论高速加工中心之总体关键部件和其重要技术
1 高速加工中心的关键部件和重要技术
对于一台高速加工中心 , 下列部件和技术是*的。
(1) 高速主轴
(2) 功能强大的计算机数控系统
(3) 刀具
(4) 高的进给速度 (high feed rates)
(5) 高的快速进给速度 (high rapid traverse rates)
(6) 高的加/减速速率 ( high acceleration/ decelerationrates)
(7) 快速换刀
高速加工中心的简单组成框图如图所示
在图1所示的高速加工中心中 , 当计算机数控系统具有待加工轨迹的监控功能时 , 则其可以直接与cad/ cam系统通过网络连接 , 否则 , cad/ cam 系统生成的 nc代码必须先通过具有待加工轨迹监控功能的系统 , 然后再被传送到计算机系统中 , 如图中的虚线所示。
高速加工的成功实现是综合应用多项技术的成果。在应用的这些技术中 , 其中一些技术用于机床本身的改造 , 例如主轴、伺服电机、反馈传感器、数控系统等 , 经过改进的这些零部件协调工作 , 从而使加工过程中切削力降低、加工表面质量提高、生产周期缩短。另外一些技术用于对机床应用环境的改进。高速加工的成功应用必须对工厂的环境结构要有所改变 , 例如 ,对于模具的高速加工 , 其数控程序往往很长 , 一般都可以达到十兆字节左右。因此 , 建立一个企业内部局域网 ( intranet) , 使 cnc 系统能从 cad/ cam 中心快速获得数控代码就显得非常重要。
2 高速主轴
高速加工中心的高速主轴应具有精密度高、刚性好、运行平稳和热变形小等特点。
* , 轴承是主轴设计中重要的零部件 ,对高速主轴来说更是如此。低速运行的主轴常使用钢球轴承 , 油脂润滑 , 但是 , 随着转速的提高 , 这种设计方法已不再合适。现在 , 人们希望主轴既能输出大的功率又有高的转速。目前解决该问题的方法是利用混合陶瓷轴承并辅之以油润滑 , 这种方法能适合于150000r/ min以上的转速。setco 公司已运用此项技术制成 200000r/ min/ 75hp 和 3000000r/ min/ 50hp 的主轴。这种主轴中使用的轴承的内、外滚道仍然是用钢制成的。但其滚动部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比钢轻 , 加上其制造工艺可以保证其制成的滚珠比钢制成的更圆 , 且工作中不易变形 , 热稳定性好 , 所以这种混合陶瓷轴承的运行性能良好。
任何一种轴承运行过程中产生的热量都会对其精度和寿命产生负面影响 , 因此在高速主轴中 , 必须采取措施来处理这个问题。转速在 100000r/ min以上的主轴 , 典型的方法是采用气油混合润滑系统。这种系统给轴承提供少的 (但却是足够) 润滑以使轴承产生较少的热量 , 其中气流不仅起润滑作用 , 还可以带走热量 , 除此之外 , 高速主轴还使用轴承冷却系统来散热 , 这种冷却系统有时也被称为“冷却器”。还有一些其他的减少摩擦的设计方法 , 例如 ,ingersoll 铣床公司生产的高速加工机床中 , 其功率为50hp , 转速达 200000r/ min 的主轴使用的是静动*承 , 这样 , 主轴在“液体”中而非在刚性件上转动。当转速需要很高时可以使用空气轴承 , 但它一般用于直径较小且转速要求超过 1000000r/ min 的主轴。几乎无摩擦的磁力轴承也在某些场合得到运用。ibag 公司就在一些特殊高速铣床上成功应用了这种轴承; 由于通过实时调节磁场可以自适应控制主轴的特性 , 因而这种磁力轴承显示出了巨大的发展潜力。
在今天的高速主轴设计中 , 混合陶瓷轴承发挥了巨大的作用 , 而且在将来的一段的时间里还继续发挥这种作用。下一代轴承将是纯陶瓷轴承 (包括滚道) 。现在人们已经掌握了纯陶瓷轴承的制造技术 , 但是一套高速加工主轴使用的纯陶瓷轴承的价格在300000～400000美元左右,如此昂贵的价格阻碍了它的推广应用。
