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《一种可配置的多主轴数控系统研究与开发》

  • 来源专题：数控机床与工业机器人
  • 编译者： 杨芳
  • 发布时间：2015-03-10

  • 在现有数控技术中，最常用的是单主轴的多轴联动数控系统。这种数控系统一般一次只能装夹加工一个工件。而在某些应用场合，需要进行工件的批量加工，单台数控机床的加工效率难以满足需要。尽管可以在单一主轴架上夹装多个主轴头，但因装配误差以及刀具长短不一，同时加工同一种工件时，为保证加工工件的一致性，在机床装配和刀具调整上将花费大量人力物力，使用很不方便；在另一些应用场合，对于同一工件，往往需要一次装夹后采用多把刀具多道工序轮动复合加工完成，每道工序只用其中一把刀具加工。

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  • 《面向数控系统的铣削加工仿真设计与实现 》
    • 来源专题：数控机床——前沿技术
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2016-06-28
    • 0 引言 　　随着先进制造技术的快速发展，数控系统在工业各个领域得到广泛的应用[1]。传统的数控机床在实际加工之前，一般采用试切法对数控程序代码进行验证[2]，以免发生干涉或碰刀，这种校验方法不仅浪费材料，而且还耗费大量时间，显然不能满足现代制造业的发展需求。随着科学技术的发展，产品生产周期越来越短，产品开发与制造时间的长短必将影响企业在市场中的竞争力[3]，在这种背景下，先进制造业领域采用虚拟制造技术对数控加工进行仿真加工尤为重要，不仅有效降低产品报废率，而且还有效地缩短产品的生产周期。 　　杨勇[4]在模具数控加工时采用仿真技术模拟模具加工过程。陈蕊蕊等[5]采用一种高效的车削加工仿真算法对数控车削加工进行仿真。魏胜利等[6]对开放式数控系统中的加工过程进行仿真研究。王占礼等[7]对薄壁零件数控加工物理仿真技术研究发展状况进行分析，并提出薄壁零件数控加工物理仿真研究的问题及其发展方向。周玉昕等[8]对复杂工件仿真的实时绘制算法进行研究。滕凯[9]对数控车削仿真加工进行建模。王明海等[10]对刀具轨迹的扭曲薄壁件加工进行仿真。唐秋华等[11]对三自由度数控车削加工进行建模与仿真。董国栋等[12]运用OpenGL 对数控加工仿真算法进行研究。上述研究工作虽然取得了一系列的研究成果，在一定程度上改善了数控加工状态，但是这些研究工作是在CAM 层面上的加工仿真，是针对CAM模块生成的数控代码进行仿真，其仿真轨迹与数控系统插补器生成的实际刀具运动轨迹并不重合，因此不能真实地反映刀具实际的运动轨迹，同时也不能与数控系统形成无缝结合。 　　本文针对数控系统铣削加工过程进行仿真设计与开发，数控加工代码通过数控系统的程序解释模块和插补模块，生成实际加工轨迹数据，设计过程是针对实际生成的加工轨迹数据进行仿真，从而保证仿真过程的有效性和实用性。 　　 1 、仿真结构设计 　　 为满足数控铣削加工在线测检的需要，仿真功能主要由仿真过程、图形操作和图形变换等三个部分组成，如图1 所示。仿真过程包括仿真加工、仿真暂停和仿真停止; 图形操作包括图形放大、图形缩小、图形平移、图形居中和图形最佳; 视图变换包括轴测投影和正投影两个部分，轴测投影包括东南正等测投影、东北正等测投影、西南正等测投影和西北正等测投影，正投影包括主视图、俯视图、侧视图和普通视图。 　　仿真功能设计主要实现动态铣削仿真加工过程和静态观测局部具体细节等功能，例如仿真过程若发生意外情况，如发生干涉等问题，可以通过仿真暂停/停止按钮使仿真过程暂停/停止下来，通过图形操作或者图形变换功能对仿真图形进行缩放或变换视图等相应的操作，以便更好地观测发生干涉位置局部的具体情况。 　　图1 数控系统仿真结构设计 　　 2 、仿真设计实现 　　 2. 