高速加工對數(shù)控系統(tǒng)的要求

    高速數(shù)控加工正逐漸取代普通數(shù)控機(jī)床的加工，成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主流。本文討論了高速數(shù)控加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求，介紹了SKY2003N型網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)控系統(tǒng)的一些基本指標(biāo)，最后比較了普通數(shù)控加工與高速數(shù)控加工的差別。

    1、前言

    高速加工技術(shù)的飛速發(fā)展得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，現(xiàn)在高速數(shù)控機(jī)床正逐漸取代普通數(shù)控機(jī)床，成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主流。一般討論高速數(shù)控機(jī)床時(shí)都提到高主軸轉(zhuǎn)速、以及高的快移速度，對實(shí)際加工有關(guān)的指標(biāo)很少提到，特別是高的加速度對加工精度的重要作用的討論較少，例如在復(fù)雜曲面的高速加工中，對大量微小線段（0.1~0.5mm）構(gòu)成的NC代碼，在保證加工輪廓精度的條件下，機(jī)床的進(jìn)給速度究竟能達(dá)到多少？高速高精度加工對床結(jié)構(gòu)、功能部件、進(jìn)給系統(tǒng)、刀具等都有相當(dāng)?shù)囊�求，由于這些方面的文獻(xiàn)和介紹比較多，在此我們不多討論。本文主要針對高速數(shù)控機(jī)床對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求以及高速數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)際高速加工中的作用及特點(diǎn)、要求作一些有關(guān)的探討。

    2、足夠高的進(jìn)給加速度是高速加工精度的保證 

    高速加工主要是指主軸的高轉(zhuǎn)速和高的進(jìn)給速度以及高的進(jìn)給加速度，前兩者的關(guān)系有下面的公式來表達(dá)：

主軸轉(zhuǎn)速：N=Vc/dπ；
進(jìn)給速度：Vt=fzZN;
fz  ——— 每一刀刃在一轉(zhuǎn)中所切削的厚度，單位：mm;
Z  ——— 銑刀的刃數(shù)；
Vc ——— 刀具的線速度，單位：mm/min;
d ——— 刀具的直徑
    將N代入上式，得出進(jìn)給速度：Vt＝fzZVc/dπ

    即在選定了刀具和切削用量的情況下，進(jìn)給速度與主軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此，高速加工機(jī)床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速，也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高的進(jìn)給速度（ 不僅僅是高的空行程速度） 。此外，為了保證加工輪廓的高精度，機(jī)床還必須具備高的進(jìn)給加速度，如果一臺高速機(jī)床沒有足夠高的進(jìn)給加速度，那么它是無法高速地進(jìn)行高精度復(fù)雜曲面輪廓的加工的，因?yàn)樗鼰o法勝任加工復(fù)雜曲面時(shí)根據(jù)不同的曲率半徑在最短的時(shí)間內(nèi)不斷地調(diào)整進(jìn)給速度的需要。

    3、高精度插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)高速、高精度化的基礎(chǔ)

    CNC的伺服系統(tǒng)執(zhí)行的是NC代碼經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)離散后的數(shù)據(jù)，高速、高精度的加工首先要求的是極短的插補(bǔ)周期和高的計(jì)算精度，如FANU16i采用納米級的位置指令進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)交換。

圖1

圖2

    插補(bǔ)周期  △T=△L/F

    如△L不變，F(xiàn)提高一倍，插補(bǔ)周期△T減少一倍，在高精度輪廓加工中，要減少弦高誤差ε，還需要減小△L，這樣更需要短的插補(bǔ)周期△T(圖1)。

    而當(dāng)采樣周期△T變小后如果計(jì)算精度不足夠高，就會產(chǎn)生誤差，而且還會影響伺服速度的平穩(wěn)性和連續(xù)性。例如在XY平面上插補(bǔ)一直線（圖2），插補(bǔ)周期0.5ms，進(jìn)給速度6m/min，Vy=6×sin2=0.209m/min; 每插補(bǔ)周期Y軸位置增量△LY=Vy×△T=1.74μm，顯然如果系統(tǒng)插補(bǔ)計(jì)算精度為1μm，不僅影響輪廓誤差，還造成Y軸運(yùn)行中理論速度不平穩(wěn)和不連續(xù)。

    四開公司的SKY2003N型數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)精度為1納米（0.001μm，），采樣周期和插補(bǔ)周期為0.4ms～0.1ms。

