柔性刀具控制系统

       目前，全球制造业正加速迈向数字化、智能化时代。智能制造对制造业竞争力的影响越来越大。智能制造本质上是在产品全生命周期普遍感知的条件下的信息化制造。智能制造技术依托现代传感器技术、自动化技术、网络技术、人工智能技术等先进技术。它是信息技术、智能技术和装备制造技术的深度融合。实现智能制造可以缩短产品开发周期，降低资源需求、能耗和运营成本，同时提高生产效率和产品质量。

       水射流切割在许多制造应用中起着至关重要的作用。例如，飞机发动机用到很多钛合金零件，很难加工，水射流切割是可选加工工具中很好的选择。对于图1所示的发动机整流器，要求加工一系列不规则孔。由于孔的空间有限，传统的铣削方法需要使用纤细的铣刀一点一点地去除材料，铣刀很快就磨损了，整个加工过程既费时又费钱。水射流切割（图1）在25分钟内可以完成一个孔的粗加工，然后采用精铣或电化学加工进行精加工，与仅使用铣削方法时加工时间长达150分钟以上相比，总加工时间显著缩短。此外，由于水射流切割的冷加工特性，水射流加工的零件没有热变形和热影响区。 

       然而，水射流切割不能完全取代铣削加工，因为水射流作为柔性刀具，有其缺点。水射流只能进行轮廓切割。与铣刀等刚性刀具不同，射流在切割时向后弯曲（图2）。切割过程中射流的弯曲度取决于工件参数（如材料和厚度）、切割速度和射流参数（如压力、喷嘴直径、磨料流量等）。切缝的宽度也随厚度方向而变化（“锥度”误差）。用这种柔性刀具精确加工零件是非常困难的。

       传统的数控加工方法是针对铣削、车削、钻床、磨床等刚性刀具而发展起来的，刚性刀具无疑构成了加工方法和加工市场的主流。即使是最先进的数控系统控制器的开发商也很少关注像水射流切割机这样的柔性刀具，也从来没有为柔性刀具变形带来的问题提供任何解决方案。因此，水射流行业不得不提出自己的解决方案。因此出现了一种新的控制方法，可以称之为“柔性刀具控制方法”，我们还将具有“柔性刀具控制方法”的水切割机床称为“智能水切割机”。让我们看看“柔性刀具控制方法”与传统的数控控制方法有什么不同。

       传统的CNC控制方法假设工件顶部和底部的加工轮廓是完全相同的，因此其控制策略只针对工件顶部。在“柔性刀具控制方法”中，控制策略的重点是工件底部的出刀点。

                                                                                          图1飞机发动机钛合金零件的水射流切割

图2水射流切割玻璃时向后弯曲

       运动路径通常由直线和/或圆弧段组成。在传统的数控方法中，每一线段都被赋予一定的运动速度。这些线段的几何数据和速度数据被存放在一个软件程序中，如G代码程序。该程序然后由运动控制器处理成伺服或步进电机的运动指令，称为“插补”。这种插补过程把线段分解成电机运动步，本质上是一种“几何插补”。尽管在用户编程中选切割速度时能够从控制系统获得一些速度与材料的推荐数据，并且在某些点上采用了加速/减速，但沿切割路径的速度变化和加速/减速率并不能反映工件和射流参数的差异，更不用说速度优化了。传统数控中插补通常是在机器移动时几乎同步进行的，这就限制了插补计算时间和加工程序的前瞻和后瞻能力，这是优化所必需的。在“柔性刀具控制方法”中，“几何插补”只是插补过程的第一轮。“柔性刀具控制方法”用数学切割模型描述了柔性刀具的“行为”。在这些数学模型中，切割表面粗糙度、切缝宽度沿深度方向的变化、射流后拖量（底部射流出刀点滞后于工件顶部入刀点的距离）被表达为工件参数、射流参数、以及加工路径几何参数的函数。继“几何插补”之后，第二轮插补“速度插补”是基于切割模型和路径几何特征为每个电机步配置优化的速度，这通常是通过前瞻和后瞻查看整个加工路径的程序代码来实现优化的。第三轮插补“射流角度插补”是根据局部细节（精细到每一个电机步）的切割速度、切割模型和路径几何特征，增加了补偿运动步骤，目的是纠正柔性刀具造成的零件锥度和其他几何误差。除了这三轮基本插补外，还针对具体场景进行了特殊处理。例如，在切入/切出点，使用速度控制和射流偏摆运动来确保射流在进入零件轮廓之前穿透工件的整个厚度，并且有一个干净的切口，没有残留的“桥接”和凹陷或凸起（典型的切入/切出缺陷）。在外拐角处，软件可以自动添加过切线，通过使用切割模型设置过切线的最佳长度和速度，软件还会自动检测并避免添加的过切线切到邻近工件部位，应用过切技术可以获得更好的切割质量和更高的切割效率，较厚的工件通过应用过切技术可以提升切割效率高达20-30%，同时让工件的几何误差更小。有时，甚至需要使用附加的一轮插补“切缝宽度补偿”，以补偿切缝宽度随切割速度的变化而变化，这在切割高精度的厚材零件时是必不可少的。图3是用“柔性刀具控制方法”生成的切割程序的预览图。在切入/切出和内拐角处，颜色从蓝色逐渐变为红色，表示优化的切割速度平滑地变化，以电机步为增量单位，从慢到快。过切的特征在外部拐角处可以看得到。

