塊，使用IP/TCP協(xié)議，便于用戶的分布式控制其它通訊方面的需求。目前，在研系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：
  (1)加工的遠程和企業(yè)內(nèi)技術(shù)支持：例如加工程序、圖紙和工具數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)資源共享。
  (2)遠程或企業(yè)內(nèi)對機床加工運行和負載狀態(tài)的查詢：按指定的路徑下載加工程序和工具數(shù)據(jù)等。   
  (3)遠程故障診斷和在線維修：數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠    家可以通過Internet查詢到遠程客戶終端的數(shù)控設(shè)備運行情況：反過來，客戶終端的技術(shù)人員可以登陸廠 家的售后服務(wù)網(wǎng)站查詢相關(guān)的故障處理方法，同時也    可以通過Intenet向在線的專家求助，實現(xiàn)在線故障   診斷。
3  小結(jié) 
  本文所提出的數(shù)控沖床的幾個關(guān)鍵技術(shù)是相輔相成、互相促進的i數(shù)控沖床的網(wǎng)絡(luò)化會進一步地促進柔性自動化制造技術(shù)的發(fā)展；柔性自動化技術(shù)以易于   聯(lián)網(wǎng)和集成為目標，同時系統(tǒng)的柔性化有助于信息集成；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又向著開放、集成和智能化方向發(fā)展；數(shù)控系統(tǒng)的智能化和柔性化進而提升了系統(tǒng)的高速、   
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