    4、前饋控制減少伺服系統(tǒng)滯后，補(bǔ)前加減速消除插補(bǔ)后加減速輸出理論差

    CNC的伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)主要是對伺服位置偏差、速度偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，由于沒有利用已知的后繼插補(bǔ)輸出條件、機(jī)床移動部件的慣性、摩擦阻尼滯后等信息，在高速加工中的動態(tài)跟隨誤差會比較大。在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，一般采用前饋控制減少伺服系統(tǒng)滯后，如SIEMENS840Di數(shù)控系統(tǒng)采用的速度前饋及轉(zhuǎn)矩前饋跟蹤誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。 

    4.1 伺服前饋控制減小摩擦、系統(tǒng)慣性等引入的跟隨誤差

    由于復(fù)雜曲面高速加工中各軸的速度都是高速變化的，為了減小復(fù)雜曲面機(jī)床系統(tǒng)動態(tài)過程的誤差，可通過有效的摩擦前饋和加速度前饋改善動態(tài)特性。一般伺服驅(qū)動系統(tǒng)對扭矩或推力指令的響應(yīng)較快而速度環(huán)和位置環(huán)響應(yīng)滯后，因此在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)（ 如SKY2000 型數(shù)控系統(tǒng)） 中為了加快伺服驅(qū)動器速度環(huán)、位置環(huán)響應(yīng)速度，用控制系統(tǒng)來完成電機(jī)的速度、位置閉環(huán)（見圖3），伺服驅(qū)動器只控制電流環(huán)。圖3為SKY2000型數(shù)控系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)控制框圖，摩擦前饋Fc可對機(jī)械系統(tǒng)摩擦阻力、垂向重量不平衡提前補(bǔ)償，加速度前饋Kaff可對機(jī)械運(yùn)動慣量提前補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用中可使機(jī)床動態(tài)響應(yīng)誤差接近為零。

圖3

Fc——摩擦前饋        Kaff——加速度前饋      Kp 比例增益   T 電機(jī)扭矩或推力指令
Kvff——速度前饋       Ki——誤差積分          Kd 微分增益 

    4.2 插補(bǔ)前加減速處理使加減速輸出合成軌跡不變

    插補(bǔ)后各軸分別加減速使實(shí)際輸出軌跡偏離插補(bǔ)軌跡（圖4b），高速加工中插補(bǔ)后不論采用哪種模式加減速（指數(shù)、直線形加減速）都會產(chǎn)生更大輪廓誤差，由于計(jì)算機(jī)CPU的 運(yùn)算速度和能力大大提高，在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中一般都由軟件實(shí)現(xiàn)補(bǔ)前加減速計(jì)算預(yù)測處理（圖4c），使加減速后輸出的空間合成軌跡與理論軌跡基本不變。

圖4

    5、續(xù)輪廓前瞻控制（Look ahead）

    高速加工中超前路徑加減速優(yōu)化預(yù)處理就象在各種路面開汽車一樣，路面好，前面沒有急轉(zhuǎn)彎你可以油門加大開快一些，如果前面有拐彎你得提前減小油門開慢一些。在高速加工中G代碼就是路面，電機(jī)就是你的汽車，為了保證機(jī)床在高速運(yùn)動條件下的精度和平穩(wěn)性，系統(tǒng)必須看到將要執(zhí)行的一系列空間待加工路徑，并根據(jù)速度看得足夠遠(yuǎn)。在多軸聯(lián)動控制時(shí)可根據(jù)程序預(yù)處理緩沖區(qū)里G代碼（SKY2000高速加工系統(tǒng)提前處理程序段允許2500行）,由各軸的理論加減速與各軸實(shí)際允許加減速對比決定是否降低當(dāng)前速度或提高到理論速度，也就是根據(jù)園弧曲率半徑的大小，動態(tài)地調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，其工作原理是：首先為不同半徑的園弧設(shè)定一個(gè)最大允許進(jìn)給速度，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)待加工的某段園弧的最大允許進(jìn)給速度小于其編程速度時(shí)，它將自動把進(jìn)給速度降低到該段園弧的最大允許進(jìn)給速度。如果數(shù)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)待加工的路徑比較平直，則立刻將進(jìn)給速度提高到所允許的最大理論允許進(jìn)給速度，由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在保證加工精度的條件下使機(jī)床盡可能在最大理論速度下進(jìn)行工作，它可以在每秒鐘內(nèi)2000～10000次的改變進(jìn)給速度來達(dá)到上述目的。