另外 , 在主轴的运动转速下对主轴、刀具及其刀具夹具进行充分的平衡也是非常重要的。否则 , 过量的振动将导致径向跳动问题 , 从而缩短刀具寿命 , 降低加工表面质量和加工精度。
3 功能强大的计算机数控系统
为了实现高速高精度加工 , 运行快速且功能强大的计算机数控系统是*的 , 它必须能够足够快地处理数控程序代码段以保持程序中规定的进给速度。下面是计算机数控系统的两个重要参数及其概念。
(1) 伺服周期。这是计算机数控系统用于测量一次工作台的实际位置并发出一次进给命令所用的时间。换句话说 , 如果计算机数控系统的伺服周期是 5ms ,那么 , 它将在一秒钟内 200 次检测工作台的位置并在每次检测位置后发出新的进给命令。
(2) 代码段处理时间。这是计算机数控系统处理并完成一条加工指令代码段规定的位移所花费的时间。计算机数控系统的这两个参数对于高速加工中心来说非常重要 , 因为他们将决定机床的加工速度和加工精度。在这里 , 精度意味着在采用线性插补时 , 用直线段来逼近零件轮廊所允许的大误差。当 nc程序编制得越精确 , 描述刀具轨迹所需要的点也就越多 ,点与点之间的距离也就越短。当点与点之间的距离过短时会导致所谓“数据不足” (date starvation) 的现象 , 此时计算机数控系统将无法使机床达到数控代码规定的切削进给速度。
在高速加工中 , 计算机数控系统必须保证形成精确的加工轨迹 , 另外 , 在用直线段来逼近零件轮廊时 ,为了保证精度 , 直线段势必很短 , 从而使得零件程序变得很长。基于此 , 计算机数控系统需要一个 32位的微处理器 , 有时甚至需要多个微处理器 , 以完成高速插补、高速段处理和良好的待加工轨迹监控 (lookahead) 功能。为了能预先知道刀具路径以避免在拐角处出现事故 , 计算机数控系统是具有较多段加工nc代码轨迹监控的能力 , 这与司机必须有良好的视野范围才能高速驾驶一辆汽车有些类似。
目前所有较高水平的计算机数控系统都具有待加工轨迹监控能力。所谓待加工轨迹监控 , 就是计算机数控系统在控制加工的同时扫描待加工的数控代码 ,看刀具路径是否有方向上的突然改变 , 如果计算机数控系统发现前面必须改变进给方向时 , 自动执行加减速程序 , 以避免偏离程序中规定的切削加工路径。一些计算机数控系统和机床制造商通过软件来增强这一功能 , 并以此来优化机床的性能。例如 ,makino公司在他们的 fanuc 16mc控制系统中使用了64位“超级几何智能卡” ,其数控系统具有 120 段待加工nc代码的轨迹监控能力 ,这样 ,它允许 nc代码的编程人员使用想要的高进给速度 , 控制系统能动态调节进给速度和加减速度 ———在加工曲线段时减速 , 而在加工直线段时加速。当然 , 这些加/减速处理都是随不同机床的动态特性及要求的加工精度的不同而不同。
4 运动控制卡
运动控制卡是很多机床控制系统的基本组成部分 ,用于组成机床的位置环。它计算机床各轴的运行规律并给伺服电机发送命令以确保这些规律的实现。简单地说 , 运动控制卡的工作顺序是: 接受控制系统主机送来的 g代码段:根据进给速度、进给方向和位移量来设置相应的参数;计算出各轴以程序规定的速度在的加工路径上的一系列理论位置 ,然后相应地调节伺服放大器的信号以控制伺服电机运动来保证加工路径的实现。为保证程序规定的加工路径的准确实现 ,运动控制卡要重复地检测机床各轴的实际位置并计算实际位置与理论位置的误差 ,同时通过相应的调节来使这种误差小。这样就*了位置环的一次工作循环。
为了控制高速加工中心正常运行 , 运动控制卡的所有工作都是实时反复地执行 , 几乎每秒钟要进行成千上万次。普通 pc 机的软硬件不能任这种工作 , 而运动控制卡上的微处理器及其软件却有完成这种任务的能力 , 他们是为运动控制中快速重复的方程式解算而专门设计的。
现在 , 运动控制卡的发展趋势是: ①实现与机床计算机数控系统主机之间的高速通讯; ②大量使用数字技术。
