柔性刀具控制系統(tǒng)

       目前，全球制造業(yè)正加速邁向數(shù)字化、智能化時(shí)代。智能制造對(duì)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的影響越來(lái)越大。智能制造本質(zhì)上是在產(chǎn)品全生命周期普遍感知的條件下的信息化制造。智能制造技術(shù)依托現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。它是信息技術(shù)、智能技術(shù)和裝備制造技術(shù)的深度融合。實(shí)現(xiàn)智能制造可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低資源需求、能耗和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

       水射流切割在許多制造應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。例如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用到很多鈦合金零件，很難加工，水射流切割是可選加工工具中很好的選擇。對(duì)于圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)整流器，要求加工一系列不規(guī)則孔。由于孔的空間有限，傳統(tǒng)的銑削方法需要使用纖細(xì)的銑刀一點(diǎn)一點(diǎn)地去除材料，銑刀很快就磨損了，整個(gè)加工過(guò)程既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)。水射流切割（圖1）在25分鐘內(nèi)可以完成一個(gè)孔的粗加工，然后采用精銑或電化學(xué)加工進(jìn)行精加工，與僅使用銑削方法時(shí)加工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)150分鐘以上相比，總加工時(shí)間顯著縮短。此外，由于水射流切割的冷加工特性，水射流加工的零件沒(méi)有熱變形和熱影響區(qū)。 

       然而，水射流切割不能完全取代銑削加工，因?yàn)樗淞髯鳛槿嵝缘毒?，有其缺點(diǎn)。水射流只能進(jìn)行輪廓切割。與銑刀等剛性刀具不同，射流在切割時(shí)向后彎曲（圖2）。切割過(guò)程中射流的彎曲度取決于工件參數(shù)（如材料和厚度）、切割速度和射流參數(shù)（如壓力、噴嘴直徑、磨料流量等）。切縫的寬度也隨厚度方向而變化（“錐度”誤差）。用這種柔性刀具精確加工零件是非常困難的。

       傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法是針對(duì)銑削、車(chē)削、鉆床、磨床等剛性刀具而發(fā)展起來(lái)的，剛性刀具無(wú)疑構(gòu)成了加工方法和加工市場(chǎng)的主流。即使是最先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)控制器的開(kāi)發(fā)商也很少關(guān)注像水射流切割機(jī)這樣的柔性刀具，也從來(lái)沒(méi)有為柔性刀具變形帶來(lái)的問(wèn)題提供任何解決方案。因此，水射流行業(yè)不得不提出自己的解決方案。因此出現(xiàn)了一種新的控制方法，可以稱之為“柔性刀具控制方法”，我們還將具有“柔性刀具控制方法”的水切割機(jī)床稱為“智能水切割機(jī)”。讓我們看看“柔性刀具控制方法”與傳統(tǒng)的數(shù)控控制方法有什么不同。

       傳統(tǒng)的CNC控制方法假設(shè)工件頂部和底部的加工輪廓是完全相同的，因此其控制策略只針對(duì)工件頂部。在“柔性刀具控制方法”中，控制策略的重點(diǎn)是工件底部的出刀點(diǎn)。

                                                                                          圖1飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金零件的水射流切割

圖2水射流切割玻璃時(shí)向后彎曲

       運(yùn)動(dòng)路徑通常由直線和/或圓弧段組成。在傳統(tǒng)的數(shù)控方法中，每一線段都被賦予一定的運(yùn)動(dòng)速度。這些線段的幾何數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)被存放在一個(gè)軟件程序中，如G代碼程序。該程序然后由運(yùn)動(dòng)控制器處理成伺服或步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)指令，稱為“插補(bǔ)”。這種插補(bǔ)過(guò)程把線段分解成電機(jī)運(yùn)動(dòng)步，本質(zhì)上是一種“幾何插補(bǔ)”。盡管在用戶編程中選切割速度時(shí)能夠從控制系統(tǒng)獲得一些速度與材料的推薦數(shù)據(jù)，并且在某些點(diǎn)上采用了加速/減速，但沿切割路徑的速度變化和加速/減速率并不能反映工件和射流參數(shù)的差異，更不用說(shuō)速度優(yōu)化了。傳統(tǒng)數(shù)控中插補(bǔ)通常是在機(jī)器移動(dòng)時(shí)幾乎同步進(jìn)行的，這就限制了插補(bǔ)計(jì)算時(shí)間和加工程序的前瞻和后瞻能力，這是優(yōu)化所必需的。在“柔性刀具控制方法”中，“幾何插補(bǔ)”只是插補(bǔ)過(guò)程的第一輪。“柔性刀具控制方法”用數(shù)學(xué)切割模型描述了柔性刀具的“行為”。在這些數(shù)學(xué)模型中，切割表面粗糙度、切縫寬度沿深度方向的變化、射流后拖量（底部射流出刀點(diǎn)滯后于工件頂部入刀點(diǎn)的距離）被表達(dá)為工件參數(shù)、射流參數(shù)、以及加工路徑幾何參數(shù)的函數(shù)。繼“幾何插補(bǔ)”之后，第二輪插補(bǔ)“速度插補(bǔ)”是基于切割模型和路徑幾何特征為每個(gè)電機(jī)步配置優(yōu)化的速度，這通常是通過(guò)前瞻和后瞻查看整個(gè)加工路徑的程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的。第三輪插補(bǔ)“射流角度插補(bǔ)”是根據(jù)局部細(xì)節(jié)（精細(xì)到每一個(gè)電機(jī)步）的切割速度、切割模型和路徑幾何特征，增加了補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)步驟，目的是糾正柔性刀具造成的零件錐度和其他幾何誤差。除了這三輪基本插補(bǔ)外，還針對(duì)具體場(chǎng)景進(jìn)行了特殊處理。例如，在切入/切出點(diǎn)，使用速度控制和射流偏擺運(yùn)動(dòng)來(lái)確保射流在進(jìn)入零件輪廓之前穿透工件的整個(gè)厚度，并且有一個(gè)干凈的切口，沒(méi)有殘留的“橋接”和凹陷或凸起（典型的切入/切出缺陷）。在外拐角處，軟件可以自動(dòng)添加過(guò)切線，通過(guò)使用切割模型設(shè)置過(guò)切線的最佳長(zhǎng)度和速度，軟件還會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并避免添加的過(guò)切線切到鄰近工件部位，應(yīng)用過(guò)切技術(shù)可以獲得更好的切割質(zhì)量和更高的切割效率，較厚的工件通過(guò)應(yīng)用過(guò)切技術(shù)可以提升切割效率高達(dá)20-30%，同時(shí)讓工件的幾何誤差更小。有時(shí)，甚至需要使用附加的一輪插補(bǔ)“切縫寬度補(bǔ)償”，以補(bǔ)償切縫寬度隨切割速度的變化而變化，這在切割高精度的厚材零件時(shí)是必不可少的。圖3是用“柔性刀具控制方法”生成的切割程序的預(yù)覽圖。在切入/切出和內(nèi)拐角處，顏色從藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色，表示優(yōu)化的切割速度平滑地變化，以電機(jī)步為增量單位，從慢到快。過(guò)切的特征在外部拐角處可以看得到。

