在普通數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上，過去的數(shù)控機(jī)床主要沿精密/超精密數(shù)控機(jī)床和高速加工機(jī)床兩條軌跡發(fā)展。為了滿足在數(shù)控加工過程中工件材料、零件幾何形狀、精度和表面質(zhì)量等方面的新要求，并提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品本身的競爭力，從20世紀(jì)90年代中期開始，綜合了高精度和高速化兩個方面的高性能數(shù)控機(jī)床受到高度重視，進(jìn)入21世紀(jì)以來，高性能切削加工(High Performance Cutting)及其主要支撐技術(shù)——虛擬數(shù)控加工(Virtual CNC Machining)技術(shù)成為數(shù)控切削加工領(lǐng)域?qū)W者和工程師們關(guān)注的新熱點(diǎn)。
虛擬數(shù)控加工技術(shù)成高性能數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的新熱點(diǎn)
國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)分別于2004年、2006年召開了第一、二屆高性能切削國際會議，就高性能切削加工技術(shù)及裝備涉及的機(jī)床動力學(xué)建模、控制、CAM、切削理論、銑削/鉆削/磨削、微切削等方向進(jìn)行了研討，國內(nèi)舉行的先進(jìn)制造技術(shù)方面的重要會議也已將高性能數(shù)控機(jī)床及加工工藝技術(shù)列為主題之一，可以說，高性能數(shù)控機(jī)床研發(fā)及其支持技術(shù)研究應(yīng)用已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一個新趨勢。
本文結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)資料和作者及其團(tuán)隊(duì)的部分研究工作，重點(diǎn)介紹和討論高性能數(shù)控加工裝備與技術(shù)的要求、高性能數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用、虛擬數(shù)控加工技術(shù)以及面向零件工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真方法研究等內(nèi)容。
高性能零件加工對數(shù)控切削加工裝備與技術(shù)的要求
現(xiàn)代裝備及產(chǎn)品中的高性能零件的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
零件結(jié)構(gòu)種類多樣，如汽車及發(fā)動機(jī)的箱體、缸體/缸蓋、盤、軸等零件，飛機(jī)壁板、梁、框、肋、緣條、長桁和接頭及骨架等結(jié)構(gòu)零件，航空發(fā)動機(jī)的葉片/葉盤/葉輪、機(jī)匣、盤環(huán)件等。此外，由于高性能、輕量化和高可靠性的設(shè)計要求，采用整體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的零件比例大大增加，因此零件幾何尺寸大、型面復(fù)雜、工藝特征多、壁厚小。
（2）材料特點(diǎn)
金屬材料零件是數(shù)控加工的主要對象，各種鋼、鋁合金等占有很大比例，鈦合金、高溫合金也有一定比例，金屬材料毛坯可以由鑄造、鍛造、預(yù)拉伸、軋制等多種工藝制成，此外，非金屬材料零件(主要是復(fù)合材料和光學(xué)硬脆性材料)的數(shù)控加工量也呈現(xiàn)增加的趨勢。
（3）工藝特點(diǎn)
由于材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的特點(diǎn)，高性能零件數(shù)控切削加工過程中呈現(xiàn)出加工精度要求高、切削加工過程材料去除量大、加工變形控制難度大等特點(diǎn)，對加工質(zhì)量、變形控制和加工效率提出了很高的要求。另外，現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展還要保證零件加工過程滿足日益嚴(yán)格的環(huán)境友好方面的要求。
在高性能數(shù)控切削加工中，高性能數(shù)控機(jī)床、高性能切削刀具、高性能數(shù)控編程與仿真系統(tǒng)(虛擬數(shù)控加工技術(shù))、切削參數(shù)和工藝優(yōu)化技術(shù)及工具等是其關(guān)鍵的支撐技術(shù)。限于篇幅，本文討論的重點(diǎn)放在高性能數(shù)控機(jī)床與虛擬數(shù)控加工技術(shù)。
