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摘要：本文介紹了特種數(shù)控機床的特點及在改造特種數(shù)控機床過程中遇到的難點，并闡述了如何應用藍天高檔數(shù)控系統(tǒng)和創(chuàng)建后置處理數(shù)學模型及其處理程序，來實現(xiàn)原專用數(shù)控系統(tǒng)的控制能力和機床的加工能力，以及如何提高加工過程的自動化程度。經(jīng)實際加工驗證，改造后不僅降低了操作者的勞動強度，而且提高了機床的自動化水平、可靠性和使用效率。
1 機床的工作原理
美國水力切割機是一臺超高壓水力切割機床，它是將水流和沙料混合物的壓力提升到200MPa以上，使水束具有極大的動能（水流速度超過二倍音速），高壓水流通過一定距離的管路接到加工工作面（工作臺），在噴嘴（一般直徑不大于0.2mm）約束下，水流形成超高速水束（直徑約0.5mm左右），可以穿透各種強度的材料，從而達到切割的目的。由于其切割介質是水流，故俗稱“水刀”。機床在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，按設定的軌跡運動，可以在材料的任意起點開始加工和結束，實現(xiàn)各種切割加工要求。
美國水力切割機是五坐標數(shù)控機床，它是由三個直線移動坐標X、Y、Z和繞Y、Z軸旋轉的B、C兩個旋轉坐標構成的。而旋轉坐標是由刀具擺動來實現(xiàn)的。
而美國水力切割機是一臺雙擺頭式五坐標數(shù)控機床，主要用于加工大型發(fā)動機上的散熱裝置，在高壓下利用水和沙在不規(guī)則的曲面上加工上百個孔。
2 機床的加工工藝
由于水力切割機的噴嘴射出來的超高速水束是發(fā)散型的，因此為了保證能夠切透工件以及孔的尺寸要求，在實際切割時就要求噴嘴的角度是工件曲面的法線方向，而且噴嘴距工件的距離要在3mm以內，又由于工件是由兩片材料分別沖壓成型后，再經(jīng)過高溫焊接到一起的，這樣每個工件的外形尺寸都不盡相同，特別是在工件曲面度較大和焊接的地方，尺寸差距就更大，因此在實際切割前，要運行一遍加工程序，調整好每個孔位的法向距離，使其能夠滿足工藝要求。
3 原系統(tǒng)存在的問題
由于自從引進后，機床一直是24小時不間斷地進行加工，加上水和沙的侵蝕，經(jīng)常出現(xiàn)故障，最主要的問題是原來采用的是CIMROC專用數(shù)控系統(tǒng)無法對每個孔位需要調整的法向距離進行自動儲存。
測法向時需要兩個人配合，一個人在加工區(qū)用手持操作站測量每個孔位需要調整的距離，另一個人將測得的結果一一記錄在紙上，而在實際加工時，操作者要一直監(jiān)視著屏幕，當加工程序運行到每個孔位時，及時將需要調整的法向距離輸入到數(shù)控系統(tǒng)當中，這樣不僅需要更多的勞動力成本，而且在整個加工過程中操作者一刻都不能放松，更談不上休息，操作者的勞動強度相當大，同時如果操作者輸入法向距離不及時，或者輸入錯誤的話，不僅影響工件的質量和精度，而且嚴重時還可能發(fā)生撞車事件。
4 改造方案
經(jīng)過對性能、價格、可靠性等多方面因素的考慮，最后決定采用藍天NC-110數(shù)控系統(tǒng)更換原CIMROC專用控制數(shù)控系統(tǒng)，進行6軸控制，實現(xiàn)五軸聯(lián)動；使用USB通訊接口進行加工程序的傳輸，操作方便快捷；采用YASKAWA數(shù)字伺服驅動器及電機系統(tǒng)更換全部六套科爾摩根交流伺服軸系統(tǒng)；采用C++高級語言開發(fā)水力切割加工的后置處理軟件，包括刀具中心偏置補償、刀具長度補償和代碼轉換功能，實現(xiàn)原來專用控制數(shù)控系統(tǒng)的控制能力和機床的加工能力，同時增加法向距離的自動儲存功能，這樣不僅節(jié)約了勞動力成本，大大降低了操作者的勞動強度，提高了工作可靠性，同時也提高了加工過程的自動化程度、機床的加工能力和使用效率。
4.1 藍天數(shù)控系統(tǒng)
