在过去,传统的手工木工加工方式存在着劳动强度大、效率低、精度不高等问题,而且这种模式难以满足不同用户对木制品的形状、尺寸、图案等方面提出的个性化要求,数控技术的引入刚好可以解决这些问题。
数控技术以传统的机械制造技术为基础,结合了计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、网络通信技术和光机电技术等现代制造业的基础技术,使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,让木材加工这样的传统的制造业实现柔性自动化、集成化和智能化。
运用数控技术打造的数控机床,它的核心是数控装置(采用Computer Numerical Control,简称CNC,是一种位置控制系统,它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹,然后输出到执行部件加工出所需要的零件),可以按照预先设定的程序进行自动加工,只需要少数的工作人员经过简单的培训操作数控设备,而无需在车间安排大量的工作人员施工,这大幅度减轻了人工作业的劳动强度,减少了对工人技术水平的要求,加强了木质类产品的生产效率的同时,降低了用工及生产成本。
如果在产品的加工过程中,客户的订单要求发生变化,还可以根据用户的需求随时调整数控设备中输入的参数,改变加工程序,及时确保制造出来的产品符合生产目标,减少生产浪费。
可以发现,数控技术以其强大的灵活性和精确性使得木工行业实现了从粗放型生产向精细化、智能化生产的方向转变。当然,这并不意味着当前的数控技术可以“安于现状”。在中国国内的数控技术相比国外还存在着差距。特别是在人工智能和大数据技术迅速发展的时代背景下,运用于木工行业的数控技术更不能止步不前,而需要不断地创新和优化。
加工精度的全方面提升
运用于木材加工的数控机床,其精度的提升是需要全方面的,不仅要关注机床的静态精度,它的动态精度也变得越来越重要。
关于数控机床的静态精度,即车床的初始精度,它是在设备不进行切削操作时进行检测的,包括车床的几何精度和定位精度。前者指的是机床在不运动(如主轴不转,工作台不移动)或运动速度较低时的精度,它规定了决定加工精度的各主要零部件间以及这些零部件的运动轨迹之间的相对位置允差;后者指的是机床主要部件在运动终点所达到的实际位置的精度。
关于数控机床的动态精度,是指机床在随时间变化的输入作用下所具有的精度,也就是车床在实际切削加工条件下加工工件所达到的精度,它受到数控车床制造精度、加工环境和工艺系统等因素影响。
以往木材制造商在选择数控机床时最先关注的是它的初始精度,也就是静态精度。它对于产品的加工形态和质量确实起到了决定性的作用,不过数控机床在进行高速、高精度的加工时,如果能够表现出更好的加工效果、适应性和稳定性,这对于在有限的条件下完成高质量的作业而言非常重要,这就要求数控机床的动态精度需要配合提升,应采取措施优化数控机床的运动精度、热变形和振动监测与补偿。
例如采用高速插补技术或微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位更加精细化,由此来提高CNC系统的控制精度;开发高分辨率位置检测装置来提高位置检测精度;融入误差补偿技术,包括刀具误差补偿技术、反向间隙补偿、螺距补偿等,对数控设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。根据相关研究结果显示,应用综合误差补偿技术可以将加工误差减少60%~80%;建立数控加工网络,可检查并提高加工中心的运动轨迹精度以及机床的定位与重复定位精度。关于数控加工网络的构建,还将在下文详细叙述。
加工速度的全方面提升
提升数控设备性能的关键不仅要关注加工精度,还需侧重于加工速度的全面提高。要提高数控机床的加工速度主要从主轴替换、控制器改进以及刀具系统这几个方面展开。
主轴是数控机床的核心,它是机床上带动工件或刀具旋转的轴。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。它的速度适应性,也就是允许的最高转速和转速范围,更是直接影响了木制品加工速度的上限。近几年,电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。这是一套组件,它包括电主轴本身及其附件:电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器等。电主轴主要采用了复合陶瓷轴承,耐磨耐热,寿命是传统轴承的几倍。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑,每隔一定的时间间隔注一次油,再通过定量阀的器件,精确地控制每次润滑油的油量,这样既可以让主轴在高速旋转时起到润滑作用,也避免因为油的过量产生阻力或多余的热量延迟主轴加工速度。电主轴的外壁被添加了循环冷却剂,并安装了冷却装置保持冷却剂的温度,可以有效帮助高速运行的电主轴散热。电主轴最大的特点是应用了内置脉冲编码器,这是用于速度控制与位置控制系统的元件,能够准确控制加工角度与进给的配合。另有高频变频装置,可驱动电主轴的内置高速电动机,能够让电主轴实现几万甚至十几万转的转速,极大地提高了数控机床的加工效率。
