數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

劉果　萬(wàn)江云　李志武

摘 要：工業(yè)是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)，新時(shí)期我國(guó)積極推行“智能制造2025”戰(zhàn)略，通過(guò)布局工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)從而使得我國(guó)的工業(yè)制造邁入一個(gè)嶄新的階段。為實(shí)現(xiàn)“智能制造2025”戰(zhàn)略應(yīng)當(dāng)積極做好信息化技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與工業(yè)設(shè)備的有機(jī)結(jié)合，使得工業(yè)制造向信息化、智能化的方向發(fā)展。數(shù)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略的重要技術(shù)，通過(guò)加強(qiáng)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用尤其是做好數(shù)控機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用，為“智能制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)注入新的活力。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；數(shù)控技術(shù)；機(jī)械制造；機(jī)器人

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）21-0163-02

Abstract： Industry is an important foundation for the development of a country. In the new period， our country actively implements the "Intelligent Manufacturing 2025" strategy. Through the transformation and upgrading of the layout industry， China's industrial manufacturing has entered a new stage. In order to realize the strategy of "Intelligent Manufacturing 2025"， we should actively integrate the information technology， automatic control technology and industrial equipment， so as to make the industrial manufacturing develop towards the direction of information and intelligence. Numerical control technology is an important technology to realize this strategy. By strengthening the development and application of mechatronics technology， especially the application of numerical control robot in industrial production and manufacturing， it injects new vitality into the realization of "intelligent manufacturing 2025" strategy.

Keywords： mechatronics； numerical control technology； mechanical manufacture； robot

前言

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)今乃至未來(lái)一段時(shí)間工業(yè)發(fā)展的重要方向，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用將有效的提高工業(yè)生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)制造技術(shù)中的數(shù)控技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，新時(shí)期在“智能制造2025”戰(zhàn)略的大背景下應(yīng)當(dāng)積極做好工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略的布局，積極做好工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，以科學(xué)技術(shù)帶動(dòng)工業(yè)制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)提高生產(chǎn)的效率與生產(chǎn)質(zhì)量。數(shù)控技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要一環(huán)，在工業(yè)制造中應(yīng)當(dāng)積極做好數(shù)控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，補(bǔ)齊我國(guó)在工業(yè)制造環(huán)節(jié)中的短板，提升我國(guó)在現(xiàn)今乃至今后一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)制造的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，通過(guò)多年的發(fā)展數(shù)控技術(shù)由早期的硬件電路發(fā)展到現(xiàn)今的專(zhuān)用控制計(jì)算機(jī)其控制能力與控制效率發(fā)生了大幅的提升。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)CNC，其通過(guò)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的定位控制。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的各種加工控制程序執(zhí)行部分或是全部數(shù)值控制用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。直接數(shù)控DNC是直接數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是用電子計(jì)算機(jī)對(duì)具有數(shù)控裝置的機(jī)床群直接進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制和管理，英文縮寫(xiě)DNC。直接數(shù)控又稱(chēng)群控，控制的機(jī)床由幾臺(tái)至幾十臺(tái)。且直接數(shù)控是在數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。微機(jī)數(shù)控是微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，其主要利用的是微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。

在工業(yè)快速發(fā)展的今天，工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)今乃至未來(lái)一段時(shí)間工業(yè)發(fā)展的重要方向。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)械設(shè)計(jì)、加工、數(shù)字控制的集大成之作，其內(nèi)部涉及到大量的機(jī)械、自動(dòng)化、數(shù)字控制等方面的技術(shù)，在工業(yè)機(jī)器人工作的過(guò)程中，依靠精密的機(jī)械動(dòng)作與數(shù)字傳感技術(shù)由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行控制。在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作的過(guò)程中具有動(dòng)作穩(wěn)定、操作靈活、自由度多等的特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜工況條件下進(jìn)行高精度的動(dòng)作。工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)今的工業(yè)制造中有著廣泛的應(yīng)用，比如說(shuō)汽車(chē)制造、航空航天以及軍事裝備制造等領(lǐng)域都已經(jīng)廣泛的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)。數(shù)控技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人的控制核心，應(yīng)當(dāng)積極做好數(shù)控技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)今高速發(fā)展的數(shù)字、信息技術(shù)來(lái)提高數(shù)控系統(tǒng)的控制效率與控制精度。

