數(shù)控系統(tǒng)在編程輪廓加工路徑上加工應(yīng)用

    為了應(yīng)對(duì)加工時(shí)間、表面質(zhì)量和幾何精度間的矛盾，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)必須為銑床和加工工藝提供最優(yōu)化的解決方案。而且最終用戶(hù)也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)整控制最終的銑削結(jié)果。CNC系統(tǒng)的路徑控制能力是特定精度和表面質(zhì)量條件下影響加工時(shí)間的決定性因素。

    模具制造業(yè)高速切削（HSC）技術(shù)對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的要求為高硬度材料和合金工具鋼加工提供了許多全新選擇。在經(jīng)典的電火花成形加工技術(shù)之后，高速切削技術(shù)直接加工高硬度材料越來(lái)越顯示出卓越的經(jīng)濟(jì)性。HSC技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)之一是它在加工期間的溫度分布情況和熱量排除能力。高速切削、高速進(jìn)給和小的切削深度使切屑可以將大量熱量帶離工件。

 

圖1 自由形狀加工（雙曲面）

HSC的要求和影響

    HSC加工進(jìn)給速率大，對(duì)加工曲面工件輪廓的加速度要求更高。它能突出體現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電性能。如果進(jìn)給驅(qū)動(dòng)加速度增加，必然會(huì)使機(jī)床的結(jié)構(gòu)承受更大的加速力。此外，也容易造成機(jī)床的振動(dòng)，影響表面質(zhì)量。這就要求數(shù)控系統(tǒng)在盡可能縮短加工時(shí)間和滿足精度要求條件下具有實(shí)現(xiàn)最佳表面加工質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制能力。數(shù)控系統(tǒng)必須為機(jī)床制造商和用戶(hù)提供最佳的路徑控制方法。

    機(jī)床制造商需要數(shù)控系統(tǒng)可以最佳地控制機(jī)床的特性。數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)為運(yùn)動(dòng)控制和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制環(huán)提供參數(shù)，以及具有合理的結(jié)構(gòu)。機(jī)床經(jīng)常通過(guò)最終精加工零件測(cè)評(píng)其性能。必須執(zhí)行每一項(xiàng)加工任務(wù)確保高動(dòng)態(tài)響應(yīng)不會(huì)造成機(jī)床的振動(dòng)。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須與機(jī)床緊密配合以確保任何加工任務(wù)都具有高動(dòng)態(tài)性能。

    CNC機(jī)床用戶(hù)要求數(shù)控系統(tǒng)在滿足工件精度的前提下能夠減小加工時(shí)間。達(dá)到要求精度不需要耗時(shí)的測(cè)試，首件加工就必須能達(dá)到要求。這些要求必須定義在NC程序中，以確保批量生產(chǎn)的要求。而且，為使模具的加工時(shí)間控制在可接受的范圍內(nèi)，自由形狀表面經(jīng)常采用往復(fù)路徑銑削。這樣，數(shù)控系統(tǒng)還必須能生成從相反方向加工輪廓的可重復(fù)刀具路徑。否則，將損壞表面質(zhì)量。

   數(shù)據(jù)處理能力對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，用金屬切削方法加工零件涉及大量中間步驟，通過(guò)這些步驟將CAD模型幾何形狀轉(zhuǎn)為刀具路徑；CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）；CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）；CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制）；機(jī)電系統(tǒng)。

    優(yōu)化加工時(shí)間、表面質(zhì)量和工件精度對(duì)CNC系統(tǒng)提出了以下的基本要求：有效監(jiān)測(cè)輪廓公差；運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)換后，準(zhǔn)確的重復(fù)相鄰路徑；高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)。對(duì)2D刀具運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)處理鏈能力對(duì)工件精度的影響可以用海德漢公司的KGM182 2D編碼器檢測(cè)。通過(guò)龍門(mén)銑床上的演示單元可以展示海德漢iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制特性。KGM是最終可實(shí)現(xiàn)輪廓精度的基礎(chǔ)檢查工具。

 

圖2 球頭銑刀TCP刀具路徑

更快、精度更高和更準(zhǔn)確的輪廓

    有效地控制輪廓公差自由形狀表面的NC程序通常用CAM系統(tǒng)生成，它由大量簡(jiǎn)單線段組成。海德漢數(shù)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)平滑處理過(guò)渡形狀，同時(shí)保持刀具在工件表面上的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)檢測(cè)輪廓偏差的系統(tǒng)內(nèi)部功能，可以自動(dòng)控制平滑處理過(guò)程。