高性能產(chǎn)品零件的材料、結(jié)構(gòu)和工藝的特點(diǎn)，對加工質(zhì)量、效率、成本以及環(huán)保等方面提出了更高的要求，高性能切削就是滿足上述要求而提出的一個新的理念。所謂高性能切削加工是指在數(shù)控切削加工過程中，全面考慮機(jī)床、刀具、工件、編程、加工工藝和參數(shù)等因素及其相互作用，采用幾何仿真、力學(xué)仿真的方法，通過對“機(jī)床--零件--刀具”工藝系統(tǒng)特性、數(shù)控程編、切削參數(shù)、走刀路徑等的分析，對切削加工過程進(jìn)行綜合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本及綠色的數(shù)控加工。
高性能數(shù)控機(jī)床研究與應(yīng)用
1、高性能數(shù)控機(jī)床的主要特點(diǎn)
為滿足高性能數(shù)控切削加工的要求，高性能數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備如下主要特點(diǎn)：
(1)高速主軸
最大主軸轉(zhuǎn)速高于12000r/min，可高達(dá)42000r/min甚至更高，同時，主軸還應(yīng)提供足夠的功率和扭矩。高速主軸配合使用高性能刀具系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高速切削加工，如飛機(jī)大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速數(shù)控加工中，切削線速度一般達(dá)1000～4000m/min，最高切削線速度可達(dá)5000m/min以上，同時，高主軸轉(zhuǎn)速使切削時的每齒進(jìn)給量減小，從而減小了刀齒上的切削負(fù)荷。
(2)多軸聯(lián)動
一般為四軸或五軸的多軸聯(lián)動，或在五軸聯(lián)動控制基礎(chǔ)上還可以實(shí)現(xiàn)更多軸的控制以及實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工聯(lián)動控制。引入A/B、A/C坐標(biāo)的多軸聯(lián)動可方便地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)和型面的加工問題，如葉片、復(fù)雜型腔、泵體、多面體等的加工；在多軸聯(lián)動基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的復(fù)合數(shù)控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時間，提高機(jī)床加工效率。
(3)高動態(tài)響應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)
直線進(jìn)給軸速度可達(dá)30～60m/min或更高，新型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給加速度可達(dá)到1～2g，小型的數(shù)控機(jī)床可達(dá)更高。高性能數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)驅(qū)動的直線軸運(yùn)動和力矩電機(jī)驅(qū)動的擺動軸運(yùn)動，可大大簡化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所謂“零傳動”，并在軸運(yùn)動控制器中對速度、加速度和加速度變化率的控制曲線(Profile)進(jìn)行優(yōu)化，從而抑制運(yùn)動過程中的諧振，獲得非常高的動態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面、型腔加工過程中頻繁加減速條件下的高速進(jìn)給。
(4)高剛度
主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度以及熱穩(wěn)定性。足夠高的靜態(tài)剛度可以抵抗由于機(jī)床零部件重力和零件加工時的切削力引起的機(jī)床變形，保證刀具與工件在切削過程中的靜態(tài)位移；優(yōu)良的動態(tài)特性可防止和減小切削過程中由于動態(tài)切削過程產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動和自激振動，以滿足刀具與工件在切削過程中的動態(tài)位移要求；良好的熱穩(wěn)定性使得機(jī)床在加工過程中受到切削熱、環(huán)境溫度變化等作用時，熱變形盡量小。最終，機(jī)床高靜動態(tài)剛度和熱穩(wěn)定性將使零件切削加工獲得好的表面質(zhì)量和高的切削效率。
(5)高精度
直線軸定位精度在微米(μm)數(shù)量級，并可實(shí)現(xiàn)更高的位置精度。由于進(jìn)給伺服中采用直線電機(jī)驅(qū)動、高精度高剛度運(yùn)動部件構(gòu)成的運(yùn)動控制系統(tǒng)，并考慮進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)電耦合作用，采用全閉環(huán)反饋控制、PID+前饋控制，甚至更復(fù)雜、先進(jìn)控制算法的數(shù)字伺服控制以及補(bǔ)償控制，數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸運(yùn)動平穩(wěn)性和運(yùn)動精度進(jìn)一步提高。
