在普通數(shù)控機床基礎(chǔ)上，過去的數(shù)控機床主要沿精密/超精密數(shù)控機床和高速加工機床兩條軌跡發(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)控機床產(chǎn)品本身的競爭力，從20世紀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)控機床受到高度重視，進入21世紀以來，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。
虛擬數(shù)控加工技術(shù)成高性能數(shù)控機床領(lǐng)域的新熱點
國際生產(chǎn)工程學會(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)及裝備涉及的機床動力學建模、控制、CAM、切削理論、銑削/鉆削/磨削、微切削等方向進行了研討，國內(nèi)舉行的先進制造技術(shù)方面的重要會議也已將高性能數(shù)控機床及加工工藝技術(shù)列為主題之一，可以說，高性能數(shù)控機床研發(fā)及其支持技術(shù)研究應用已成為數(shù)控機床發(fā)展的一個新趨勢。
本文結(jié)合國內(nèi)外文獻資料和作者及其團隊的部分研究工作，重點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)控機床關(guān)鍵技術(shù)的研究與應用、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體現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）結(jié)構(gòu)特點
零件結(jié)構(gòu)種類多樣，如汽車及發(fā)動機的箱體、缸體/缸蓋、盤、軸等零件，飛機壁板、梁、框、肋、緣條、長桁和接頭及骨架等結(jié)構(gòu)零件，航空發(fā)動機的葉片/葉盤/葉輪、機匣、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、型面復雜、工藝特征多、壁厚小。
（2）材料特點
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、預拉伸、軋制等多種工藝制成，此外，非金屬材料零件(主要是復合材料和光學硬脆性材料)的數(shù)控加工量也呈現(xiàn)增加的趨勢。
（3）工藝特點
由于材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計上的特點，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，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，本文討論的重點放在高性能數(shù)控機床與虛擬數(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，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、力學仿真的方法，通過對“機床--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，對切削加工過程進行綜合優(yōu)化，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本及綠色的數(shù)控加工。
高性能數(shù)控機床研究與應用
1、高性能數(shù)控機床的主要特點
為滿足高性能數(shù)控切削加工的要求，高性能數(shù)控機床應具備如下主要特點：
(1)高速主軸
最大主軸轉(zhuǎn)速高于12000r/min，可高達42000r/min甚至更高，同時，主軸還應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)，可以實現(xiàn)高速切削加工，如飛機大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的高速數(shù)控加工中，切削線速度一般達1000～4000m/min，最高切削線速度可達5000m/min以上，同時，高主軸轉(zhuǎn)速使切削時的每齒進給量減小，從而減小了刀齒上的切削負荷。
(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)上還可以實現(xiàn)更多軸的控制以及實現(xiàn)復合加工聯(lián)動控制。引入A/B、A/C坐標的多軸聯(lián)動可方便地解決復雜結(jié)構(gòu)和型面的加工問題，如葉片、復雜型腔、泵體、多面體等的加工；在多軸聯(lián)動基礎(chǔ)上實現(xiàn)的復合數(shù)控加工可以大大縮短工件定位裝夾等輔助工作時間，提高機床加工效率。
(3)高動態(tài)響應的進給系統(tǒng)
直線進給軸速度可達30～60m/min或更高，新型數(shù)控機床的進給加速度可達到1～2g，小型的數(shù)控機床可達更高。高性能數(shù)控機床采用直線電機驅(qū)動的直線軸運動和力矩電機驅(qū)動的擺動軸運動，可大大簡化機械傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所謂“零傳動”，并在軸運動控制器中對速度、加速度和加速度變化率的控制曲線(Profile)進行優(yōu)化，從而抑制運動過程中的諧振，獲得非常高的動態(tài)響應特性，實現(xiàn)復雜型面、型腔加工過程中頻繁加減速條件下的高速進給。
(4)高剛度
主軸系統(tǒng)、進給系統(tǒng)和機床結(jié)構(gòu)應具有良好的靜態(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床零部件重力和零件加工時的切削力引起的機床變形，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，并可實現(xiàn)更高的位置精度。由于進給伺服中采用直線電機驅(qū)動、高精度高剛度運動部件構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)，并考慮進給系統(tǒng)中的機電耦合作用，采用全閉環(huán)反饋控制、PID+前饋控制，甚至更復雜、先進控制算法的數(shù)字伺服控制以及補償控制，數(shù)控機床的坐標軸運動平穩(wěn)性和運動精度進一步提高。
(6)智能化
