数控板材加工装备的关键技术研究

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陈田玉，陈玮，王钦若，李军，逯宪斌
（1．广东工业大学自动化学院，广州510090;2．东华机械有限公司，广州510000）
  摘要：介绍了数控板材加工装备的关键技术，对自行研制的数控冲床的关键技术进行了深入的探讨这些关键技术包括：数控冲床的高速高效化、智能化、网络化一，并在优化刀具选择和走刀路径等方面给出了加工过程的优化算法．
  关键词：数控板材加工装备；高速高效；智能化；网络化；柔性化
0  引言
数控板材加工装备（以下简称数控冲床）是集机、电、液一体化的前沿产品，是广泛用于各类金属薄板零件加工、一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉深成型的板材加工关键设备，其应用领域包括通讯设备、电力开关、电梯、汽车、农机、各类仪器仪表等行业，这类企业均是国家大力扶持的行业。特别是汽车、通讯及电力，是我国国民经济的支柱行业。近年来，这些行业对数控冲床的需求越来越大，据行业管理部门调查预测，目前全国市场对数控板材设备的年需求总量为3000~5000台套．市场总值估计为人民币40~60亿元。而且行业对其性能指标也提出了更高要求，如要求其具有更高的生产效率，更高的柔性，智能化以及网络功能，同时可以实现车间及工厂的集成管理等．
  在我国进口数控冲床占据着市场主导地位，特别是高端产品几乎以进口产品为主，因此，我们迫切需要开发高技术含量的国产数控冲床，与进口产品形成抗衡，由此来提高国产产品的市场份额。然而目前国产数控冲床的技术水平比较落后，生产加工效率较低，网络化智能化水平也有较大的差距，为此，本论文结合本课题组在研的数控冲床，对其关键技术进行了探讨，提出了相关指标。
1  数控板材加工成套装备的关键技术
  目前国外的生产数控冲床的厂家有近三十家，有代表性的有日本AMADA、Murate、德国Trunlpf、比利时LVD、芬兰Finn - power等企业。这些企业产品的发展趋势就是设备向高速高效、网络化、智能化和柔性化方向发展。高速高效主要体现在设备的加工频率达到600-1000次/min．送料速度在1OOm/min以上：网络化和智能化主要体现在设备可以进行集成化生产管理：而柔性化则满足用户多品种、小批量的生产加工柔性需求，缩短用户的生产准备周期。国产产品必须在上述几方面得到真正的提高和改善，才能与国外产品竞争。
1.1  高速和高效
  高速加工(High Speecl Machining，HSM)新工艺技术的发展，用户对设备柔性、高生产率、多功能、高性能和低费用的迫切需求，促进了数控机床朝向高效高速化、高精度、可重构和复合加工结构方向发展，并已成为当前数控冲床发展的基本趋势。高速加工的主要评定参数有主轴转速( r/miii)、进给速度( n1/min)、加速度(g)、换刀时间(S)等。
  高速高效加工是一个复杂的过程，或者说是一个系统工程，它将涉及机床结构、高速主轴、快速坐标驱动、控制系统、高速加工工艺和编程、刀具、刀夹系统和接口、冷却和安全操作等，只有所有这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
  当今，柔性制造系统( FMS)已逐渐成为机械制造业的一种现代化生产模式。它为企业扩大产品和零件品种、适应市场对产品多样化的需求、提高产品质量及缩短产品的开发和制造周期、提高劳动生产率及市场应变能力创造了广阔的前景．柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，
  所谓制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。从定义可以看出，柔性化的涵义是非常广泛的。柔性制造系统( FMS)是一项工程应用技术，它的内部组成因使用目的而异，客观上很难有一个统一的模式。人们通常是根据自己的实际需要来研究系统的柔性化，针对数控系统，FMS可由以下四部分组成：
  (1)物料管理单元：主要负责材料的存放和运送，成品和半成品的存放和运送，保证加工过程无中断，
  (2)刀具管理单元：包括刀具存储库、交换刀具的携带装置、交换刀具的运送装置、刀具刃磨、组装及预调工作站等，主要功能是保证数控机床能准确快速地选用符合要求的刀具。
  (3)数控系统：不但要保证加工过程的快速性和可靠性，还要求系统在加工图纸改变时能快速地作出响应，控制相应的部件来完成加工任务。
  (4)废料处理单元：主要是负责处理加工过程所产生的废料。
1.3  智能化
  随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊控制和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前愦控制、模糊控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿、温差刚性变形补偿等功能，而且人机界面极为友好，故障诊断专家系统使自诊和故障监控功能更加完善8。。目前，数控机床的智能化变得越来越重要。机床的智能化的程度也成了判定其先进性的重要条件之一二数控系统在控制性能上向智能化方向发展。数控系统的智能化主要体现在以下几方面.