    數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜曲面的高速加工中，由于NC數(shù)據(jù)密集、數(shù)據(jù)段矢量距離短，只處理兩段數(shù)據(jù)間的補(bǔ)前加減速會產(chǎn)生過大的減速度，僅采取沖擊平滑處理將有較大的輪廓誤差。

    如圖5a所示軌跡，高速加工時(shí)理論速度為V，在拐角處Pi的速度與機(jī)床動態(tài)加減速特性有關(guān)，即與機(jī)床主軸允許的加速度a，加減速允許變化率J=da/dt有關(guān)（即運(yùn)動作用力變化率減小沖擊）。要保證高的輪廓精度，必需根據(jù)速度V、各軸允許加速度a及加速度變化率j提前確立減速點(diǎn)Pk及Pi至Pk各段的加速度及速度保證各點(diǎn)的輪廓精度，而一般系統(tǒng)只提前計(jì)算Pi-1至Pi的加減速，在高速加工中誤差較大（圖5b）。

圖5

    5.1 預(yù)測合理加減速程序段

    在運(yùn)動質(zhì)量一定的條件下推力與加速度成正比即F=ma。對于直線電機(jī)驅(qū)動的機(jī)床所能達(dá)到的加速度amax與機(jī)床運(yùn)動部件的質(zhì)量和直線電機(jī)的推力有關(guān)，對于回轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動的機(jī)床與折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量和電機(jī)扭矩有關(guān)。

    數(shù)控系統(tǒng)在加減速預(yù)處理時(shí)必須考慮機(jī)床所能達(dá)到的最大加速度，同時(shí)必須考慮機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的加速度變化率，才能機(jī)床的保證動態(tài)精度。在SKY2000型數(shù)控系統(tǒng)中，多段NC代碼連續(xù)輪廓的前瞻處理步驟如下：

    (1) 調(diào)試時(shí)確定各軸在保證跟蹤精度的前提下其最大加速度aimax及機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)的最大加速度變化率 jimax（j=da/dt）。

    (2) 由各軸的aimax 及jimax確定大小圓弧最大速度。

    (3) 由各軸的aimax 及jimax確定微線段連續(xù)運(yùn)行時(shí)各程序段間允許速度及加速度，并遞推預(yù)測合理減速程序段（多段程序緩沖器要足夠大，保證向前搜索范圍滿足要求）。

    圖5c是通過多段NC代碼前瞻優(yōu)化處理后的實(shí)際輪廓軌跡，在SKY2000數(shù)控系統(tǒng)中高速高精度輪廓控制方式見圖6。

圖6

    5.2 高速加工前瞻處理的一般要求

    (1) 由于多段預(yù)測計(jì)算復(fù)雜，插補(bǔ)和預(yù)處理最好二個(gè)CPU并列處理，保證數(shù)據(jù)連續(xù)性、實(shí)時(shí)性。

    (2) 插補(bǔ)時(shí)前饋控制減小加速度、摩擦變化等引起的誤差。

    (3) 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中工件最好不動，各軸慣量一定，使控制簡化，參數(shù)最優(yōu)。

    (4) 合理采用新傳動元件（如直線電機(jī)）增大各軸允許加速度及加速度變化率，可減小預(yù)測程序段數(shù)，提高運(yùn)行效率。

    (5) 采用大容量NC代碼儲存器(40G以上)或高速傳輸方式（如速度大于10M的以太網(wǎng)，采用TCP/IP通訊協(xié)議）避免一般傳輸引起的數(shù)據(jù)饑餓現(xiàn)象。

    6、要求系統(tǒng)對高速采樣截尾誤差的精確預(yù)估以保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性