1 图形操作 　　图形操作包括图形放大、图形缩小、图形平移、图形居中和图形最佳等功能，在图形变换过程中图形缩放所采用的坐标变换矩阵为: 　　式中x、y、z 为图形缩放前点的坐标值，x' 、y' 和z' 表示为图形缩放后点的坐标值，当s > 1 时，图形全比例缩小，当0 < s < 1 时，图形全比例放大。图形平移所采用的坐标变换矩阵为: 　　式中l 为x 方向移动的距离，m 为y 方向移动的距离，为z 方向移动的距离。 　　图形居中的变换原理和图形平移的变换原理是一样的，在某种意义上是图形平移的一个特例，根据图形当前点的位置坐标和设备屏幕中点坐标，分别确定式 　　( 2) 中l、m 和n 值。 　　2. 2 图形变换 　　图形变换包括轴测投影和正投影两个部分，轴测投影采用正等测投影。东南正等测投影、东北正等测投影、西南正等测投影、西北正等测投影均是在XOY平面上变换，即x、y 轴的坐标发生变化。z 轴坐标并没有改变。因此它只有两个变量。其变换表达式表示为: 　　图形变换前的点的x、y 和z 轴的坐标值，A、B、P、C、D、Q 为相应的投影变换系数，M 是x 轴的移动量，N 是y 轴的移动量，各种变换系数具体值如下: 　　( a) 东南正等测投影: A = - 0. 707，B = - 0. 707，C = - 0. 408，D = - 0. 408，P = 0，Q = 0. 816。( b) 东北正等测投影: A = - 0. 707，B = 0. 707，C =0. 408，D = 0. 408，P = 0，Q = 0. 816。( c) 西南正等测投影: A = 0. 707，B = - 0. 707，C =- 0. 408，D = - 0. 816，P = 0，Q = 0. 816。 　　( d) 西北正等测投影: A = 0. 707，B = 0. 707，C =0. 408，D = - 0. 408，P = 0，Q = 0. 816。主视图坐标变换表达式为: 　　2. 3 算法实现过程 　　为了使所开发的数控系统具有良好的人机界面，以Windows 7 为操作系统，采用“PC + DSP”的开放式结构。PC 机与DSP 之间通过PCI 总线进行数据交换和通信。数控系统主要包括程序控制、手动控制、手工编程、参数管理、辅助管理、网络控制、PLC 编程等几个部分。程序控制主要由加工仿真、开始加工、暂停加工、停止加工、急停和实时轨迹显示和坐标显示等几部分组成。因此数控加工仿真作为数控系统中的一个子系统，采用并行计算和多线程技术可以充分利用计算机资源。上位机程序以Visual C++ 6. 0 为开发平台，采用动态链接库( DLL) 方式和多线程技术进行编程，可以丰富数控系统的功能，同时方便大型软件团队合作开发，有效地缩短产品的开发周期。 　　刀具加工轨迹的动态实现是仿真过程中的一个关键的核心问题，利用双缓冲技术，采用空间换取时间和功能分块的设计思想，实现刀具加工轨迹的动态显示，其中一个缓存区执行图形的绘制命令，另一个缓存区执行图像的显示功能，这样可实现动态显示过程的连续性和真实性，以避免屏幕发生闪烁。 　　 3 、仿真实例 　　以数控系统铣削仿真加工鼠标曲面为例，通过图形仿真按钮启动仿真加工程序，仿真结果如图2 所示，在仿真过程中通过暂停仿真/停止仿真按钮可以对仿真实现暂停/停止操作，通过速度进度条控件调节仿真加工速度的大小，另外，通过图像放大/图形缩小按钮实现仿真加工图形的放大/缩小。为了保持良好的人机界面，图形变换和图形操作的其余的功能通过点击鼠标右键进行相应的操作。 　　图2 数控系统铣削加工仿真 　　通过点击鼠标右键进行相应的操作得到各种相应的图形变换，如图3 所示，当操作正等测投影图形变换时，得到的东南正等测投影、东北正等测投影、西南正等测投影、西北正等测投影图，结果如图4 所示。当操作正投影图形变换时，得到的主视图、俯视图、侧视图，结果如图5 所示。 　　