2 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械加工制造中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)使用工業(yè)機(jī)器人能夠完成多種復(fù)雜工件或是結(jié)構(gòu)件的機(jī)械加工制造。本文以某型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人為例介紹數(shù)控系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人使用銑刀完成葉輪的機(jī)械制造。工業(yè)機(jī)器人主要是由數(shù)控主軸、主軸變頻器、主軸轉(zhuǎn)接頭以及其他部分等所組成。組成工業(yè)機(jī)器人的各部件中，數(shù)控主軸是其中的主要部分，為實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)控主軸的冷卻可以采用水冷或是風(fēng)冷兩種形式，水冷通過(guò)使用循環(huán)冷卻水的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)控主軸的降溫，風(fēng)冷數(shù)控主軸的形式主要利用的是風(fēng)扇所帶來(lái)的風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)控主軸的冷卻。某型號(hào)工業(yè)機(jī)器人其有效載荷為6kg，采用水冷形式通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)輸出電壓和工作頻率來(lái)對(duì)數(shù)控主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)。

采用主軸變頻器控制轉(zhuǎn)速。將高速數(shù)控主軸通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)接頭固定在工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，安裝上相應(yīng)的加工刀具，再將驅(qū)動(dòng)電源和數(shù)控主軸連接起來(lái)，使用一個(gè)數(shù)控加工的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，方便工件的固定以及加工，即構(gòu)成了一套完整的機(jī)器人切削加工系統(tǒng)。

葉輪具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在整體加工上需要選用5軸機(jī)床進(jìn)行加工。工業(yè)機(jī)器人具有6個(gè)自由度，將工業(yè)機(jī)器人用于葉輪的加工在理論上完全能夠?qū)崿F(xiàn)。在使用工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)于葉輪的加工時(shí)，需要在數(shù)控系統(tǒng)上編制相應(yīng)的加工程序，借助于UG/CAM模塊完成工業(yè)機(jī)器人加工葉輪五軸加工的軌跡規(guī)劃。UG程序中包含有多軸編程的相關(guān)模塊化，在進(jìn)行相關(guān)程序的編制時(shí)，按照UG程序中的順序依次完成相關(guān)坐標(biāo)系的建立、加工幾何體以及加工到刀具信息等的建立。在葉輪加工的過(guò)程中主要分為粗、精加工兩道加工工序，在粗加工環(huán)節(jié)中，可以選用平刀使用型腔銑削加工的方式來(lái)進(jìn)行機(jī)械加工，最后大致銑出葉輪葉片的形狀，采用上述機(jī)械加工形式能夠有效的提高機(jī)械加工的效率。在粗加工中需要在留有足夠的余量，用以避免在銑削加工中切掉葉輪葉片的型面，影響機(jī)械加工的質(zhì)量。完成對(duì)于葉輪葉片的粗加工后需要對(duì)其進(jìn)行精加工，精加工中需要使用6mm的球頭刀，使用UG軟件對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行編制和規(guī)劃，在葉輪表面精加工時(shí)，將采用流線(xiàn)方式來(lái)進(jìn)行刀具的驅(qū)動(dòng)，球頭刀的刀軸方向與待加工表面相垂直，對(duì)葉輪葉片進(jìn)行精加工時(shí)，將以曲面方式驅(qū)動(dòng)刀軸，從而使得銑刀的側(cè)刃能夠與驅(qū)動(dòng)體相垂直。在完成了對(duì)于銑刀刀軌的保存后將可以用于工業(yè)機(jī)器人的后續(xù)加工。在完成了對(duì)于工業(yè)機(jī)器人銑刀進(jìn)刀軌跡的規(guī)劃后，需要使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證，由于受到工業(yè)機(jī)器人自身機(jī)構(gòu)及機(jī)械性的限制，通過(guò)UG/CAM模塊所設(shè)計(jì)的進(jìn)刀軌跡會(huì)與實(shí)際產(chǎn)生一定的偏差，必須要通過(guò)實(shí)際加工來(lái)對(duì)進(jìn)刀軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，用以避免工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)作的過(guò)程中與葉輪產(chǎn)生碰撞或是關(guān)節(jié)之間的干涉。除了直接使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試外，還可以通過(guò)在UG/Motion環(huán)境中直接對(duì)工業(yè)機(jī)器人加工進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析以及碰撞和干涉進(jìn)行檢測(cè)，提高工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行動(dòng)作的監(jiān)控與分析效率。