(6)智能化
智能化是新一代數(shù)控機(jī)床的重要特征。智能化主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是機(jī)床控制的智能化，如在機(jī)床軸運(yùn)動控制上引入前饋控制、預(yù)測控制、魯棒控制等先進(jìn)控制策略，在加工過程控制上引入自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制等；另一方面是將專家系統(tǒng)、自動檢測及自動補(bǔ)償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動編程與仿真、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、刀具自動管理及補(bǔ)償、機(jī)床熱變形/振動監(jiān)測與補(bǔ)償?shù)裙δ?，使?shù)控機(jī)床具有更多的“智能”，提高數(shù)控系統(tǒng)的控制性能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床和加工過程的智能化、最優(yōu)化控制。
虛擬數(shù)控機(jī)床與虛擬加工技術(shù)
1、虛擬數(shù)控機(jī)床
在國際生產(chǎn)工程學(xué)會2005年的會議上，Y.Altintas、C.Brecher、M.Weck、S.Witt等制造技術(shù)領(lǐng)域知名學(xué)者聯(lián)合發(fā)表了論文《VirtualMachineTool》，對虛擬機(jī)床技術(shù)、研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)進(jìn)行了全面的論述。
虛擬機(jī)床VMT(VirtualMachineTool)是實(shí)際機(jī)床產(chǎn)品的計算機(jī)仿真模型，也稱為機(jī)床的虛擬樣機(jī)，它可以用來像真實(shí)的機(jī)床一樣進(jìn)行演示、分析和測試。在設(shè)計過程，可反復(fù)改變機(jī)床虛擬模型，并仿真驗(yàn)證各種設(shè)計，直到機(jī)床性能滿足要求。這種虛擬機(jī)床技術(shù)可以大大縮短機(jī)床產(chǎn)品開發(fā)周期，顯著降低開發(fā)成本。
采用虛擬樣機(jī)技術(shù)開發(fā)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的集成開發(fā)環(huán)境主要包括：
● 機(jī)床結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化；
● 機(jī)床零件的有限元計算；
● 性能仿真匹配和測試。
● 柔性多體耦合仿真；
● 3D計算機(jī)輔助設(shè)計和運(yùn)動學(xué)優(yōu)化驗(yàn)；
VMT是數(shù)控機(jī)床分析仿真和設(shè)計優(yōu)化的有力工具，當(dāng)前VMT研究中需要解決的關(guān)鍵問題有：
● 機(jī)械零件結(jié)合面動態(tài)特性分析與計算方法；
● “剛性體+柔性體”耦合建模與分析方法；
● “機(jī)械結(jié)構(gòu)--伺服系統(tǒng)--切削過程”耦合建模與分析方法；
● “機(jī)械結(jié)構(gòu)+伺服系統(tǒng)”耦合的機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)特性建模與分析；
● 基于3D實(shí)體模型的性能樣機(jī)建模與分析方法。
2、虛擬數(shù)控加工
在實(shí)際零件加工之前，在虛擬環(huán)境中考慮機(jī)床運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、數(shù)控系統(tǒng)、空間精度、切削力、主軸轉(zhuǎn)矩/功率、加工誤差等，實(shí)現(xiàn)對加工過程的仿真和優(yōu)化，從而可以正確、經(jīng)濟(jì)和高效地加工出首件合格零件。虛擬加工的本質(zhì)可以認(rèn)為是對數(shù)控加工過程進(jìn)行幾何仿真和力學(xué)仿真，并在兩個仿真的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)控加工切削參數(shù)和過程。CAM仿真軟件、虛擬機(jī)床和切削過程動力學(xué)是虛擬加工的重要支持工具。
● 機(jī)床結(jié)構(gòu)特性仿真：機(jī)床結(jié)構(gòu)動力學(xué)、靜力學(xué)和整體性能(整機(jī)進(jìn)給和主軸驅(qū)動)仿真；
