Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)與高速模具加工

    高速加工（HSM或HSC）是二十世紀(jì)九十年代迅速發(fā)展應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)。通常是指高的主軸轉(zhuǎn)速（10,000-100,000r/min）、高的進(jìn)給速度(40m-180m/min)下的銑削加工。高速加工在實(shí)際應(yīng)用中能解決新材料的加工問題，適應(yīng)表面質(zhì)量高、精度高、形狀復(fù)雜的三維曲面加工，減少和避免效率低的電火花加工，解決薄壁零件的加工問題，數(shù)控高速復(fù)合加工還可以減少搬運(yùn)與裝夾次數(shù)，避免重復(fù)定位帶來的加工誤差等，既提高了加工質(zhì)量，又提高了加工效率。高速加工技術(shù)逐漸應(yīng)用于加工鑄鐵和硬鋁合金，尤其是加工大型覆蓋件沖壓模、鍛模、壓鑄模和注射模。目前國際上高速切削加工技術(shù)主要應(yīng)用于模具、航空航天和汽車工業(yè)等復(fù)雜曲面的加工領(lǐng)域。國內(nèi)高速切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，也是主要應(yīng)用于模具、航空航天和汽車工業(yè)，但采用的高速切削CNC機(jī)床、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進(jìn)口為主。

    高速加工一般采用高的銑削速度和快速多次走刀來提高效率，小直徑刀具，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向切削深度，即切削體積。隨著銑削速度的提高，加工時間大幅度縮短，并且切削力下降、振動小，尤其是徑向切削力大幅度降低，零件變形小，由于在切削時大量的切削熱被切屑帶走，工件表面溫度較低。由于高速銑削的的上述特點(diǎn)，高速加工相對常規(guī)加工具有突出優(yōu)點(diǎn)：高生產(chǎn)率、工作平穩(wěn)、加工表面質(zhì)量很高，無需再進(jìn)行其它表面處理工序、有利于加工薄壁零件和高強(qiáng)度、高硬度脆性材料、可縮短交貨期、減少設(shè)備臺數(shù)及車間面積、減少工人數(shù)量。盡管在初期的設(shè)備投資費(fèi)用增加，但高速銑削工藝的綜合效益仍有顯著提高。

1高速加工與模具制造

    目前塑料模具越來越精巧、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，要求的合模次數(shù)接近和超過80萬次，采用的模具鋼材的硬度越來越高，有的甚至超過HRC 64以上，而模具的交貨期卻要求越來越短。這些市場特點(diǎn)給模具制造商帶來了極大的壓力。高速加工技術(shù)的出現(xiàn)為模具制造帶來了新的發(fā)展機(jī)會，尤其在中小型精密塑料模具加工中顯示了巨大的優(yōu)勢。

大多數(shù)模具材料都是高硬度、耐磨性能好，其加工難度大。傳統(tǒng)工藝廣泛采用電火花（EDM）微切削加工成形，生產(chǎn)效率極低。高速加工技術(shù)對模具加工工藝產(chǎn)生了巨大影響，它改變了傳統(tǒng)模具加工所采用的“電火花→拋光”等復(fù)雜冗長的工藝流程，甚至可用高速切削加工替代原來的全部工序。在模具的高淬硬鋼件（HRC45～65）的加工過程中，采用高速切削可以取代電加工和磨削拋光的工序，避免了電極的制造和費(fèi)時的電加工時間，高速加工技術(shù)除可應(yīng)用于淬硬模具型腔的直接加工（尤其是半精加工和精加工）外，在EDM電極加工、快速樣件制造等方面也得到了廣泛應(yīng)用。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，應(yīng)用高速切削技術(shù)可節(jié)省模具后續(xù)加工中約60%-100%的手工拋光時間、也可減少EDM的工序與時間、節(jié)約加工成本費(fèi)用近30%、刀具切削效率可提高1倍，這種節(jié)約已經(jīng)在許多國外模具廠商得到了真實(shí)反映。

    用高速銑削加工模具，不僅可用高轉(zhuǎn)速，大進(jìn)給，且粗、精加工一次完成，大大提高了生產(chǎn)效率。采用高速切削加工淬硬鋼模具，硬度60HRC以上，表面粗糙度Ra0.6μm，達(dá)到了磨削加工的水平，效率比電加工高數(shù)倍，不僅節(jié)省了大量的修光時間，還可代替絕大部分的電加工工序。