    在自由形狀表面上，CAD幾何形狀模型的偏差包括定義的輪廓公差值和CAM系統(tǒng)定義的弦高差。對(duì)工件的最終影響取決于機(jī)床整體特性和進(jìn)給軸的加速調(diào)整值和加速度。

    iTNC 530的路徑控制功能可以平滑處理加速并滿足輪廓公差要求，甚至是在輪廓加工速度劇烈變化時(shí)（圖3）。如果可以定義更大的公差，就可以顯著縮短加工時(shí)間。在本例中，將輪廓加工公差從0.01mm放寬到0.02mm，加工時(shí)間縮短12%。

 

圖3 局部放大圖，顯示TCP的輪廓監(jiān)測(cè)名義路徑

    圖4為最優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制的效果。用往復(fù)運(yùn)動(dòng)加工自由形狀表面（編程進(jìn)給速率為10m/min，精銑余量為0.1mm）。圖4a的工件表面質(zhì)量不合格。用iTNC 530系統(tǒng)的加工結(jié)果如圖4b所示，相鄰路徑重復(fù)性好。

 

圖4 換向運(yùn)動(dòng)的多刀銑削，相鄰切削路徑的重復(fù)性

4a：相鄰路徑偏差導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降 4b：iTNC 530系統(tǒng)銑削結(jié)果：前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)加工的表面一樣

    HSC銑削技術(shù)要求的進(jìn)給速率是對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)。只有達(dá)到更高的輪廓加工平均速度才能縮短加工時(shí)間。但是，如果有小半徑路徑，就必須大大降低運(yùn)動(dòng)速度，以保證路徑偏差在允許的公差帶內(nèi)。此外，加速和減速運(yùn)動(dòng)還能造成機(jī)床結(jié)構(gòu)振動(dòng)，損害工件表面質(zhì)量。

    提速和加速度的平滑運(yùn)動(dòng)控制是海德漢數(shù)控系統(tǒng)的突出特點(diǎn)。它能非常有效地抑制機(jī)床振動(dòng)。根據(jù)需要，數(shù)控系統(tǒng)還可以自動(dòng)降低編程進(jìn)給速率使振動(dòng)的危險(xiǎn)性降到最低。有效預(yù)防機(jī)床振動(dòng)使零件程序以更高的運(yùn)動(dòng)速度執(zhí)行，因此能顯著縮短加工時(shí)間。

 

圖5 實(shí)際位置用2D編碼器在圓角處測(cè)量和記錄，一個(gè)用名義位置值過(guò)濾器處理NC數(shù)據(jù)，

另一個(gè)未用名義值過(guò)濾器（分別為5a和5b）

    圖5為2D輪廓的機(jī)床刀具實(shí)際路徑。如果提速無(wú)平滑處理，加速運(yùn)動(dòng)階段機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)（圖5a）。海德漢公司的iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能能有效避免嚴(yán)重振動(dòng)（圖5b）。圖6的工件表面質(zhì)量再一次清楚地顯示出海德漢公司數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制功能的非凡作用。沿圖示圓弧運(yùn)動(dòng)需要在每一點(diǎn)處改變軸的加速度，造成機(jī)床振動(dòng)（圖6a）。iTNC 530通過(guò)平滑處理提速獲得了高質(zhì)量表面，沒(méi)有振動(dòng)影響（圖6b）。

 

圖6 機(jī)床振動(dòng)對(duì)工件表面的影響：6a：無(wú)提速平滑處理，Z軸振動(dòng)導(dǎo)致表面劃傷

6b：iTNC 530系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能有效避免了振動(dòng)導(dǎo)致的表面質(zhì)量問(wèn)題

    HSC 銑削技術(shù)對(duì)模具制造業(yè)和航天工業(yè)的加工工藝具有決定性的影響。HSC銑削技術(shù)要求的進(jìn)給速率對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。加工時(shí)間、輪廓表面精度和表面質(zhì)量是相互矛盾的因素，海德漢公司的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)可以確保滿足優(yōu)選的加工要求。因此可以防止機(jī)床振動(dòng)，滿足高精度要求，同時(shí)縮短加工時(shí)間。

     此外，iTNC 530的相鄰銑削路徑重復(fù)性高，確保用戶(hù)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量工件表面加工，用往復(fù)多刀銑削工藝縮短加工時(shí)間。iTNC 530奠定了數(shù)控、驅(qū)動(dòng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)相互配合的全新標(biāo)準(zhǔn)。使用戶(hù)的批量零件生產(chǎn)從首件就能達(dá)到高質(zhì)量加工效果。