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机床智能化主轴组的关键技术



       通过以上对智能化主轴发展现状的描述,可以对主轴组智能化发展的关键技术概括为以下几个方面:

1、智能化软件的开发

开放式、智能化是机床数控系统的发展方向,当前商业化的高端系统都具备一定的开放性,可以为客户预留一定的二次开发、功能扩展的接口,这一点可以在ACM监控系统于西门子840D上的应用得到验证。数控系统是机床的控制“中枢”,功能部件无论怎样发展,如何智能,都需要具备与数控系统交换信息的能力,否则就成了一个没有价值的“孤立”部件。前面所述主轴单元的智能诊断、误差补偿、温度监控等诸多功能的实现,都离不开一个开放的、智能化的数控系统。可见,智能化软件是智能化机床发展的需要,也是智能化功能部件的发展需要。

intelliSTEP, smartVision等智能化软件的出现,可以发现主轴单元智能化的实现也离不开“部件”层级的软件智能化。这种将智能向底层传递的结果,一方面可以减轻上层数控系统的负担,另一方面当单元作为独立的产品存在时,很大程度上方便了用户的应用,简化了用户与数控系统交互的复杂性。

2、振动的自动抑制技术

    振动会使加工精度变差、加工效率降低,严重时会损坏刀具、主轴等零部件,造成经济损失。米克郎公司的做法是规定了振动的允许限值,一旦超过某个限值加工过程就要被终止。

加拿大哥伦比亚大学Altintas教授等做的研究是首先通过实验、分析的方法建立加工系统振动模型,然后通过避开共振频率的做法来提高加工精度、保证加工效率。从主轴单元设计的角度,提高系统阻尼、优化支撑结构、提高动平衡等级等都是抑制振动的有效手段。

3、加工参数的智能优化与选择

避免切削共振的过程本身也是一个加工参数的优化选择过程,加工精度、加工效率也是参数优化的重要指标。加工参数的优化也需要尽可能完备的工艺知识库作为支撑,如刀具特性、工件材料特性、机床特性等。OMAT公司的做法则近似混人了一种类似“试切削”的做法,在工艺知识了解的基础上,通过监测主电动机功率来不断修正进给参数,达到提高加工效率的目的。

4、主轴温度的监控及热误差的补偿

    主轴单元在加工过程中,主轴电动机、轴承、刀具切削等都会产生热量,而主轴箱、冷却液、周边空气等外围环境又是热交换过程的参与因素。一方面,要控制温度的绝对值,过高的温度会诱发电动机、轴承发生故障,使主轴不能工作;另一方面,温度的升高或变化不可避免,会导致主轴热伸长产生加工误差。通常有3种常用的热误差测试补偿方法:第一种方法是在整机上对BLUM等光学非接触式或触点接触式监测系统的选用,其监测在机床换刀过程中发生,主轴处于非加工状态,因而该方法与主轴单元本身的联系不够紧密,甚至不必归结到主轴特性中;第二种方法是要在主轴法兰、或主轴外壳体中安装位移传感器,如图5所示,监测主轴的热伸长变化,相应地由机床坐标轴偏置做出误差补偿;第三种做法是在主轴单元的关键发热点布置温度传感器,如图6对沈阳机床FIDIA D165加工中心的测试,传感器的数量、位置通常都要经过优化,然后在加工过程中动态建立、修正热误差模型,最终实现热误差补偿。后两种方法因与主轴单元的设计紧密关联,并且在主轴实际加工过程中实时测试,因而更加受到主轴生产商的重视。

5、刀具状态监控与变形补偿

刀具的磨损会对加工过程产生重要影响,过早地换刀会降低加工效率、影响经济性,过迟地换刀会使加工质量恶化、产生废品;而刀具的破损会造成加工过程中断,并可能引发生产事故,因此对刀具状态的监控就显得意义重大。主轴单元是刀具负荷的直接载体,是否装人了正确的刀具、联接端口是否将刀具准确定位、拉刀机构是否将刀具充分拉紧,这些都是刀具进行工作的先决条件,在切削T作开始前就应得到保障。在刀具切削过程中,如何发现反映刀具状态变化的监测量是研究的热点。OMAT公司的做法是监测主轴电动机功率的变化,也有很多学者做了其他监测方法的研究,比如直接监测主轴电动机电流和进给电动机电流的方法、这些方法都在实践、试验过程中得到了验证。 

刀具变形的补偿工作首先就是要检测或预测到变形量的大小,然后将其分解为数控机床各进给轴或补偿机构的补偿量。首先预知切削力的大小,再根据刀具系统刚度计算变形量是有效的手段之一。刀具变形的补偿与由切削力引起的其他误差的补偿综合加以考虑,将更具实际意义。

6、故障自诊断与寿命预测

智能化主轴单元的故障自诊断需要现代传感技术、信息融合技术、信号处理技术、神经网络技术、专家数据库技术等多学科的交叉应用,对主轴的运转状态要有预测、实时诊断、故障分析处理、故障信息存储等多方面的能力,并可告知操作者剩余的使用寿命。这将极大地促进生产效率的提高,提高经济性。

    其他一些智能化技术,因应用范围有限,比如自适应动平衡技术多用于磨床主轴单元或因可以涵盖在已经归纳的范畴,比如润滑量自动调节技术、冷却系统智能控制技术等可归结为热误差补偿、轴承状态监测,这里不再一一列举。由

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