图3 图形变换控制方式 　　图4 数控铣削加工仿真轴测投影 　　图5 数控铣削加工仿真正投影 　　4 、结论 　　针对基于PC 的数控系统铣削加工过程进行仿真与设计。以输出的实际加工轨迹为仿真数据，仿真功能主要由仿真过程、图形操作和视图变换三个部分组成。以Visual C++ 6. 0 为开发平台，采用动态链接库( DLL) 方式和多线程技术进行软件开发，并通过仿真实验进行验证，结果表明该仿真方法对数控铣削加工动态过程能够进行有效的校核，通过图形操作和图形变换能够观其测局部放大的细节，从而有效地保证数控加工仿真过程的有效性和实用性。
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  • 《使用AI预测数控机床主轴问题》
    • 来源专题：数控机床——前沿技术
    • 编译者：icad
    • 发布时间：2019-07-16
    • 人工智能（AI）有望实现真正的工业设备预测性维护。 我去年写的一个例子是Cosen Saws的基于云的预测维护应用程序，该应用程序不仅可以监控公司数控锯刀片的寿命，而且可以在故障发生之前预测刀片故障。 一个类似的例子是Mazak的基于AI的主轴健康监测系统（SHMS），它目前是其HCN卧式加工中心（HMC）的一个选项。 这两个系统都是与辛辛那提大学的工业AI中心（以前称为智能维护系统中心）共同开发的。 现在，工业AI中心由辛辛那提大学（UC），密歇根大学和密苏里科技大学组成。自2001年以来，该中心与100多个国际组织合作开展了100多个项目，包括丰田，波音，博世，卡特彼勒，通用电气航空，固特异，哈雷戴维森和西门子。其目标是消除工业设备意外故障的风险。 Mazak的SHMS旨在使车间能够在主轴或主轴轴承损坏发生之前很长时间内采取主轴维护措施，从而最大限度地减少停机时间并使任何维护任务更加方便。 Mazak的流程开发协调员Joe Sanders表示，公司基于AI的系统与其他主轴监控技术之间的关键区别在于SHMS不是基于阈值数据。这将是当检测到特定的主轴振动频率时将发送警报的情况，该特定的主轴振动频率将表明已经或很快将发生损坏。相反，他说SHMS可以在发生前几个月发现问题，提供时间安排主轴维修或在最方便的时候进行更换。 在历时一年的大泛围主轴破坏性测试得出的数据基础上，SHMS的AI建立了其主轴神经网络自组织图。主轴特定的特征可以区分良好振动与不良振动之间的差异。算法预测了主轴在一段时间内显示剩余使用寿命时如何随着时间的推移而降级（除非发生崩溃）。 “这不同于估计主轴寿命的时间表，因为我们不知道机器是否会用于轻型工作，起伏切割，24*7操作或任何其他可能的情况，”桑德斯先生解释说。 SHMS的主要组件包括振动和电流传感器，数据采集模块和处理SHMS算法的工业计算机。安装后，一小时的建模测试会映射特定主轴的操作特征。之后，用户可以执行定期的60秒测试，将数据与主轴模型进行比较。当周期时间足够长时，桑德斯先生建议在每个部件完成后进行测试。然而，他指出，对于周期时间相对较短的零件来说，这可能不是必需的。 SHMS可作为配备该公司Smooth CNC的Mazak HCN机器的选件，也可作为Matrix CNC机器的改造。 （系统的图形用户界面目前正在改进中。） 该公司很快计划提供滚珠丝杠预测监测作为SHMS选项的一部分。事实上，工业人工智能中心已经收集数据，为滚珠丝杠开发预测磨损算法已有一段时间了。下一个目标是创建一种有效的SHMS技术，该技术将持续监控主轴健康状况并消除60秒测试的需要。桑德斯说，这种主动系统还能够检测刀具磨损并自动减少切削参数，以防止破损。 SHMS将于去年9月在国际制造技术展（IMTS）上展出，将于10月在其位于肯塔基州佛罗伦萨的总部举办的Discover活动中正式推出。
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