多工具聯(lián)動高效高效數(shù)控組合機床的研究與應用

多工具聯(lián)動高效高效數(shù)控組合機床的研究與應用

1數(shù)控組合機床的發(fā)展方向長期以來，提高產(chǎn)品加工效率一直是工業(yè)行業(yè)降低成本和提高公司競爭力的重要手段。自1952年第一臺數(shù)控銑床問世以來,數(shù)控機床在制造行業(yè)中體現(xiàn)出了它巨大的優(yōu)勢,尤其在制造的高效方面深受企業(yè)青睞。數(shù)控組合機床高效加工技術的發(fā)展,目前主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)通過改進機床如采用高速切削、刀具路徑優(yōu)化、刀具結構優(yōu)化及工藝優(yōu)化等來提高單臺機床的加工效率;(2)根據(jù)工件加工需要,將多臺數(shù)控機床組成自動生產(chǎn)線形成多刀具、多工位、多工序同時加工的生產(chǎn)模式。通過改進單臺機床性能來提高加工效率是目前數(shù)控組合機床發(fā)展的一個重要方向。高速切削(HSC-HighSpeedCutting)技術是一種切削速度比常規(guī)切削速度高(5～10)倍的先進的制造技術,其加工效率高、成本低、加工范圍廣,目前該技術得到了大力發(fā)展,為提高機床加工效率提供了基礎性條件。刀具路徑優(yōu)化是通過改進相應的算法來得到更加合理的刀具軌跡,從而起到提加工品質和效率的作用。通過縮短機床的換刀時間來提高機床的工作效率也是目前一個發(fā)展方向,在加工過程中,裝卸工件、定位、換刀等所占的加工時間也是一個不可忽視的問題,通過合理地刀具結構設計和快速自動換刀來減少機床換刀時間可以大幅度地提高加工效率。根據(jù)工件加工需要,將多臺數(shù)控機床組成自動生產(chǎn)線形成多刀具、多工位、多工序同時加工的生產(chǎn)模式也逐漸被廣泛地應用于生產(chǎn)中。根據(jù)加工工藝的需要,每臺數(shù)控機床完成一道加工工序,通過流水作業(yè)的方式其工作效率是普通機床的幾倍甚至是幾十倍。隨著通用部件的經(jīng)標準化和系列化,可根據(jù)實際需要靈活配置,能有效地縮短專用機床的設計和制造周期,并可方便快捷地組成自動生產(chǎn)線,具有模塊化、柔性化、數(shù)控化、高速化、可重構、智能化等特征。然而,在針對不同類型工件時,機床的工作效率還可以得到更高的提升。將生產(chǎn)線上常用的多刀具和多工位應用于單臺機床上,使多刀具或多工位同時聯(lián)動工作,一次加工多個工件的方式能使加工效率更高。提出一種多工具聯(lián)動控制機械加工技術,包括單工位多工具和多工位多工具聯(lián)動控制機械加工技術,用于針對具有回轉特征曲面和徑向對稱分布特征曲面的工件高效加工加工,并分析其關鍵技術。以輪轂曲面和不銹鋼電水壺曲面的拋光加工為例,研發(fā)了基于該技術的單工位多工具聯(lián)動控制機械拋光機床和多工位多工具聯(lián)動控制機械拋光機床。2多工具組合控制機械技術2.1多工況多工具聯(lián)動拋光加工技術單工位多工具聯(lián)動控制機械加工是針對具有回轉特征和徑向對稱分布特征曲面工件在單一工位采用多個刀具同步進行加工的一種加工技術。以單工位多磨具拋光加工為例,如圖1所示,OO′為工件曲面的中心軸,三個拋光磨輪沿OO′呈徑向對稱分布,在拋光加工過程中,各磨輪位置、姿態(tài)沿OO′成徑向對稱并且保持同步,在同一工位上同步對工件曲面拋光。多工位多工具聯(lián)動控制機械加工技術是指在工作臺上分布多個工位,在各個工位上分別采用單個刀具對工件同步進行加工的技術。以多工位多工具聯(lián)動拋光加工為例,如圖2所示。三個工位和相對應的三個拋光輪呈圓周鏡像對稱分布,加工時各工件的姿態(tài)同步調整,拋光輪在三個工位上對工件進行同步拋光。2.2單工件多工具和多工磨具聯(lián)動控制機械拋光的關鍵技術單工位多工具和多工位多工具聯(lián)動控制機械拋光具有能大幅提高效率、易規(guī)劃刀具、生產(chǎn)靈活等特點。能大幅提高回轉特征和徑向對稱分布特征曲面工件的加工效率,多工具同時拋光,理論效率隨工具數(shù)量增加而增加;工件和各磨具的徑向對稱特性,拋光加工時可按單刀具模式規(guī)劃刀具軌跡;易于組成生產(chǎn)線,生產(chǎn)靈活。將工件的待拋光表面根據(jù)形狀特征進行分片,每臺多工具拋光機床采用一種專用磨具,只針對工件的一個特征分片區(qū)域拋光加工。多工位多工具聯(lián)動控制機械拋光具有高效、易控制、適應大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。