● NC程序幾何仿真：主要解決刀具干涉、碰撞檢查、NC編程錯誤導(dǎo)致的尺寸路徑誤差等，也可從幾何運(yùn)動方面進(jìn)行NC程序的部分優(yōu)化；
● 加工過程優(yōu)化：對各種不同切削條件下的切削力、轉(zhuǎn)矩、功率、振動、生成表面等進(jìn)行計算和仿真，經(jīng)過迭代比較進(jìn)行切削參數(shù)和加工工藝的優(yōu)化。采用CAM仿真軟件對NC程序進(jìn)行走刀軌跡仿真校驗(yàn)、干涉校驗(yàn)等的幾何仿真軟件已商品化，并在國內(nèi)制造企業(yè)大量應(yīng)用。當(dāng)前，虛擬數(shù)控加工研究的重點(diǎn)是對切削過程中“機(jī)床+工件+工藝(切削過程)”系統(tǒng)中的力學(xué)仿真問題。
● 加工動力學(xué)仿真：考慮機(jī)床動力學(xué)和切削過程擾動情況下軌跡生成、插補(bǔ)、進(jìn)給等仿真；
3、面向工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真研究
為了進(jìn)一步適應(yīng)實(shí)際數(shù)控加工過程中零件結(jié)構(gòu)、工藝特征的多樣性，在解決銑削過程動力學(xué)仿真的基本問題后，我們進(jìn)一步開展了面向加工工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學(xué)仿真，主要目標(biāo)是面向零件加工幾何特征(如側(cè)壁、深腔、拐角等)和不同走刀方(如直線、圓、螺旋線、擺線等)，考慮數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性和工件材料特性，在不同的切削參數(shù)條件下，進(jìn)行數(shù)控加工過程切削力、主軸轉(zhuǎn)矩/功率、加工振動、刀具變形/工件變形、表面形貌等計算和仿真，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)和加工過程優(yōu)化，并可為虛擬數(shù)控機(jī)床和虛擬數(shù)控加工過程提供力學(xué)仿真方法和數(shù)據(jù)支持。
例如銑削加工常見的幾何特征之一——直角拐角等切深側(cè)銑加工時進(jìn)行力學(xué)仿真，給定刀具幾何參數(shù)、銑削方式、銑削用量、切削力系數(shù)、刀具模態(tài)等參數(shù)后，經(jīng)仿真計算可以得到各向切削力、切屑厚度、主軸轉(zhuǎn)矩/功率、穩(wěn)定性曲線等。
對數(shù)控加工切削過程進(jìn)行力學(xué)仿真，是虛擬機(jī)床和虛擬數(shù)控加工的基礎(chǔ)。作者領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了“數(shù)控銑削加工動力學(xué)仿真系統(tǒng)(SimuCut)”和“數(shù)控加工動力學(xué)特性測試與分析系統(tǒng)(DynaCut)”，目前已應(yīng)用于40多個航空、航天、船舶、電子、兵器等軍工行業(yè)的數(shù)控加工車間，為銑削加工切削參數(shù)快速優(yōu)化、提高機(jī)床切削加工效率提供了一條新思路和一套快捷方法及工具，在國防科技工業(yè)千臺數(shù)控機(jī)床增效工程中，對單臺機(jī)床的提速增效已取得了明顯成效。
高性能數(shù)控機(jī)床研發(fā)及其支持技術(shù)已成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一個重要趨勢，將對提高航空、航天、汽車、模具等高性能零件的數(shù)控加工質(zhì)量、效率產(chǎn)生重要作用。虛擬機(jī)床技術(shù)為縮短新型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)成本提供了一個新的途徑。但VMT不只是一個虛擬功能樣機(jī)，更不是一個簡單的3D模型，采用現(xiàn)有的CAD、CAE軟件還難以直接完成建模與分析，其中最關(guān)鍵是需解決機(jī)床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)或零部件之間，及其與切削過程動態(tài)之間的耦合關(guān)系。虛擬數(shù)控加工技術(shù)將為虛擬機(jī)床建模分析、切削參數(shù)優(yōu)化、切削過程優(yōu)化等提供重要的基礎(chǔ)方法和基本數(shù)據(jù)。
為專業(yè)銷售和維護(hù)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)，專業(yè)代理國際頂尖品牌數(shù)控機(jī)床臺灣亞崴龍門、臺灣程泰車床、意大利PROMAC五軸機(jī)等產(chǎn)品。廣泛服務(wù)于航空航天、汽車、重型機(jī)械、油田、軌道交通、太陽能、風(fēng)機(jī)生產(chǎn)及通用加工等行業(yè)。
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