    (l)任务规划的智能化、。是数控机床将接受的任
务变为数控机床随环境的变化而不断调整的目标任
务。
  (2)自我完善和提高的能力。表现为数控机床获取知识的能力，包含向专家学习，丰富和提高机器的“知识”结构能力和通过给定奖惩函数自身提炼新知识的能力，
  (3)自适应的人机界面。机器能够适应不同的操作人员，提供不同的人机接口及充分的信息交换能力。
  (4)加工过程的智能控制。通过对影响加工过程的因素和被控量的检测及提取，快速实现目标的智能决策和控制。
  (5)故障诊断智能化，快速定位故障的原因和部位，自动或指导排除故障．
1.4  网络化
  NetCNC（网络数控）技术意味着生产率、柔性、集成和竞争力，是制造业实现e -M的关键装备。为此，现今许多数控机床或系统制造商都极力进军该领域，他们不仅出售机床设备或控制系统，同时也出售他们研发的配套软件产品，为实现信息技术、制造技术、生产管理和制造控制融合集成，提高企业生产率、快速响应能力和综合竞争力提出整体解决方
案．数控机床的网络化体现为以下几个方面：
  (1)便于采用数字化制造整体解决方案、一企业能进行统一的自动化规划，解决从产品设计部门到制造车间的无缝连接，实现全企业集成。
  (2)可以与CAD/CAYI工作站链接，接收加工信息。
  (3)易于生产过程数据的采集、保存和查询。
  (4)实现生产过程监控。企业管理人员在远离制造车间现场的任何一台联网的PCM站点上，通过Wcl，浏览器方式就能看到生产现场实时信息。
  (5)有利于企业的柔性化管理j也使得企业可进行与其它企业车间的管理和信息交流．
  (6)设备远程故障诊断和维护服务．．
  (7)实现可重配制造系统。对NetcNC制造系统，CNS机床是作为制造业内部网上的一个节点，可形成动态的网络化制造系统的一个组成部分，从而易于进行数控机床重组，实现RMS，适应变批量定制生产模式。
2数控板材加工装备的关键技术的实现
  图1是本课题组在研的数控板材加工装备（数控冲床）系统框图，笔者把它分成五部分：输入单元、逻辑数字控制单元、伺服控制单元、液压控制单元和人机界面。根据第一节提出的几点关键技术，目前我们对在研数控冲床的高速化、智能化和网络化这三方面展开了研究。
  图1  数控板材加工装备的系统框架
2.1  高速高效的研究
  数控冲床的高速高效是一个涉及面很广的研究课题，我们主要从以下三方面着手研究在研设备的高速高效的问题．
  (1)高速主轴
  高速主轴是高速机床中最为关键的部件，多采用电机和主轴一体化设计的高速电主轴( HSES)或复合电主轴，高速电主轴单元主要包括电主轴、轴承、内装式电机和刀具夹持装置4个部分。轻结构、高强度、高刚性、良好的动平衡和热控制是成功电主轴设计的关键。
  (2)快速驱动
  高速加工要求机床坐标应容易移动，快速响应，准确定位和具有高重复定位精度，特别是在采用更多短时的快速移动来加工中小尺寸零件的应用场合，坐标移动速度和高加减速的重要性将会更加突出。直线电机是我们的首选，它的电流被直接转变成运动而不再需要通过中间的机械传动部件，它的初级部件直接安装在可高速运转并具有较高轨迹精度的导轨上，所以它具有速度高、加速度大、定位精度高、行程不受限制等优点．
  (3)从软件方面改善数控系统的性能
  理想的硬件平台能保证是数控系统高速的保证，但也不能忽略了数控系统的软件方面。对于高速的数控系统，先进的软件平台是必不可少的．．有了适合的软件平台，我们可以通过优化插补算法、优化走刀路径、优化换刀时间等来减少加工过程的时间，从而达到高速的目标。
2.2  智能化研究
  (1)友好的人机界面
  以往，加工命令是用一些数控专用的指令来表示，通常一个加工命令要输入许多条加工指令，不但影响加工效率而且不便于操作。我们把加工命令用图形来显示，用户只需在操作界面上选择要加工的图形，然后设定相应的参数，数控冲床系统便可以自动地生成相应的加工指令。