    在多坐標(biāo)高速采樣插補(bǔ)中，由于采樣插補(bǔ)周期很短（SKY2000數(shù)控系統(tǒng)中，速度環(huán)、位置環(huán)采樣周期為0.1ms），而反饋光柵的分辨率有限，因此在低速運(yùn)行時(shí)有的坐標(biāo)軸可能幾十個(gè)采樣周期才有一個(gè)位置脈沖，不管運(yùn)行速度如何，在高速采樣的任何時(shí)刻，脈沖的采樣截尾誤差相對于實(shí)時(shí)采樣速度、位置的變化量都比較大，不能忽略。例如：系統(tǒng)的采樣周期0.1ms，系統(tǒng)在當(dāng)前采樣周期計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)為1002，上一采樣周期為1000,一般認(rèn)為電機(jī)在0.1ms內(nèi)移動2個(gè)脈沖，但電機(jī)的實(shí)際移動量可能是2到3 個(gè)脈沖之間，所以在控制系統(tǒng)中根據(jù)采樣歷史數(shù)據(jù)對當(dāng)前采樣截尾誤差的精確估算，對高速采樣系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)平穩(wěn)性、精確性具有重要的意義。

    7、案例

    (1) 如圖所示的SKDK5060新型雕銑機(jī)床

    配有SKY2000型數(shù)控系統(tǒng)和高精度直線滾動導(dǎo)軌以及轉(zhuǎn)速達(dá)24000轉(zhuǎn)/min的電主軸。該機(jī)器以3～5米/min的進(jìn)給速度插補(bǔ)銑削直徑100mm的圓，其不圓度小于0.005～ 0.008mm。

    (2) SKY—N系列數(shù)控系統(tǒng)

    SKY2000N型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)是南京四開公司在2001年推出的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的當(dāng)今世界上最頂尖的CNC系統(tǒng)，硬件全部為國際化采購，軟件的核心部分在美國開發(fā)，其功能和性能與FANUC160i、西門子840Di以及德國海德漢iTNC530數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)或更高。它控制核心采用DSP高速數(shù)字處理器，管理核心采用奔騰III處理器，操作平臺采用Windows2000系統(tǒng),除了具有一般高檔數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能以外，還具有世界領(lǐng)先水平的3—D刀具補(bǔ)償功能（5軸聯(lián)動機(jī)床加工的關(guān)鍵功能）；高達(dá)2500～ 5000程序段的滿足高速加工的提前預(yù)處理功能（所謂前瞻控制）；它還具有很強(qiáng)的抑制外部擾動力的能力，適合控制高速高精度的直線電機(jī)；具有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（TCP/IP）接口的網(wǎng)絡(luò)功能等等。該系統(tǒng)可以滿足各種機(jī)床（包括數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控車床、各種磨床等等）的高速高精度的控制。

軸數(shù)  6軸（聯(lián)動）＋主軸（可以選擇8軸或16軸）；
內(nèi)部運(yùn)算及交換數(shù)據(jù)分辯率：0.001微米（1納米，即所謂的納米插補(bǔ)）；
系統(tǒng)最小指令增量0.1微米；
段處理時(shí)間BPT  0.1ms；
5軸加工功能（三維空間刀具半徑和長度補(bǔ)償）；
斜加工平面；
對傾斜軸的空間機(jī)械幾何精度自動補(bǔ)償；
雙端驅(qū)動功能；
各種誤差補(bǔ)償：全行程直線補(bǔ)償、非線性彎曲補(bǔ)償、雙向螺距補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償、過象限補(bǔ)償、刀具偏置和熱膨脹、靜摩擦、動摩擦補(bǔ)償?shù)龋?
提前預(yù)處理（前瞻控制）2500～ 5000程序段；（FANUC16i數(shù)控系統(tǒng)為600程序段）；
粗插補(bǔ)周期  2ms；
細(xì)插補(bǔ)周期  0.1ms；
加工動態(tài)軌跡顯示功能；
進(jìn)給軸或主軸的功率顯示及控制功能；
加工時(shí)間的顯示

    8、 結(jié)束語

    對于高速高精度的運(yùn)動控制，縮短采樣周期，提高插補(bǔ)精度是前提。同樣，由于機(jī)床允許的加速度及加速度變化率的限制，要保證機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)性及動態(tài)的精度，足夠數(shù)量程序段的前瞻處理優(yōu)化也是必不可少的。同時(shí)，在密集數(shù)據(jù)處理中不能有數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，預(yù)處理時(shí)間要短，從而保證機(jī)床連續(xù)地高速運(yùn)行。有了這些基礎(chǔ)，通過伺服前饋控制才能減小跟蹤誤差，在保證高精度的前提下實(shí)現(xiàn)高速加工。

    參考文獻(xiàn)

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    [3] J.H.紹克《高速切削在模具加工中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢》航空制造技術(shù) 2000（3）

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