藍天NC-110數(shù)控系統(tǒng)采用開放式結構，模塊化設計，可進行多過程控制，多坐標聯(lián)動控制，大容量程序存儲，軟件配置靈活，可實時監(jiān)控的內裝式可編程機床邏輯，是基于工業(yè)PC的高性能、高可靠性、低成本的高檔數(shù)控系統(tǒng)。
4.2 藍天NC-110數(shù)控系統(tǒng)的硬件配置：
● 奔騰級的中央處理（CPU）模板，帶有多種接口，包括RS-232串行接口、USB接口、軟盤驅動器接口
● 4軸控制（ECDA）模板（2塊）
● 輸入輸出（I/O）模板，輸入96點，輸出64點
● 顯示操作單元，TFT顯示屏和操作鍵盤
藍天NC-110數(shù)控系統(tǒng)接線簡單方便，各模塊之間由電纜連接即可。
5 改造過程中的難點
5.1 刀具中心偏置補償
由于水力切割數(shù)控機床的機械機構比較特殊，C軸和B軸的回轉中心在X軸、Y軸方向上都有一定的偏移，如圖1所示。因此在C軸和B軸旋轉的過程中，就會在三維空間X、Y、Z三個坐標軸上都產生偏差，這樣就必須對X、Y、Z坐標進行補償。設實際刀具中心在工件坐標系中的實際位置為n(xn，yn，0)。B軸和C軸旋轉的角度分別為B角和C角。根據(jù)以上條件，計算補償后的刀具中心c在機床坐標系中的坐標值為X、Y、Z。
假設B、C軸分別旋轉B角、C角后，實際刀具中心n在坐標系OCXYZ中的坐標為(tx，ty，tz)。則補償后刀具中心c的坐標應該為(xc-tx，yc-ty，zc-tz)。由此得到刀具中心偏置補償?shù)哪Ｐ腿缦拢?/span>
5.2 刀具長度補償
就目前而言，數(shù)控系統(tǒng)中的刀具補償功能都是應用于二維輪廓加工的，而多坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)中對于刀具補償功能還未能得到較好解決。特別是五軸聯(lián)動加工中，這種兩個旋轉坐標都是由刀具擺動實現(xiàn)的雙擺頭機床的刀具長度補償就更難實現(xiàn)，因此在后置處理程序中加入刀具長度補償這一功能。
在數(shù)控加工中，采用的是按工件輪廓尺寸編制程序，這樣經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)的刀具補償處理后能自動計算出刀具中心的運動軌跡尺寸，從而使刀具中心調整到刀具的運動軌跡上。這種方式在刀具磨損、刀具更換后都不需要重新編制加工程序，因此使用簡單、方便。
在后置處理程序中加入刀具補償功能，就可以在非專用數(shù)控系統(tǒng)上，實現(xiàn)雙擺頭機床的刀具長度補償，即使是在沒有刀具補償功能的數(shù)控機床系統(tǒng)上也能直接利用工件輪廓尺寸編制加工程序。
假設加工刀具長度為L，刀具中心在加工坐標系中的移動坐標及轉角坐標分別為(xc，yc，zc)和B、C。需要注意一下，(xc，yc，zc)實際上是工件的輪廓尺寸，不是刀具中心的運動軌跡尺寸。根據(jù)以上條件，計算刀具長度補償后刀具中心在機床坐標系中的移動坐標X、Y、Z。
補償?shù)幕驹硎牵O刀具中心的坐標為(xc，yc，zc)，當調整刀具中心使刀具刀尖的坐標為(xc，yc，zc)時，計算出此時刀具中心的坐標。
以刀具中心為原點建立坐標系OCXYZ，X、Y、Z軸與機床坐標系各軸平行且方向相同。
當B、C軸分別旋轉B角、C角后，經(jīng)過計算得出刀具長度補償模型如下：
5.3 法向距離的自動儲存
首先為每個孔位建立一個原點，利用刀具長度補償?shù)哪Ｐ?，可以計算得到每個孔位的單位法向矢量，再通過后處理程序在測法向的程序中加入一段子程序，在測量每個孔位需調整的法向值時，自動調用這段子程序，并將測法向所得的數(shù)據(jù)自動保存到每個孔位的原點中，這樣操作者只需通過手持操作站將噴嘴調整到合適的位置，即不需要數(shù)自己調整了幾下，也不需要另一個人在旁邊幫忙記錄。而在實際切割時，每個孔位自動調用各自的原點，這樣操作者只需運行加工程序即可，無需再人工手動輸入調整法向值。
6 結論
改造后，不僅節(jié)約了勞動力成本，大大降低了操作者的勞動強度，提高了工作可靠性，同時也提高了加工過程的自動化程度、機床的加工精度、加工能力和使用效率，而且所加工的產品各項指標均滿足工藝要求。