2高速加工對CNC系統(tǒng)的要求

    高速加工是一項(xiàng)先進(jìn)的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程技術(shù)，與傳統(tǒng)加工工藝技術(shù)相比，它對機(jī)床、刀具、刀柄、加工工藝、控制系統(tǒng)、CAD/CAM軟件等多項(xiàng)指標(biāo)都有較高要求。由于模具加工的特殊性以及高速加工技術(shù)的自身特點(diǎn)，對模具高速加工工藝系統(tǒng)（加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具等）提出了比傳統(tǒng)模具加工更高的要求。

    先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)是保證模具復(fù)雜曲面高速加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素，其特性體現(xiàn)在加減預(yù)差補(bǔ)，前饋控制，精確矢量補(bǔ)償，最佳拐角減速、安全防護(hù)與實(shí)時監(jiān)控等方面。模具高速切削加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求為：

高速的數(shù)字控制回路，如采用64位并行處理器、極短的直線電機(jī)采樣時間。

速度加速度的前饋控制、數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)的爬行控制。

先進(jìn)的基于NURBS的樣條插補(bǔ)計(jì)算方法，以獲得良好的表面質(zhì)量、精確的尺寸和高的幾何精度。

    預(yù)處理功能。要求CNC具有大容量緩沖寄存器，可預(yù)先閱讀和檢查多個程序段(如1000～2000個程序段)，以便在被加工表面形狀（曲率）發(fā)生變化時可及時采取改變進(jìn)給速度等措施以避免過切等。

    誤差補(bǔ)償功能，包括因直線電機(jī)、主軸等發(fā)熱導(dǎo)致的熱誤差補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?

    此外，模具高速切削加工對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也很高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，如RS232串行口的傳輸速度為19.2kb，而高速加工中心均已采用以太局域網(wǎng)（Ethernet）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速度可達(dá)200kb。

3Heidenhain iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)

    海德漢公司是一家擁有100多年歷史的專門生產(chǎn)高精密測量元件和數(shù)控系統(tǒng)的跨國集團(tuán)公司。所生產(chǎn)的高性能數(shù)控系統(tǒng)和測量反饋元件在模具加工和高精密加工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

    Heidenhain的iTNC 530控制系統(tǒng)是適合銑床、加工中心或需要優(yōu)化刀具軌跡控制之加工過程的通用性控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時間比以前的TNC系列產(chǎn)品快8倍，所配備的“快速以太網(wǎng)”通訊接口能以100Mbit/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)，比以前快了10倍，新型程序編輯器具有大型程序編輯能力，可以快速插入和編輯信息程序段。在新系統(tǒng)中，該公司首次將NC主控計(jì)算機(jī)與驅(qū)動控制單元分開，并裝了英特爾處理器。該機(jī)采用15英寸高分辨率XGA顯示器（1025×768）或10.4英寸（640×480）VGA顯示器顯示。任何熟悉TNC系統(tǒng)的操作者很快便可以掌握這種新系統(tǒng)的操作。機(jī)械師不必記憶G代碼，只需要用組合鍵按鍵就可以編制線段、弧段、循環(huán)程序。

    針對模具加工的復(fù)雜曲面，如果要實(shí)現(xiàn)高速、高精和高表面質(zhì)量加工，必須具備好的硬件基礎(chǔ)、良好的伺服性能及高速控制能力。

    高速3D控制器Heidenhain iTNC530主要特點(diǎn)是采用了速度更快的400 MHz的AMD處理器，iTNC530所有的實(shí)時任務(wù)均在自己開發(fā)的實(shí)時操作系統(tǒng)（HEROS）下完成，而且也可提供帶雙處理器的主計(jì)算機(jī)，一個用來運(yùn)行Heidenhain操作系統(tǒng)，即CNC的核心“New Heros”，另一個用來運(yùn)行MS Windows 2000操作系統(tǒng)。它既可以保證系統(tǒng)的實(shí)時計(jì)算和穩(wěn)定性能，同時又能滿足用戶對Windows應(yīng)用程序的需求。

    Heidenhain iTNC530程序段的處理時間是0.5ms。幾何形狀越復(fù)雜、公差要求越嚴(yán)格，點(diǎn)的密度將越高。用高速進(jìn)給加工時，必須更快地處理相應(yīng)的NC編碼，以免發(fā)生所謂的數(shù)據(jù)饑餓限制進(jìn)給速度。當(dāng)被處理的NC程序段的緩存中沒有數(shù)據(jù)時，由于缺少定位指令，運(yùn)動將停止或突變。HSM的CNC的特點(diǎn)是程序段的處理時間要短到1ms甚至更短的時間。iTNC530完全能勝任高速加工（HSM）要求的CNC系統(tǒng)。