运动控制卡功能的实现离不开一个响应迅速、与刀具路径刀具处理系统紧密结合的伺服系统。可是 ,尽管计算机数控领域内经常谈及计算机数控系统的开放式体系结构 , 但还是难以指望那种性能优良的伺服控制单元在近期里出现。计算机数控系统的著名制造商正在致力于复杂的分布式控制体系结构的建立。他们除了计算机数控系统中使用多个高速处理器分担不同的实时控制任务外 , 有时还在一些系统中使用“敏捷”(smart) 数字坐标轴驱动器 , 从速度方向考虑 , 反馈信号直接回到驱动器 , 而不是计算机数控系统 , 计算机数控系统主要用于监测整个系统的精度。
一个全数字式的运动控制卡将进一步增强计算机数控系统的控制功能。例如 , mitsubishi 500cnc通过 g代码能被切换到“高精度控制”模式来提高精度并减少加工时间。在一般的控制系统中 , 加/减速度是一个常数 , 但该控制系统在这种模式下工作时 , 加/减速度是按进给速度的某种函数计算的。其次 , 该控制系统中的控制算法能够把加减速过程中的位移 - 时间曲线平滑成“s”形 , 这将使伺服系统运行变得更加平稳。再次 , 该控制系统中运用了自适应数字滤波来抑制系统在某种频率范围内的振动。
5 高速加工的数控编程
高速加工的数控编程不同于普通加工的数控编程。在高速加工中 , 由于进给速度和加工速度很快 , 编程员必须能够预见到切削刀具是怎样切入工件中去的。加工时除了使用小的进给量和浅的切削深度外 , 编制nc代码时尽量避免加工方向的突然改变也是非常重要的 , 因为进给方向的突然变化不仅会使切削速度降低 ,而且还有可能产生“爬行”现象 , 这会降低加工表面质量 , 甚至还会产生过切或残留、刀具损坏乃至主轴损坏的现象 , 特别是在三维轮廊加工过程中 , 将复杂型面或拐角部分单独加工会比用“之”字形加工法、直线法或其他一些通用加工方法来一次加工出所有面更有利一些。
高速加工时 , 建议刀具缓慢切入工件 , 同时尽量避免刀具切出后又重新切入工件 , 因此 , 从一个切削层缓慢地进入另一个切削层比切出后再突然进入要好 ,其次 , 尽可能地保持一个稳定的切削参数 , 包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性 , 当遇到某处切削深度有可能增加时 , 应降低进给速度 , 因为负载的变化会引起刀具的偏斜 , 从而降低加工精度、表面质量和缩短刀具寿命。故在很多情况下 , 有必要对工作轮廊的某些复杂部分进行预处理 , 以使高速运行的精加工小直径刀具不会因为前道工序使用的较大直径刀具而留下的“加工残余”而导致切削负载的突然加大。目前一些 cam软件具有“加工残余分析”的功能 , 这一功能使得 cam系统准确地知道每次切削后加工残余的位置所在 , 这是保持刀具负载不变的关键 ,而这一关键对高速加工的成功实现又是至关重要的。总之 , 刀具路径越简单越好 , 这样 , 加工过程更有可能达到大进给速度 , 而不必由于密集的数据点簇和加工方向的突然改变而减速。在“之”字形切削路径中 , 用“弧线”(或类似弧形线段) 来连接相邻的两个直线段 , 将有利于减少加/减速程序的频繁调用和转换次数。
在高速加工中 , 无论从加工精度还是从加工安全性来说 , cam系统的自动过切 (残余) 保持功能是*的。因为过切 (残留) 对工件的损坏是不可修复的。而它对刀具的破坏亦是灾难性的 , 这就要求被加工几何表面建立一个精确而连续的数字模型以及有一个高效的刀具路径生成算法来保证加工轮廓的完整性。其次 , cam系统对刀具路径的验证能力亦是非常重要的 , 这一方面可以允许程序员在把加工代码送到车间之前验证程序编制的正确性 , 另一方面还可以对程序进行优化 , 根据不同加工路径自动地调节进给速度以始终保持大安全进给速度。
6 待加工轨迹监控 (look ahead)