  (2)CAD/CAM自动编程
  在研的数控冲床系统采取CAD/CAM自动编程的方式。用户只需要在CAD上把要加工的三维加工图纸画好，然后传给数控系统，数控系统就能自动地将加工元件的图纸自动生成加工程序，这样就大大地简化了用户的编程过程。
  (3)优化刀具选择
  刀具的选择直接影响到工件加工的速度和精度，也是数控系统智能化的一个很重要的体现i刀具的选择有两个方面值得深入研究的：
  ①加工时间最优i这种情况在快速加工不同形状的7L时尤其重要。数控系统可以自动地计算换刀时间和使用相应刀具要冲完需要的时间，然后选择总时间最少的方案i例如加工一个简单的面板（如图2、图3所示）．假设圆形孔用相同的刀具，矩形孔用相同的刀具；图2、图3中带术表示要换刀。按图2的加工顺序，我们易看出，在工件I到2、2到3、4到5、5到6、6到7都要换刀，总共换刀的次数是五次。再看图3优化后的加工顺序，只有在工件3到2时才换了一次刀，比原来减少了四次，由此可见，优化后的加工路径大大地减少了换刀次数，从而提高了加工效率、图2  没有优化的加工顺序  图3  优化后的加工顺序
  ⑦刀具使用寿命最优。在数控加工中刀具成本是非常高的，出于保护刀具的目的要尽量地合理用刀。从刀具使用寿命的目的出发来优化刀具的选择是必要的。
  (4)优化走刀路径
  如果工序内含有多个加工特征，如加工多个孔．则其加工顺序由CAD系统的造型次序决定，因为CAM加工特征的实体号由CAD传递过来的。设计人员在造型过程中不考虑加工顺序，这就意味着CAM规划的加工顺序是随机的，由此会增加走刀路径，增加能耗和降低加工效率，特别是加工特征数量很大时，这种问题暴露得更加明显，因此对加工路径进行优化会提高加工的效率。目前，对于数控机床的加工路径优化研究已成了数控加工的研究热点，控制理论中越来越多的控制算法成功地应用在走刀路径的优化上．
  不考虑换刀问题，单纯优化走刀路径、。如图4所示的一个简单面板，图中的圆表示要加工的孔，在此我们把孔抽象成几个结点，走刀
图4  多级最优决策算法路径最优问题就简化为求经过所有结点的路径最短。．这里提出多级最优决策算法：从开始的结点起，将要经过下一个的结点是所有未经过结点中距离当前结点最近的那个结点．如图4所示，假如规定结点1是开始结点，那么它的下一个候选结点有8个，但结点2是距离最近的，所以结点1的下一结点是2：同理离结点2的下一个候选结点有7个，最近的下一个结点是5．所以结点2的下一个结点是5……以此类推得出了以下的最优路径：从结点1开始，分别经过2、5、6、3、7、8、9最后以结点4结束。
  (5)故障诊断智能化
  故障处理是评定数控系统先进性的一个重要方面，我们在研的数控冲床系统能自动检测故障且能自动保护，并能在工作中实时监控，同时也实现故障的远程诊断以及对系统的潜在故障进行检测并发出预警信号。
2.3  网络化研究
  我们在研的数控冲床带有网络接入I/O模块，使用IP/TCP协议，便于用户的分布式控制其它通讯方面的需求。目前，在研系统可实现以下功能：
  (1)加工的远程和企业内技术支持：例如加工程序、图纸和工具数据的传输，实现资源共享。
  (2)远程或企业内对机床加工运行和负载状态的查询：按指定的路径下载加工程序和工具数据等。   
  (3)远程故障诊断和在线维修：数控设备生产厂家可以通过Internet查询到远程客户终端的数控设备运行情况：反过来，客户终端的技术人员可以登陆厂家的售后服务网站查询相关的故障处理方法，同时也可以通过Intenet向在线的专家求助，实现在线故障诊断。
3  小结  
  本文所提出的数控冲床的几个关键技术是相辅相成、互相促进的i数控冲床的网络化会进一步地促进柔性自动化制造技术的发展；柔性自动化技术以易于联网和集成为目标，同时系统的柔性化有助于信息集成；网络系统又向着开放、集成和智能化方向发展；数控系统的智能化和柔性化进而提升了系统的高速、