多工具聯(lián)動(dòng)高效高效數(shù)控組合機(jī)床的研究與應(yīng)用

多工具聯(lián)動(dòng)高效高效數(shù)控組合機(jī)床的研究與應(yīng)用

1數(shù)控組合機(jī)床的發(fā)展方向長(zhǎng)期以來(lái)，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(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。自1952年第一臺(tái)數(shù)控銑床問世以來(lái),數(shù)控機(jī)床在制造行業(yè)中體現(xiàn)出了它巨大的優(yōu)勢(shì),尤其在制造的高效方面深受企業(yè)青睞。數(shù)控組合機(jī)床高效加工技術(shù)的發(fā)展,目前主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)通過改進(jìn)機(jī)床如采用高速切削、刀具路徑優(yōu)化、刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝優(yōu)化等來(lái)提高單臺(tái)機(jī)床的加工效率;(2)根據(jù)工件加工需要,將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成自動(dòng)生產(chǎn)線形成多刀具、多工位、多工序同時(shí)加工的生產(chǎn)模式。通過改進(jìn)單臺(tái)機(jī)床性能來(lái)提高加工效率是目前數(shù)控組合機(jī)床發(fā)展的一個(gè)重要方向。高速切削(HSC-HighSpeedCutting)技術(shù)是一種切削速度比常規(guī)切削速度高(5～10)倍的先進(jìn)的制造技術(shù),其加工效率高、成本低、加工范圍廣,目前該技術(shù)得到了大力發(fā)展,為提高機(jī)床加工效率提供了基礎(chǔ)性條件。刀具路徑優(yōu)化是通過改進(jìn)相應(yīng)的算法來(lái)得到更加合理的刀具軌跡,從而起到提加工品質(zhì)和效率的作用。通過縮短機(jī)床的換刀時(shí)間來(lái)提高機(jī)床的工作效率也是目前一個(gè)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(shí)間也是一個(gè)不可忽視的問題,通過合理地刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和快速自動(dòng)換刀來(lái)減少機(jī)床換刀時(shí)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(tái)數(shù)控機(jī)床組成自動(dòng)生產(chǎn)線形成多刀具、多工位、多工序同時(shí)加工的生產(chǎn)模式也逐漸被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)中。根據(jù)加工工藝的需要,每臺(tái)數(shù)控機(jī)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(jī)床的幾倍甚至是幾十倍。隨著通用部件的經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化,可根據(jù)實(shí)際需要靈活配置,能有效地縮短專用機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造周期,并可方便快捷地組成自動(dòng)生產(chǎn)線,具有模塊化、柔性化、數(shù)控化、高速化、可重構(gòu)、智能化等特征。然而,在針對(duì)不同類型工件時(shí),機(jī)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(yīng)用于單臺(tái)機(jī)床上,使多刀具或多工位同時(shí)聯(lián)動(dòng)工作,一次加工多個(gè)工件的方式能使加工效率更高。提出一種多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械加工技術(shù),包括單工位多工具和多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械加工技術(shù),用于針對(duì)具有回轉(zhuǎn)特征曲面和徑向?qū)ΨQ分布特征曲面的工件高效加工加工,并分析其關(guān)鍵技術(shù)。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(shù)的單工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械拋光機(jī)床和多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械拋光機(jī)床。2多工具組合控制機(jī)械技術(shù)2.1多工況多工具聯(lián)動(dòng)拋光加工技術(shù)單工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械加工是針對(duì)具有回轉(zhuǎn)特征和徑向?qū)ΨQ分布特征曲面工件在單一工位采用多個(gè)刀具同步進(jìn)行加工的一種加工技術(shù)。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(gè)拋光磨輪沿OO′呈徑向?qū)ΨQ分布,在拋光加工過程中,各磨輪位置、姿態(tài)沿OO′成徑向?qū)ΨQ并且保持同步,在同一工位上同步對(duì)工件曲面拋光。多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械加工技術(shù)是指在工作臺(tái)上分布多個(gè)工位,在各個(gè)工位上分別采用單個(gè)刀具對(duì)工件同步進(jìn)行加工的技術(shù)。以多工位多工具聯(lián)動(dòng)拋光加工為例,如圖2所示。三個(gè)工位和相對(duì)應(yīng)的三個(gè)拋光輪呈圓周鏡像對(duì)稱分布,加工時(shí)各工件的姿態(tài)同步調(diào)整,拋光輪在三個(gè)工位上對(duì)工件進(jìn)行同步拋光。2.2單工件多工具和多工磨具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械拋光的關(guān)鍵技術(shù)單工位多工具和多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)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(diǎn)。能大幅提高回轉(zhuǎn)特征和徑向?qū)ΨQ分布特征曲面工件的加工效率,多工具同時(shí)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?qū)ΨQ特性,拋光加工時(shí)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(jìn)行分片,每臺(tái)多工具拋光機(jī)床采用一種專用磨具,只針對(duì)工件的一個(gè)特征分片區(qū)域拋光加工。多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械拋光具有高效、易控制、適應(yīng)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。