圖3使用“柔性刀具控制方法”的切割程序預(yù)覽

       有些人可能會(huì)想，為什么傳統(tǒng)的數(shù)控控制器不能用于“柔性刀具控制方法”中的編程工作。傳統(tǒng)的CNC控制器通常在機(jī)器移動(dòng)時(shí)在控制器固件中實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，由于在“柔性刀具控制方法”中使用了多輪插補(bǔ)和多個(gè)數(shù)學(xué)切割模型，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床控制器往往沒(méi)有足夠的“腦力”來(lái)快速地處理插補(bǔ)計(jì)算，以跟上機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度。他們的軟件體系構(gòu)架也難以對(duì)切割程序進(jìn)行多個(gè)回合的前瞻后瞻處理。在“柔性刀具控制方法”中，通常在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，然后將處理后的運(yùn)動(dòng)指令下載到控制器中，然后再開(kāi)始機(jī)床運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器硬件的主要功能簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)派送，無(wú)需進(jìn)一步的插補(bǔ)。在PC機(jī)上進(jìn)行插補(bǔ)的另一個(gè)好處是，插補(bǔ)算法和切割模型可以更方便地進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)。由于“柔性刀具控制方法”的基礎(chǔ)設(shè)施與傳統(tǒng)的數(shù)控控制方法有很大的不同，其控制器軟硬件通常無(wú)法從數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制的主流市場(chǎng)獲得，為此幾家水射流切割設(shè)備公司開(kāi)發(fā)了自己的“柔性刀具控制器”。

       圖4和圖5展示了“柔性刀具控制方法”的優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為使用傳統(tǒng)CNC控制器從20 mm厚的鋁材中用水射流切割的零件。這個(gè)零件在頂面看起來(lái)很完美，但是即使程序已經(jīng)被手動(dòng)修改以降低拐角處的切割速度，在查看零件底部時(shí)，缺陷仍然很明顯。圖5顯示了用“柔性刀具控制器”從100毫米厚的鋁材中切割出來(lái)的零件，零件頂部和底部輪廓之間的差異比圖4中的要小得多，盡管厚度要大得多。

圖4使用傳統(tǒng)的CNC控制器從20毫米鋁材中用水切割切割出的樣件

圖5使用“柔性刀具控制器”從100 mm鋁材中用水切割切割出的樣件

       “柔性刀具控制器”除了提供更高的切割效率和質(zhì)量之外，還帶來(lái)其他好處。由于采用了切割模型和先進(jìn)的算法，在“柔性刀具控制方法”中編程變得非常容易，用戶只需提供零件的電子圖紙，從列表中選擇材料，然后輸入材料厚度，智能軟件將負(fù)責(zé)其余全部的編程工作。一個(gè)新的切割工作開(kāi)始時(shí)，昂貴的切割試驗(yàn)和工件報(bào)廢是可以避免的。新用戶可以在工作的第一天學(xué)會(huì)使用軟件并開(kāi)始切割零件。切割時(shí)間、磨料用量、切割路徑總長(zhǎng)度、材料尺寸和所有其他工藝參數(shù)的作業(yè)數(shù)據(jù)可隨時(shí)獲得，用于作業(yè)報(bào)價(jià)、生產(chǎn)計(jì)劃和作業(yè)報(bào)告。

       為了迎接快速發(fā)展的數(shù)字化和智能化時(shí)代的挑戰(zhàn)，水射流切割技術(shù)除了“柔性刀具控制方法”之外，還需要更多更快的技術(shù)開(kāi)發(fā)。作者擬在以下幾篇系列文章中介紹和討論其他新的技術(shù)突破。盡管這些文章的高度和質(zhì)量不幸受到了作者的知識(shí)和眼界的局限，但作者希望它們能起到拋磚引玉的作用，讓更多的人分享他們的見(jiàn)解、遠(yuǎn)見(jiàn)和觀點(diǎn)。作者真誠(chéng)歡迎反饋、更正和討論。我的郵箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。