前已述及 , 高速加工中的计算机控制系统必须具有待加工轨迹监控功能。通过待加工轨迹监控 , 机床可以获得高进给速度 , 这就是说 , 机床的计算机数控系统可以在保证加工精度的条件下使机床尽可能在大编程速度下工作。这里值得注意的是 , 完成上述工作的不是程序员 , 也不是机床操作者 , 而是机床的计算机数控系统 , 它可以在秒钟内 2000多次改变进给速度来达到上述目的。因此 , 使用一个具有待加工轨迹监控功能的高速计算机数控系统 , 可以保证在理想的精度条件下实现零件加工时间的短。
(1) 待加工轨迹监控的必要性
一般来说 , 经过机床加工后无需钳工处理的零件应是密的。为了达到这一目的 , 可以通过尽量减少进给量来降低加工表面的理论粗糙度。减少进给量意谓着所需要的切削时间会增加 , 但进给量的减少降低了切削力 , 因而允许机床在更大的加工速度和更高的进给速度下工作。特别是随着新的刀具制造技术的发展 , 更促进了加工速度的提高。在当今的高速铣削加工中 , 高速计算机数控系统和高速伺服单元结合来用少的时间加工出符合精度要求的工件 , 待加工轨迹监控是*的条件。
(2) 为什么需要待加工轨迹监控
* , 三维型面是很多相互靠近的点来形成的 , 其实问题就出在这里。我们可以经常见到很多 nc代码段定义的位移仅 010025mm , 这在复杂的精密零件加工中更是常见 , 如此密集的点在高速加工中出现过切 (残留) 的可能性极大。如果机床以高于 510m/ min的进给速度工作 , 那么机床要在小于 0125mm 的距离内从加工速度减速直到停下来几乎是不可能的。如果控制系统不通过待加工轨迹监控对此做出充分的准备 ,过切 (残留) 现象就不可避免。
(3) 待加工轨迹监控的工作原理
顾名思义 , 待加工轨迹监控就是计算机数控系统在控制加工的同时对将要被加工的程序段进行扫描以验证其能否正确控制机床完成 nc代码所规定的任务。如果发现前面有可能出现问题的话 , 控制系统将在适当的位置控制机床开始减速 , 把它降到刚好能满足加工精度要求的大速度为止。
(4) 待加工轨迹监控的代码段数
从1010m/ min的速度停下来 , 大部分机床至少需要1010mm以上的距离。这就是说 , 如果每一 nc代码段定义的位移仅 0110mm , 那么计算机数控系统就需要对后续待加工的100段nc代码进行检查看是否有加工方向的大幅度改变。后续的每两个 nc代码段的连接与目前加工点的距离和每轴减速的大距离进行比较。每一个微小线段可能需要计算一个不同的进给速度以保证达到精度要求的大进给速度。因此 , 不能规定监控多少段待加工 nc代码就足够了 , 监控待加工的程序段数是变化的 , 随着零件轮廓的复杂程度、要求达到的加工精度以及不同机床的动态性能等因素而改变。待加工轨迹监控算法虽然复杂 , 但这一工作完成得越快 , 越精确 , 那么计算机数控系统控制加工微小线段的性能和精度就越好。
如果使用没有待加工轨迹监控功能的计算机数控系统 , 那么机床加工的进给速度几乎是固定的 , 例如 ,如果加工的零件有某处形状较为复杂 , 当加工进给速度超过 014m/ min时就会产生过切 (残留) 现象 , 这时机床就必须以 014m/ min的速度加工整个零件。如果数控系统具有待加工轨迹监控功能 , 那么它就可以不断调整进给速度来平衡加工速度与加工精度的关系 , 也即数控系统不断监控后续加工的 nc代码段并调节进给速度以使机床能用少的时间来加工出符合加工精度要求的零件。总之 , 待加工轨迹监控功能是本着“精度第一 , 速度第二”的原则来优化加工参数 , 以使机床工作得更好、机床寿命更长。不过 , 只有在仔细优化机床的加/减速性能并充分利用机床及其驱动系统的特性的前提下 , 待加工轨迹监控功能的优点才能得以充分体现。
7 计算机数控系统网络 (direct cnc networking)