智能化是新一代數(shù)控機床的重要特征。智能化主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是機床控制的智能化，如在機床軸運動控制上引入前饋控制、預測控制、魯棒控制等先進控制策略，在加工過程控制上引入自適應控制、學習控制等；另一方面是將專家系統(tǒng)、自動檢測及自動補償功能等嵌入數(shù)控系統(tǒng)，例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備自動編程與仿真、機床狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、刀具自動管理及補償、機床熱變形/振動監(jiān)測與補償?shù)裙δ埽箶?shù)控機床具有更多的“智能”，提高數(shù)控系統(tǒng)的控制性能，從而實現(xiàn)機床和加工過程的智能化、最優(yōu)化控制。
虛擬數(shù)控機床與虛擬加工技術(shù)
1、虛擬數(shù)控機床
在國際生產(chǎn)工程學會2005年的會議上，Y.Altintas、C.Brecher、M.Weck、S.Witt等制造技術(shù)領(lǐng)域知名學者聯(lián)合發(fā)表了論文《VirtualMachineTool》，對虛擬機床技術(shù)、研究進展及挑戰(zhàn)進行了全面的論述。
虛擬機床VMT(VirtualMachineTool)是實際機床產(chǎn)品的計算機仿真模型，也稱為機床的虛擬樣機，它可以用來像真實的機床一樣進行演示、分析和測試。在設(shè)計過程，可反復改變機床虛擬模型，并仿真驗證各種設(shè)計，直到機床性能滿足要求。這種虛擬機床技術(shù)可以大大縮短機床產(chǎn)品開發(fā)周期，顯著降低開發(fā)成本。
采用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)現(xiàn)代數(shù)控機床的集成開發(fā)環(huán)境主要包括：
●
機床結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化；
● 機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計算機輔助設(shè)計和運動學優(yōu)化驗；
VMT是數(shù)控機床分析仿真和設(shè)計優(yōu)化的有力工具，當前VMT研究中需要解決的關(guān)鍵問題有：
●
機械零件結(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；
●
“機械結(jié)構(gòu)--伺服系統(tǒng)--切削過程”耦合建模與分析方法；
● “機械結(jié)構(gòu)+伺服系統(tǒng)”耦合的機電系統(tǒng)動態(tài)特性建模與分析；
●
基于3D實體模型的性能樣機建模與分析方法。
2、虛擬數(shù)控加工
在實際零件加工之前，在虛擬環(huán)境中考慮機床運動學、動力學、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，實現(xiàn)對加工過程的仿真和優(yōu)化，從而可以正確、經(jīng)濟和高效地加工出首件合格零件。虛擬加工的本質(zhì)可以認為是對數(shù)控加工過程進行幾何仿真和力學仿真，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、虛擬機床和切削過程動力學是虛擬加工的重要支持工具。
●
機床結(jié)構(gòu)特性仿真：機床結(jié)構(gòu)動力學、靜力學和整體性能(整機進給和主軸驅(qū)動)仿真；
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NC程序幾何仿真：主要解決刀具干涉、碰撞檢查、NC編程錯誤導致的尺寸路徑誤差等，也可從幾何運動方面進行NC程序的部分優(yōu)化；
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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、生成表面等進行計算和仿真，經(jīng)過迭代比較進行切削參數(shù)和加工工藝的優(yōu)化。采用CAM仿真軟件對NC程序進行走刀軌跡仿真校驗、干涉校驗等的幾何仿真軟件已商品化，并在國內(nèi)制造企業(yè)大量應用。當前，虛擬數(shù)控加工研究的重點是對切削過程中“機床+工件+工藝(切削過程)”系統(tǒng)中的力學仿真問題。
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加工動力學仿真：考慮機床動力學和切削過程擾動情況下軌跡生成、插補、進給等仿真；
3、面向工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學仿真研究
為了進一步適應實際數(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仿真的基本問題后，我們進一步開展了面向加工工藝特征的虛擬數(shù)控加工力學仿真，主要目標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，實現(xiàn)切削參數(shù)和加工過程優(yōu)化，并可為虛擬數(shù)控機床和虛擬數(shù)控加工過程提供力學仿真方法和數(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)銑加工時進行力學仿真，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)控加工切削過程進行力學仿真，是虛擬機床和虛擬數(shù)控加工的基礎(chǔ)。作者領(lǐng)導的團隊自主開發(fā)了“數(shù)控銑削加工動力學仿真系統(tǒng)(SimuCut)”和“數(shù)控加工動力學特性測試與分析系統(tǒng)(DynaCut)”，目前已應用于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)控機床增效工程中，對單臺機床的提速增效已取得了明顯成效。
高性能數(shù)控機床研發(fā)及其支持技術(shù)已成為數(shù)控機床發(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。虛擬機床技術(shù)為縮短新型數(shù)控機床產(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，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)。
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