图3使用“柔性刀具控制方法”的切割程序预览

       有些人可能会想，为什么传统的数控控制器不能用于“柔性刀具控制方法”中的编程工作。传统的CNC控制器通常在机器移动时在控制器固件中实现插补，由于在“柔性刀具控制方法”中使用了多轮插补和多个数学切割模型，传统的数控机床控制器往往没有足够的“脑力”来快速地处理插补计算，以跟上机床的运动速度。他们的软件体系构架也难以对切割程序进行多个回合的前瞻后瞻处理。在“柔性刀具控制方法”中，通常在PC机上实现插补，然后将处理后的运动指令下载到控制器中，然后再开始机床运动。运动控制器硬件的主要功能简化为数据缓冲和数据派送，无需进一步的插补。在PC机上进行插补的另一个好处是，插补算法和切割模型可以更方便地进行优化和升级。由于“柔性刀具控制方法”的基础设施与传统的数控控制方法有很大的不同，其控制器软硬件通常无法从数控运动控制的主流市场获得，为此几家水射流切割设备公司开发了自己的“柔性刀具控制器”。

       图4和图5展示了“柔性刀具控制方法”的优点。图3所示为使用传统CNC控制器从20 mm厚的铝材中用水射流切割的零件。这个零件在顶面看起来很完美，但是即使程序已经被手动修改以降低拐角处的切割速度，在查看零件底部时，缺陷仍然很明显。图5显示了用“柔性刀具控制器”从100毫米厚的铝材中切割出来的零件，零件顶部和底部轮廓之间的差异比图4中的要小得多，尽管厚度要大得多。

图4使用传统的CNC控制器从20毫米铝材中用水切割切割出的样件

图5使用“柔性刀具控制器”从100 mm铝材中用水切割切割出的样件

       “柔性刀具控制器”除了提供更高的切割效率和质量之外，还带来其他好处。由于采用了切割模型和先进的算法，在“柔性刀具控制方法”中编程变得非常容易，用户只需提供零件的电子图纸，从列表中选择材料，然后输入材料厚度，智能软件将负责其余全部的编程工作。一个新的切割工作开始时，昂贵的切割试验和工件报废是可以避免的。新用户可以在工作的第一天学会使用软件并开始切割零件。切割时间、磨料用量、切割路径总长度、材料尺寸和所有其他工艺参数的作业数据可随时获得，用于作业报价、生产计划和作业报告。

       为了迎接快速发展的数字化和智能化时代的挑战，水射流切割技术除了“柔性刀具控制方法”之外，还需要更多更快的技术开发。作者拟在以下几篇系列文章中介绍和讨论其他新的技术突破。尽管这些文章的高度和质量不幸受到了作者的知识和眼界的局限，但作者希望它们能起到抛砖引玉的作用，让更多的人分享他们的见解、远见和观点。作者真诚欢迎反馈、更正和讨论。我的邮箱地址是：zengjiyue@lionstek.com。