高速加工中 , 要实现刀具与工件之间的高速相对运动并不是一件十分简单的事情。一般来说 , 高速加工机床都是在计算机数控系统控制下工作的 , 数控系统中的 nc指令来自 cam系统产生的表示刀具轨迹的数据流。很多亲自操作过铣床来加工三维复杂零件的人肯定见到过计算机数控系统因等待 cnc代码数据而停止插补的现象。怎样才能将 nc代码数据快速送到计算机数控系统中以避免出现“数据不足” ( datastarvation) 的现象 ? 由于 cad/ cam系统在三维零件数控加工中的成功应用 , dnc (直接数字控制) 在过去几年里成为了数控加工中解决上述问题的通用工具。由于三维零件的 nc代码文件非常庞大 , 而计算机数控系统中的内存单元又相对较少 , 因此有必要在加工过程中分批将加工代码传送到计算机数控系统中。在高速加工中心中 , 计算机数控系统应该与cad/cam系统连接到同一个网络中 (direct cnc networking或dcn) 。网络的数据传送速度是 1m 字节/秒。而串行通讯的典型数据传送速度 (在 9600 波特率的情况下) 是960 字节/秒 , 因此 , dcn 使 cad/ cam系统向计算数控系统传送数据的速度得到了显著提高 , 其提高幅度几乎是 1000倍。
在高速加工时 , 如果 nc 代码数据不能够以足够快的速度传送到计算机数控系统中 , 那么 , 快速而精确地加工三维复杂曲面将是一句空话。一般来说 , 在三维加工中 , 如果 nc代码段定义的位移小于 015mm的话 , 这时候 cad/ cam 系统与计算机数控系统之间的数据传送就必须通过网络传送 , 否则 , dnc在数据传送速度方面的不足将会影响到机床性能的充分发挥。当dnc的数据传送速度成为一个瓶颈问题的时候 , 控制系统有时会出现因等待 nc数据段而停止插补的现象 , 这对机床来说意味着出现走走停停的“爬行”现象。可见 , 计算机数控系统要实现待加工轨迹监控的优点 , cad/ cam系统与计算机数控系统之间具有高速通讯功能就显得非常重要。
8 高速加工中心的其他方面
一台高速加工中心就是一个综合系统 , 其各个方面都离不开设计和制造工程师们的智慧。
对于高速加工中心的机械系统来说 , 重要的问题就是要能够实现每个轴向在高的速度和加速度的情况下精确地运动 , 克服由此而产生的所有问题 , 其中主要的就是振动和发热问题。
对于轴向运动速度问题 , 目前的技术是使用直线电机来驱动轴向运动 , 取代了原来用回转电机和滚珠丝杆的传统方法。与高分辨率的线性反馈系统结合使用 , 直线电机具有速度快、刚性好和精度高的特点。使用这种电机和反馈装置后 , ge fanuc 的机床在进给速度达到 7612m/ min 的情况下 , 加工误差只有3 μm。况且 , 目前使用直线电机的机床能达到高达115g的加/减程度 , 这对高精度高速切削和减少非切削时间是特别重要的。
当然 , 直线电机也不是实现高速运动的途径。mazak在它的 ff - 510卧式加工中心和 fjv - 20 立式加工中心中 , 使用滚珠丝杆和回转电机也达到了 1g的加速度和 6010m/ min的快速进给速度。在这两种加工中心中 , 使用了螺距较长的双头螺纹滚珠丝杆 , 以便伺服电机每转一圈能实现较长的线位移。尽管如此 , 通过使用高分辨率的反馈编码器 , 该类机床仍可达到 ±01005mm的精度。
在设计上述的滚珠丝杆时 , 必须考虑热量对它的影响 , 以免高速加工时运动部件之间的摩擦产生的热量降低系统的精度。
高速加工中心设计中 , 其他应考虑的方面还有 ,运动部件应具有较小的惯性 , 其刚度也应合适以吸收高速加工过程中产生的振动。
总之 , 在高速加工中心的设计中 , 我们应大胆创新 , 使用一些非传统的方法 , 解决因高速而引起的种种问题。由于计算机辅助工程技术的日益普及 , 不难找到解决每一个问题的方法。
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对于一台高速加工中心 , 下列部件和技术是*的。
(1) 高速主轴
(2) 功能强大的计算机数控系统
(3) 刀具
(4) 高的进给速度 (high feed rates)
(5) 高的快速进给速度 (high rapid traverse rates)