此種加工方式一次能加工多個(gè)工件,加工效率可以大幅度提高,多個(gè)工位同時(shí)進(jìn)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(duì)稱分布,只要規(guī)劃單個(gè)磨具的刀具軌跡即可實(shí)現(xiàn)多工磨具和工件同步運(yùn)動(dòng);單臺(tái)機(jī)床能同時(shí)加工多個(gè)工件,操作簡(jiǎn)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(dòng)控制機(jī)械拋光的關(guān)鍵技術(shù):(1)多工具同步拋光加工機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。普通的數(shù)控機(jī)床,主要是針對(duì)單個(gè)工件進(jìn)行加工的,增加一個(gè)工具或者一個(gè)工位,其結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜程度明顯提高,這就要求設(shè)計(jì)者合理設(shè)計(jì),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(duì)稱特性要求較高,使得機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較大程度受磨具工作空間限制,在機(jī)床結(jié)構(gòu)選擇、各軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置都需要重點(diǎn)考慮。(2)多工具同步姿態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。多工具的同步協(xié)調(diào)性是保證加工質(zhì)量的重要因素,需要每個(gè)工具的姿態(tài)同步。但是機(jī)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(shè)計(jì)相應(yīng)的位姿調(diào)節(jié)補(bǔ)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(diào)整裝置的設(shè)計(jì)。對(duì)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)等姿態(tài)變化運(yùn)動(dòng)。工位姿態(tài)調(diào)整主要包括工件的角度和高度調(diào)整。各工位在圓形工作臺(tái)上要實(shí)現(xiàn)同步加工,要求工件具有較高的對(duì)稱性、等高性和同步性,需設(shè)計(jì)調(diào)整靈活、精確的裝置實(shí)現(xiàn)這一目的。3工程應(yīng)用3.1多工具拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)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(wú)過拋?zhàn)冃?表面粗糙度達(dá)到一定的值。但由于輪轂待加工表面粗糙度大、形狀復(fù)雜、多樣且對(duì)加工效率有較高的要求等,國(guó)內(nèi)輪轂和電水壺生產(chǎn)企業(yè)普遍依賴熟練工人拋光。針對(duì)鋁合金汽車輪轂表面特性,采用單工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)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(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖,該機(jī)床為立式結(jié)構(gòu),由上下兩部分組成。上部為多工具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),三組磨具繞Z0軸徑向均布,各磨具可同步徑向移動(dòng)(設(shè)為X軸),在各刀具坐標(biāo)系X1Y1Z1中(刀具坐標(biāo)系固定在各磨具架上),各磨具可同步繞X1軸擺動(dòng)(設(shè)為A1軸)和繞Z1軸轉(zhuǎn)動(dòng)(設(shè)為A2軸),以適應(yīng)工件曲面曲率變化;下部為單工位工作臺(tái)運(yùn)行機(jī)構(gòu),工件裝夾在工作臺(tái)上,在機(jī)床坐標(biāo)系X0Y0Z0中,工作臺(tái)可沿Z0軸升降(設(shè)為Z軸)及繞Z0轉(zhuǎn)動(dòng)(設(shè)為A0軸)。該拋光機(jī)采用三組拋光磨頭同時(shí)對(duì)輪轂拋光,實(shí)踐證明,拋光效率較手工拋光至少提高了三倍以上。拋光時(shí),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(lǐng)域的機(jī)械拋光機(jī)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(dá)到精飾外觀的目的。但是由于在電水壺機(jī)械拋光中,存在材料難拋光,形狀復(fù)雜多樣,表面拋光質(zhì)量和效率要求高等難題,目前市場(chǎng)上的電熱水壺機(jī)械拋光機(jī)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(zhì)量不穩(wěn)定,加工效率低等問題,嚴(yán)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(dòng)化機(jī)械拋光機(jī)床。多工位多工具電熱水壺機(jī)械拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖4所示。機(jī)床為雙層立式結(jié)構(gòu),采用了多工位多工具聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械拋光技術(shù),可在對(duì)稱分布的三個(gè)工位上對(duì)電熱水壺進(jìn)行同步拋光。該拋光機(jī)為4軸結(jié)構(gòu),每軸由步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。上部為磨具的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),各磨具均可徑向(x)同步移動(dòng)。為補(bǔ)償由加工、裝配等因素造成的各磨具徑向移動(dòng)位移產(chǎn)生的誤差,設(shè)計(jì)了磨具徑向位置微調(diào)機(jī)構(gòu)。下部為工作臺(tái),三個(gè)工位在工作臺(tái)上呈圓周鏡像稱分布,可實(shí)現(xiàn)同步升降(z)、自轉(zhuǎn)(ω)和擺動(dòng)(α)。拋光機(jī)床三個(gè)工位同時(shí)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(dòng)強(qiáng)度,降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。三個(gè)磨具和工位均是徑向?qū)ΨQ分布,只需規(guī)劃單刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡,易于控制。工作臺(tái)的高度設(shè)計(jì)適合工人操作,裝夾工件機(jī)構(gòu)采用仿形設(shè)計(jì)使得工件裝卸方便,操作簡(jiǎn)單快捷。在機(jī)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(yùn)行平穩(wěn)可靠,效益顯著目前,單工位多工具鋁輪轂曲面機(jī)械拋光機(jī)床和多工位多工具不銹鋼電水