改进数控设备的控制器是提升数控设备处理速度的方式之一,即为数控机床更换性能更好的新控制器。新控制器应具备更高的计算速度和处理能力,能够更精准地控制电机运动,提高机床的加工效率和精度。此外,据了解,目前适用于数控设备的微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障,其频率可提高到几百兆赫、上千兆赫,极快的运算速度能够让数控机床获得更高的进给速度。
在数控机床工作的过程中,需要替换不同的刀具完成各式各样的木制品,所以换刀的速度也会影响木制品生产的效率。因此,配备换刀时间短、刀具储存量充足、刀具重复定位精度高、刀库占用空间少的优质自动换刀系统非常重要,它能够快速实现零件工序之间连续加工的换刀要求,即在每一工序完成后自动、迅速地将下一工序所用的新刀具更到主轴上。目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1秒左右,甚至有些已经达到了0.5秒。其关键在于采用了更为先进的换刀技术,例如预选位技术,即在加工前预先确定下一把要使用的刀具位置,可以减少换刀过程中的寻找时间;另有自动识别和定位技术,可以快速准确地找到目标刀具,进一步提高换刀速度。
建立数控加工网络
上文已经提到,构建数控加工网络能够及时检查并提高加工中心的运动轨迹精度、机床的定位与重复定位精度。当然,它的作用更不仅限于此。
建立数控加工网络可以使得整个生产流程的信息交互网络化,为数控机床增加双向、高速的联网通讯功能,确保每一条信息流在生产车间各个部门间畅通无阻,这样实现了生产网络资源共享的同时,又能实现数控机床的远程监视、远程诊断、控制、管理、维护等功能。
前几年,在数控领域就已经提出了网络化数控机床制造的概念,又称分布式数控(Distributed Numerical Control,简称DNC),其本质是计算机与具有数控装置的机床群使用计算机网络技术组成的分布在车间中的数控系统。该系统对用户而言就像一个统一的整体,系统对多种通用的物理和逻辑资源整合,可以动态的分配数控加工任务给任一加工设备。这项概念的提出旨在于提高生产过程中每一台数控设备的利用率,不过它存在着一些需要解决的问题,包括DNC系统体系结构的开放性不足,平台之间可移植性差,无法实现不同应用程序之间的互操作;它的通信结构、接口功能也存在着局限性。有一些善于创新的企业提出了使用公共对象请求代理体系结构(CORBA)作为解决方案,帮助DNC实现了软件的编制及联机调式,这样能够在克服DNC部分短板的情况下实现对车间的加工设备进行有效的整合,减少了机床的辅助时间,还让车间的资源与信息透明化,改变了以前无法主动对数控设备进行掌控的问题,起到了预先排除生产干扰,随时调整监控数控设备的关键作用。
此外,多媒体技术的应用也能够完善数控加工网络。多媒体技术的原理是将计算机、声像和通信技术融合在一起,使计算机能够综合处理声音、文字、图像和视频信息,让用户可通过界面处理图形化的信息。合理而人性化的用户界面极大地方便了非专业用户的使用,用户可通过窗口和菜单进行简单操作,就能够完成编程、三维彩色立体动态图形绘制、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部比例缩放等原本比较高难度的工作。将其融入数控设备,便能够减少大量的设备操作人员,为木工制造行业进一步智能化、高效化、无人化操作提供基础。关于多媒体技术在完善数控加工网络方面发挥的作用,基于现阶段的多媒体技术以数字化为基础,可综合、快速地处理文字、声音、图形、动画以及视频等多种信息,具备了强大的集成性、交互性、易扩展性和智能性,将它应用于数控加工体系无疑能够让原本的数控加工网络更加智能化、综合化,只需少量的工作人员,便可以实时监测生产现场的参数与动态,快速理解生产过程中遇到的问题并及时做出反馈,便于后续木制品加工工序的顺利推进。
数控技术的其他改进方向
目前,为应对气候变化,各国已开始陆续采用更加严格的措施来保护环境。对于木材加工行业的数控领域而言,需要做到的是让制造加工变得更加绿色化,因此,节能环保成为了数控设备的改进方向之一。近几年,不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,在停止使用切削液的同时,保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性,那么如何让干切削刀具的性能变得优良、是否可以开发更多辅助设施来替代传统切削中切削液的作用,是值得进一步探讨的。此外,利用节能技术降低数控机床的能源消耗,减少加工工件污染物的排放,也有助于数控机床往更加环保的方向改进。
另一方面,目前国内数控机床的核心部件如主轴、转台、滚动功能部件等主要依赖进口,大多数中小型木材加工企业若要引进全套智能化数控设备更是面临成本高、供货周期长的问题。因此,充分利用人工智能(AI)技术,鼓励并积极搭建人工智能与数控机床的产业合作平台,推动产业间的协同合作,能够在有限的成本下提升很多现有数控机床的智能化水平。
总之,对于国内的木工行业而言,不仅需要积极引入先进的数控技术改善生产方式,还需注重数控技术与数控机床本身的创新和升级改造,这样才能够从根本上稳固技术发展,提高整个行业的制造水平。