(6) 高的加/减速速率 ( high acceleration/ decelerationrates)
(7) 快速换刀
高速加工中心的简单组成框图如图所示
在图1所示的高速加工中心中 , 当计算机数控系统具有待加工轨迹的监控功能时 , 则其可以直接与cad/ cam系统通过网络连接 , 否则 , cad/ cam 系统生成的 nc代码必须先通过具有待加工轨迹监控功能的系统 , 然后再被传送到计算机系统中 , 如图中的虚线所示。
高速加工的成功实现是综合应用多项技术的成果。在应用的这些技术中 , 其中一些技术用于机床本身的改造 , 例如主轴、伺服电机、反馈传感器、数控系统等 , 经过改进的这些零部件协调工作 , 从而使加工过程中切削力降低、加工表面质量提高、生产周期缩短。另外一些技术用于对机床应用环境的改进。高速加工的成功应用必须对工厂的环境结构要有所改变 , 例如 ,对于模具的高速加工 , 其数控程序往往很长 , 一般都可以达到十兆字节左右。因此 , 建立一个企业内部局域网 ( intranet) , 使 cnc 系统能从 cad/ cam 中心快速获得数控代码就显得非常重要。
2 高速主轴
高速加工中心的高速主轴应具有精密度高、刚性好、运行平稳和热变形小等特点。
* , 轴承是主轴设计中重要的零部件 ,对高速主轴来说更是如此。低速运行的主轴常使用钢球轴承 , 油脂润滑 , 但是 , 随着转速的提高 , 这种设计方法已不再合适。现在 , 人们希望主轴既能输出大的功率又有高的转速。目前解决该问题的方法是利用混合陶瓷轴承并辅之以油润滑 , 这种方法能适合于150000r/ min以上的转速。setco 公司已运用此项技术制成 200000r/ min/ 75hp 和 3000000r/ min/ 50hp 的主轴。这种主轴中使用的轴承的内、外滚道仍然是用钢制成的。但其滚动部件是由硬度高且耐磨性好的陶瓷材料制成。由于陶瓷材料比钢轻 , 加上其制造工艺可以保证其制成的滚珠比钢制成的更圆 , 且工作中不易变形 , 热稳定性好 , 所以这种混合陶瓷轴承的运行性能良好。
任何一种轴承运行过程中产生的热量都会对其精度和寿命产生负面影响 , 因此在高速主轴中 , 必须采取措施来处理这个问题。转速在 100000r/ min以上的主轴 , 典型的方法是采用气油混合润滑系统。这种系统给轴承提供少的 (但却是足够) 润滑以使轴承产生较少的热量 , 其中气流不仅起润滑作用 , 还可以带走热量 , 除此之外 , 高速主轴还使用轴承冷却系统来散热 , 这种冷却系统有时也被称为“冷却器”。还有一些其他的减少摩擦的设计方法 , 例如 ,ingersoll 铣床公司生产的高速加工机床中 , 其功率为50hp , 转速达 200000r/ min 的主轴使用的是静动*承 , 这样 , 主轴在“液体”中而非在刚性件上转动。当转速需要很高时可以使用空气轴承 , 但它一般用于直径较小且转速要求超过 1000000r/ min 的主轴。几乎无摩擦的磁力轴承也在某些场合得到运用。ibag 公司就在一些特殊高速铣床上成功应用了这种轴承; 由于通过实时调节磁场可以自适应控制主轴的特性 , 因而这种磁力轴承显示出了巨大的发展潜力。
在今天的高速主轴设计中 , 混合陶瓷轴承发挥了巨大的作用 , 而且在将来的一段的时间里还继续发挥这种作用。下一代轴承将是纯陶瓷轴承 (包括滚道) 。现在人们已经掌握了纯陶瓷轴承的制造技术 , 但是一套高速加工主轴使用的纯陶瓷轴承的价格在300000～400000美元左右,如此昂贵的价格阻碍了它的推广应用。
另外 , 在主轴的运动转速下对主轴、刀具及其刀具夹具进行充分的平衡也是非常重要的。否则 , 过量的振动将导致径向跳动问题 , 从而缩短刀具寿命 , 降低加工表面质量和加工精度。
3 功能强大的计算机数控系统
为了实现高速高精度加工 , 运行快速且功能强大的计算机数控系统是*的 , 它必须能够足够快地处理数控程序代码段以保持程序中规定的进给速度。下面是计算机数控系统的两个重要参数及其概念。