此種加工方式一次能加工多個工件,加工效率可以大幅度提高,多個工位同時進行拋光,加工效率隨著工位的增加而成倍的提高;易于控制,工件和磨具都是對稱分布,只要規(guī)劃單個磨具的刀具軌跡即可實現(xiàn)多工磨具和工件同步運動;單臺機床能同時加工多個工件,操作簡單,適合大批量的工業(yè)生產(chǎn)。單工位多工具和多工位多工具聯(lián)動控制機械拋光的關鍵技術:(1)多工具同步拋光加工機床結構的設計。普通的數(shù)控機床,主要是針對單個工件進行加工的,增加一個工具或者一個工位,其結構和控制的復雜程度明顯提高,這就要求設計者合理設計,以保證加工精度和減小制造成本。各磨具需在同一工位上同步工作,其對稱特性要求較高,使得機床結構設計較大程度受磨具工作空間限制,在機床結構選擇、各軸運動機構的布置都需要重點考慮。(2)多工具同步姿態(tài)調節(jié)補償器的設計。多工具的同步協(xié)調性是保證加工質量的重要因素,需要每個工具的姿態(tài)同步。但是機床制造誤差和工件尺寸誤差的存在,使得各磨具位姿并不像理論上的完全同步,需設計相應的位姿調節(jié)補償器,保證各磨具的磨輪均與工件有效接觸。(3)多工位姿態(tài)同步調整裝置的設計。對于曲面工件,加工過程中在工位上面不是固定靜止的,工件可能因加工需要進行旋轉、擺動等姿態(tài)變化運動。工位姿態(tài)調整主要包括工件的角度和高度調整。各工位在圓形工作臺上要實現(xiàn)同步加工,要求工件具有較高的對稱性、等高性和同步性,需設計調整靈活、精確的裝置實現(xiàn)這一目的。3工程應用3.1多工具拋光機床結構及工作原理拋光是鋁合金汽車輪轂加工過程中的一道重要工序,要求拋光表面材料去除均勻、無過拋變形,表面粗糙度達到一定的值。但由于輪轂待加工表面粗糙度大、形狀復雜、多樣且對加工效率有較高的要求等,國內輪轂和電水壺生產(chǎn)企業(yè)普遍依賴熟練工人拋光。針對鋁合金汽車輪轂表面特性,采用單工位多工具聯(lián)動控制機械拋光方式能很大程度地提高其生產(chǎn)效率。如圖3所示是多工具拋光機床的機械結構示意圖,該機床為立式結構,由上下兩部分組成。上部為多工具運動機構,三組磨具繞Z0軸徑向均布,各磨具可同步徑向移動(設為X軸),在各刀具坐標系X1Y1Z1中(刀具坐標系固定在各磨具架上),各磨具可同步繞X1軸擺動(設為A1軸)和繞Z1軸轉動(設為A2軸),以適應工件曲面曲率變化;下部為單工位工作臺運行機構,工件裝夾在工作臺上,在機床坐標系X0Y0Z0中,工作臺可沿Z0軸升降(設為Z軸)及繞Z0轉動(設為A0軸)。該拋光機采用三組拋光磨頭同時對輪轂拋光,實踐證明,拋光效率較手工拋光至少提高了三倍以上。拋光時,采用密封式加工,能有效防止粉塵污染。3.2多工況多工具領域的機械拋光機床不銹鋼電水壺表面拋光是其加工的最后一道重要工序,主要是達到精飾外觀的目的。但是由于在電水壺機械拋光中,存在材料難拋光,形狀復雜多樣,表面拋光質量和效率要求高等難題,目前市場上的電熱水壺機械拋光機床很難滿足企業(yè)的生產(chǎn)需要,電水壺的拋光主要采用手工方式,存在拋光質量不穩(wěn)定,加工效率低等問題,嚴重制約了電熱水壺行業(yè)的發(fā)展。大規(guī)模電水壺生產(chǎn)企業(yè),迫切需要一種高效、環(huán)保的自動化機械拋光機床。多工位多工具電熱水壺機械拋光機床結構簡圖,如圖4所示。機床為雙層立式結構,采用了多工位多工具聯(lián)動控制機械拋光技術,可在對稱分布的三個工位上對電熱水壺進行同步拋光。該拋光機為4軸結構,每軸由步進電機分別驅動。上部為磨具的運動機構,各磨具均可徑向(x)同步移動。為補償由加工、裝配等因素造成的各磨具徑向移動位移產(chǎn)生的誤差,設計了磨具徑向位置微調機構。下部為工作臺,三個工位在工作臺上呈圓周鏡像稱分布,可實現(xiàn)同步升降(z)、自轉(ω)和擺動(α)。拋光機床三個工位同時拋光加工,與手工拋光方式相比,加工效率能提高(2～3)倍,大大減輕了工人的勞動強度,降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。三個磨具和工位均是徑向對稱分布,只需規(guī)劃單刀具的運動軌跡,易于控制。工作臺的高度設計適合工人操作,裝夾工件機構采用仿形設計使得工件裝卸方便,操作簡單快捷。在機床上,裝有吸塵裝置,在加工過程中可有效防止粉塵污染,能大大改善了工人的工作環(huán)境。4運行平穩(wěn)可靠,效益顯著目前,單工位多工具鋁輪轂曲面機械拋光機床和多工位多工具不銹鋼電水