陳田玉，陳瑋，王欽若，李軍，逯憲斌
（1．廣東工業(yè)大學自動化學院，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鍵技術，對自行研制的數(shù)控沖床的關鍵技術進行了深入的探討這些關鍵技術包括：數(shù)控沖床的高速高效化、智能化、網絡化一，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．
關鍵詞：數(shù)控板材加工裝備；高速高效；智能化；網絡化；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雜孔型和淺拉深成型的板材加工關鍵設備，其應用領域包括通訊設備、電力開關、電梯、青島車庫門、汽車、農機、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，據行業(yè)管理部門調查預測，目前全國市場對數(shù)控板材設備的年需求總量為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效率，更高的柔性，智能化以及網絡功能，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)控沖床占據著市場主導地位，特別是高端產品幾乎以進口產品為主，因此，我們迫切需要開發(fā)高技術含量的國產數(shù)控沖床，與進口產品形成抗衡，由此來提高國產產品的市場份額。然而目前國產數(shù)控沖床的技術水平比較落后，生產加工效率較低，網絡化智能化水平也有較大的差距，為此，本論文結合本課題組在研的數(shù)控沖床，對其關鍵技術進行了探討，提出了相關指標。
1 數(shù)控板材加工成套裝備的關鍵技術
目前國外的生產數(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)產品的發(fā)展趨勢就是設備向高速高效、網絡化、智能化和柔性化方向發(fā)展。高速高效主要體現(xiàn)在設備的加工頻率達到600-1000次/min．送料速度在1OOm/min以上：網絡化和智能化主要體現(xiàn)在設備可以進行集成化生產管理：而柔性化則滿足用戶多品種、小批量的生產加工柔性需求，縮短用戶的生產準備周期。國產產品必須在上述幾方面得到真正的提高和改善，才能與國外產品競爭。
1.1 高速和高效
高速加工(High Speecl Machining，HSM)新工藝技術的發(fā)展，用戶對設備柔性、高生產率、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、可重構和復合加工結構方向發(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雜的過程，或者說是一個系統(tǒng)工程，它將涉及機床結構、高速主軸、快速坐標驅動、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)代化生產模式。它為企業(yè)擴大產品和零件品種、適應市場對產品多樣化的需求、提高產品質量及縮短產品的開發(fā)和制造周期、提高勞動生產率及市場應變能力創(chuàng)造了廣闊的前景．柔性自動化技術是制造業(yè)適應動態(tài)市場需求及產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)的柔性化是指當產品的品種的需求發(fā)生變化時，它們仍能在滿足經濟性的前提下，實現(xiàn)及時轉換生產的適應能力。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)是一項工程應用技術，它的內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、組裝及預調工作站等，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，控制相應的部件來完成加工任務。
(4)廢料處理單元：主要是負責處理加工過程所產生的廢料。
1.3 智能化
隨著人工智能在計算機領域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應控制、模糊控制和神經網絡的控制機理，不但具有自動編程、前憒控制、模糊控制、自適應控制、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)任務規(guī)劃的智能化、。是數(shù)控機床將接受的任
務變?yōu)閿?shù)控機床隨環(huán)境的變化而不斷調整的目標任
務。
(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，包含向專家學習，豐富和提高機器的“知識”結構能力和通過給定獎懲函數(shù)自身提煉新知識的能力，
(3)自適應的人機界面。機器能夠適應不同的操作人員，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，自動或指導排除故障．
1.4 網絡化
NetCNC（網絡數(shù)控）技術意味著生產率、柔性、集成和競爭力，是制造業(yè)實現(xiàn)e -M的關鍵裝備。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域，他們不僅出售機床設備或控制系統(tǒng)，同時也出售他們研發(fā)的配套軟件產品，為實現(xiàn)信息技術、制造技術、生產管理和制造控制融合集成，提高企業(yè)生產率、快速響應能力和綜合競爭力提出整體解決方
案．數(shù)控機床的網絡化體現(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，解決從產品設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)易于生產過程數(shù)據的采集、保存和查詢。
(4)實現(xiàn)生產過程監(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)網的PCM站點上，通過Wcl，瀏覽器方式就能看到生產現(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)設備遠程故障診斷和維護服務．．
(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)內部網上的一個節(jié)點，可形成動態(tài)的網絡化制造系統(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，適應變批量定制生產模式。
2數(shù)控板材加工裝備的關鍵技術的實現(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。根據第一節(jié)提出的幾點關鍵技術，目前我們對在研數(shù)控沖床的高速化、智能化和網絡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鍵的部件，多采用電機和主軸一體化設計的高速電主軸( HSES)或復合電主軸，高速電主軸單元主要包括電主軸、軸承、內裝式電機和刀具夾持裝置4個部分。輕結構、高強度、高剛性、良好的動平衡和熱控制是成功電主軸設計的關鍵。
(2)快速驅動
高速加工要求機床坐標應容易移動，快速響應，準確定位和具有高重復定位精度，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并具有較高軌跡精度的導軌上，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，然后設定相應的參數(shù)，數(shù)控沖床系統(tǒng)便可以自動地生成相應的加工指令。
(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)問題就簡化為求經過所有結點的路徑最短。．這里提出多級最優(yōu)決策算法：從開始的結點起，將要經過下一個的結點是所有未經過結點中距離當前結點最近的那個結點．如圖4所示，假如規(guī)定結點1是開始結點，那么它的下一個候選結點有8個，但結點2是距離最近的，所以結點1的下一結點是2：同理離結點2的下一個候選結點有7個，最近的下一個結點是5．所以結點2的下一個結點是5……以此類推得出了以下的最優(yōu)路徑：從結點1開始，分別經過2、5、6、3、7、8、9最后以結點4結束。
(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)出預警信號。
2.3 網絡化研究
我們在研的數(shù)控沖床帶有網絡接入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)內技術支持：例如加工程序、圖紙和工具數(shù)據的傳輸，實現(xiàn)資源共享。
(2)遠程或企業(yè)內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)據等。
(3)遠程故障診斷和在線維修：數(shù)控設備生產廠 家可以通過Internet查詢到遠程客戶終端的數(shù)控設備運行情況：反過來，客戶終端的技術人員可以登陸廠 家的售后服務網站查詢相關的故障處理方法，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
本文所提出的數(shù)控沖床的幾個關鍵技術是相輔相成、互相促進的i數(shù)控沖床的網絡化會進一步地促進柔性自動化制造技術的發(fā)展；柔性自動化技術以易于 聯(lián)網和集成為目標，同時系統(tǒng)的柔性化有助于信息集成；網絡系統(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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