    高速加工應(yīng)用中的數(shù)控加工NC程序是在外部的CAM系統(tǒng)上生成的。通常，NC程序只有幾百千字節(jié)，也常常有高達(dá)數(shù)百兆字節(jié)的程序。因此，HSM使用的CNC系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是，要具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力的快速以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)接口的傳輸速度是100 MBit/s，這是現(xiàn)今常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)速度。新型的Heidenhain CNC系統(tǒng)主機(jī)單元帶有各類數(shù)據(jù)通信接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），所配備的快速以太網(wǎng)通信接口能以100Mb/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)。

    iTNC 530系統(tǒng)采用限制加加速值并利用過濾器對加加速度進(jìn)行了光滑處理。高速進(jìn)給時，如果任何一個軸突然換向會導(dǎo)致過高加速度和加加速，將造成機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。通過CNC實(shí)現(xiàn)速度、加速度和加加速平滑方案是降低或消除該影響的好方法。

    Heidenhain iTNC 530支持姊妹刀具的自動更換功能。為了自動處理刀具磨損或斷裂需要用同尺寸的銑刀進(jìn)行更換的情況，而且如果CNC支持該功能的話，操作人員可加載多個相同銑刀的換刀裝置，將這些相同的銑刀標(biāo)識為姊妹刀具用于NC程序的調(diào)用。CNC將自動用這些特定的姊妹刀具更換磨損或斷裂的銑刀，繼續(xù)完成NC程序。

    Heidenhain iTNC 530的“預(yù)讀”功能為256行。所謂“預(yù)讀”功能預(yù)先計(jì)算每一個程序段所應(yīng)采用的正確速度和加速度，并生成速度和加速度配置方案以便滿足編程的刀具路徑要求。預(yù)先計(jì)算的信息被讀入到CNC系統(tǒng)內(nèi)的緩存中，并按加工中的程序要求從緩存中調(diào)用。一旦緩存中沒有數(shù)據(jù)，由于CNC系統(tǒng)的計(jì)算速度無法跟上進(jìn)刀速度，機(jī)床將停止運(yùn)動直到達(dá)到下一個預(yù)先計(jì)算行為止。這種問題被稱為數(shù)據(jù)饑餓�，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)的程序段處理時間越來越短，為避免發(fā)生數(shù)據(jù)饑餓需要數(shù)控系統(tǒng)預(yù)讀的行數(shù)也越來越少。

    在強(qiáng)大硬件的支持下，iTNC 530采用了全數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)。其位置控制器、速度控制器和電流控制器全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。數(shù)字電機(jī)控制技術(shù)能獲得非常高的進(jìn)給速率。iTNC 530在同時插補(bǔ)多達(dá)5軸時，還能使轉(zhuǎn)速高達(dá)40000r/min的數(shù)控主軸達(dá)到要求的切削速度。

    該系統(tǒng)通用性好并適合五坐標(biāo)控制，在需要優(yōu)化刀具軌跡控制的情況下，其強(qiáng)大的控制能力可計(jì)算實(shí)際坐標(biāo)系，因而簡化了加工循環(huán)的編程。在脫線編制3D形狀程序時，該系統(tǒng)可計(jì)算單臺機(jī)床的幾何結(jié)構(gòu)，所以同一程序可用于不同的機(jī)床。

4結(jié)語

    模具高速加工技術(shù)目前已在發(fā)達(dá)國家的模具制造業(yè)中普遍應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用范圍及應(yīng)用水平仍有待提高，隨著我國模具工業(yè)的發(fā)展，采用高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為模具制造的大趨勢，高速切削逐漸取代電火花精加工模具在國外的模具制造企業(yè)已經(jīng)普遍采用，高速切削生產(chǎn)模具已經(jīng)成為逐漸模具制造的大趨勢，大大提高了模具生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在德國用HSC技術(shù)生產(chǎn)模具以來，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本和加工時間的大幅下降，相對以前用的電火花方法，生產(chǎn)鍛模的成本下降了50到60％，而加工時間下降了約70％，已經(jīng)顯示了其為模具制造企業(yè)帶來的巨大利益。