利用UG/Motion 的功能能夠賦予各個(gè)關(guān)節(jié)一定的運(yùn)動(dòng)特性，再在各個(gè)關(guān)節(jié)之間設(shè)立一定的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型。由于UG/Motion 可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合理分析工作，諸如干涉檢測(cè)、軌跡包絡(luò)等，就可以得到相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析就可以驗(yàn)證加工軌跡的合理性，并且可以利用圖形輸出各個(gè)關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角、加速度和力的變化，不僅可以對(duì)機(jī)器人加工實(shí)時(shí)監(jiān)控還可以對(duì)加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

工業(yè)機(jī)器人具有6自由度，各自由度的控制需要進(jìn)行大量的模擬，使用UG/CAM軟件對(duì)機(jī)械加工程序進(jìn)行模擬后，通過(guò)三維模擬可以通過(guò)各種約束限制構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)之間大量采用旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行連接，為減少工業(yè)機(jī)器人所具有的自由度，可以通過(guò)在系統(tǒng)上施加約束，而后在UG/Motion 中將六個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)置為連桿，添加相應(yīng)的性能參數(shù)。在構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人模型時(shí)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人所具有的6個(gè)關(guān)節(jié)之間建立起相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)副，各機(jī)械臂之間以連桿的形式相互連接咬合，在工業(yè)機(jī)器人中以底部添加底座作為固定運(yùn)動(dòng)副，在完成上述約束的規(guī)劃后工業(yè)機(jī)器人將在約束的條件下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)完成對(duì)于工業(yè)機(jī)器人中各驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)及精確定位。除了約束外，還需要構(gòu)建起工業(yè)機(jī)器人相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)使運(yùn)動(dòng)模型，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中其數(shù)控主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是規(guī)律的函數(shù)，在構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型的過(guò)程中需要結(jié)合工業(yè)機(jī)器人中的6個(gè)自由度分別建立以時(shí)間為橫坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度為縱坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用除了在工業(yè)機(jī)器人方面的應(yīng)用外，在高精度機(jī)床上也有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代高精度機(jī)械加工設(shè)備在航空、航天等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。尤其是以五軸加工中心為代表的高精度數(shù)控加工中心能夠完成復(fù)雜曲面的高精度零部件。高精度的數(shù)控控制系統(tǒng)能夠使得各運(yùn)動(dòng)軸能夠以高速完成相關(guān)零部件的加工，尤其是以超高轉(zhuǎn)速進(jìn)行零部件表面的切削加工，不但能夠有效的提升機(jī)械加工的效率同時(shí)也能夠有效的提升所完成的機(jī)械零部件表面的加工質(zhì)量。隨著信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)的性能也在不斷提升，集成化程度越來(lái)越高，尤其是以西門(mén)子、海德漢、Fanuc數(shù)控系統(tǒng)為代表的大公司所構(gòu)建的通用控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)模塊、電機(jī)以及控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，使得數(shù)控技術(shù)在各領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，將發(fā)展出更加先進(jìn)、高效的機(jī)械加工設(shè)備，通過(guò)將這些設(shè)備應(yīng)用于機(jī)械加工中將能夠確保機(jī)械加工獲得更加高效的加工效率和更高的加工精度。同時(shí)在數(shù)控技術(shù)的發(fā)展中，通過(guò)構(gòu)建DNC控制局域網(wǎng)完成車(chē)間內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)控制將能夠使得機(jī)械加工設(shè)備的管理更加高效，機(jī)械加工設(shè)備與上位機(jī)之間的信息交互更加便捷。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械加工的重要基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)積極做好數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用。現(xiàn)代機(jī)械加工設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度越來(lái)越高，且機(jī)電一體化數(shù)控的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能制造技術(shù)具有多軸、離線(xiàn)編程等的特點(diǎn)在未來(lái)的發(fā)展中將會(huì)具有巨大的發(fā)展前景。通過(guò)將數(shù)控技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，借助于工業(yè)機(jī)器人靈活、空間運(yùn)動(dòng)特性強(qiáng)等的特點(diǎn)將能夠極大的簡(jiǎn)化復(fù)雜型面零部件的機(jī)械加工，在提高機(jī)械零部件加工效率的同時(shí)保證機(jī)械加工的質(zhì)量。

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