(1) 伺服周期。这是计算机数控系统用于测量一次工作台的实际位置并发出一次进给命令所用的时间。换句话说 , 如果计算机数控系统的伺服周期是 5ms ,那么 , 它将在一秒钟内 200 次检测工作台的位置并在每次检测位置后发出新的进给命令。
(2) 代码段处理时间。这是计算机数控系统处理并完成一条加工指令代码段规定的位移所花费的时间。计算机数控系统的这两个参数对于高速加工中心来说非常重要 , 因为他们将决定机床的加工速度和加工精度。在这里 , 精度意味着在采用线性插补时 , 用直线段来逼近零件轮廊所允许的大误差。当 nc程序编制得越精确 , 描述刀具轨迹所需要的点也就越多 ,点与点之间的距离也就越短。当点与点之间的距离过短时会导致所谓“数据不足” (date starvation) 的现象 , 此时计算机数控系统将无法使机床达到数控代码规定的切削进给速度。
在高速加工中 , 计算机数控系统必须保证形成精确的加工轨迹 , 另外 , 在用直线段来逼近零件轮廊时 ,为了保证精度 , 直线段势必很短 , 从而使得零件程序变得很长。基于此 , 计算机数控系统需要一个 32位的微处理器 , 有时甚至需要多个微处理器 , 以完成高速插补、高速段处理和良好的待加工轨迹监控 (lookahead) 功能。为了能预先知道刀具路径以避免在拐角处出现事故 , 计算机数控系统是具有较多段加工nc代码轨迹监控的能力 , 这与司机必须有良好的视野范围才能高速驾驶一辆汽车有些类似。
目前所有较高水平的计算机数控系统都具有待加工轨迹监控能力。所谓待加工轨迹监控 , 就是计算机数控系统在控制加工的同时扫描待加工的数控代码 ,看刀具路径是否有方向上的突然改变 , 如果计算机数控系统发现前面必须改变进给方向时 , 自动执行加减速程序 , 以避免偏离程序中规定的切削加工路径。一些计算机数控系统和机床制造商通过软件来增强这一功能 , 并以此来优化机床的性能。例如 ,makino公司在他们的 fanuc 16mc控制系统中使用了64位“超级几何智能卡” ,其数控系统具有 120 段待加工nc代码的轨迹监控能力 ,这样 ,它允许 nc代码的编程人员使用想要的高进给速度 , 控制系统能动态调节进给速度和加减速度 ———在加工曲线段时减速 , 而在加工直线段时加速。当然 , 这些加/减速处理都是随不同机床的动态特性及要求的加工精度的不同而不同。
4 运动控制卡
运动控制卡是很多机床控制系统的基本组成部分 ,用于组成机床的位置环。它计算机床各轴的运行规律并给伺服电机发送命令以确保这些规律的实现。简单地说 , 运动控制卡的工作顺序是: 接受控制系统主机送来的 g代码段:根据进给速度、进给方向和位移量来设置相应的参数;计算出各轴以程序规定的速度在的加工路径上的一系列理论位置 ,然后相应地调节伺服放大器的信号以控制伺服电机运动来保证加工路径的实现。为保证程序规定的加工路径的准确实现 ,运动控制卡要重复地检测机床各轴的实际位置并计算实际位置与理论位置的误差 ,同时通过相应的调节来使这种误差小。这样就*了位置环的一次工作循环。
为了控制高速加工中心正常运行 , 运动控制卡的所有工作都是实时反复地执行 , 几乎每秒钟要进行成千上万次。普通 pc 机的软硬件不能任这种工作 , 而运动控制卡上的微处理器及其软件却有完成这种任务的能力 , 他们是为运动控制中快速重复的方程式解算而专门设计的。
现在 , 运动控制卡的发展趋势是: ①实现与机床计算机数控系统主机之间的高速通讯; ②大量使用数字技术。
运动控制卡功能的实现离不开一个响应迅速、与刀具路径刀具处理系统紧密结合的伺服系统。可是 ,尽管计算机数控领域内经常谈及计算机数控系统的开放式体系结构 , 但还是难以指望那种性能优良的伺服控制单元在近期里出现。计算机数控系统的著名制造商正在致力于复杂的分布式控制体系结构的建立。他们除了计算机数控系统中使用多个高速处理器分担不同的实时控制任务外 , 有时还在一些系统中使用“敏捷”(smart) 数字坐标轴驱动器 , 从速度方向考虑 , 反馈信号直接回到驱动器 , 而不是计算机数控系统 , 计算机数控系统主要用于监测整个系统的精度。
一个全数字式的运动控制卡将进一步增强计算机数控系统的控制功能。例如 , mitsubishi 500cnc通过 g代码能被切换到“高精度控制”模式来提高精度并减少加工时间。在一般的控制系统中 , 加/减速度是一个常数 , 但该控制系统在这种模式下工作时 , 加/减速度是按进给速度的某种函数计算的。其次 , 该控制系统中的控制算法能够把加减速过程中的位移 - 时间曲线平滑成“s”形 , 这将使伺服系统运行变得更加平稳。再次 , 该控制系统中运用了自适应数字滤波来抑制系统在某种频率范围内的振动。
5 高速加工的数控编程
高速加工的数控编程不同于普通加工的数控编程。在高速加工中 , 由于进给速度和加工速度很快 , 编程员必须能够预见到切削刀具是怎样切入工件中去的。加工时除了使用小的进给量和浅的切削深度外 , 编制nc代码时尽量避免加工方向的突然改变也是非常重要的 , 因为进给方向的突然变化不仅会使切削速度降低 ,而且还有可能产生“爬行”现象 , 这会降低加工表面质量 , 甚至还会产生过切或残留、刀具损坏乃至主轴损坏的现象 , 特别是在三维轮廊加工过程中 , 将复杂型面或拐角部分单独加工会比用“之”字形加工法、直线法或其他一些通用加工方法来一次加工出所有面更有利一些。
高速加工时 , 建议刀具缓慢切入工件 , 同时尽量避免刀具切出后又重新切入工件 , 因此 , 从一个切削层缓慢地进入另一个切削层比切出后再突然进入要好 ,其次 , 尽可能地保持一个稳定的切削参数 , 包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致性 , 当遇到某处切削深度有可能增加时 , 应降低进给速度 , 因为负载的变化会引起刀具的偏斜 , 从而降低加工精度、表面质量和缩短刀具寿命。故在很多情况下 , 有必要对工作轮廊的某些复杂部分进行预处理 , 以使高速运行的精加工小直径刀具不会因为前道工序使用的较大直径刀具而留下的“加工残余”而导致切削负载的突然加大。目前一些 cam软件具有“加工残余分析”的功能 , 这一功能使得 cam系统准确地知道每次切削后加工残余的位置所在 , 这是保持刀具负载不变的关键 ,而这一关键对高速加工的成功实现又是至关重要的。总之 , 刀具路径越简单越好 , 这样 , 加工过程更有可能达到大进给速度 , 而不必由于密集的数据点簇和加工方向的突然改变而减速。在“之”字形切削路径中 , 用“弧线”(或类似弧形线段) 来连接相邻的两个直线段 , 将有利于减少加/减速程序的频繁调用和转换次数。
在高速加工中 , 无论从加工精度还是从加工安全性来说 , cam系统的自动过切 (残余) 保持功能是*的。因为过切 (残留) 对工件的损坏是不可修复的。而它对刀具的破坏亦是灾难性的 , 这就要求被加工几何表面建立一个精确而连续的数字模型以及有一个高效的刀具路径生成算法来保证加工轮廓的完整性。其次 , cam系统对刀具路径的验证能力亦是非常重要的 , 这一方面可以允许程序员在把加工代码送到车间之前验证程序编制的正确性 , 另一方面还可以对程序进行优化 , 根据不同加工路径自动地调节进给速度以始终保持大安全进给速度。
6 待加工轨迹监控 (look ahead)
前已述及 , 高速加工中的计算机控制系统必须具有待加工轨迹监控功能。通过待加工轨迹监控 , 机床可以获得高进给速度 , 这就是说 , 机床的计算机数控系统可以在保证加工精度的条件下使机床尽可能在大编程速度下工作。这里值得注意的是 , 完成上述工作的不是程序员 , 也不是机床操作者 , 而是机床的计算机数控系统 , 它可以在秒钟内 2000多次改变进给速度来达到上述目的。因此 , 使用一个具有待加工轨迹监控功能的高速计算机数控系统 , 可以保证在理想的精度条件下实现零件加工时间的短。
(1) 待加工轨迹监控的必要性
一般来说 , 经过机床加工后无需钳工处理的零件应是密的。为了达到这一目的 , 可以通过尽量减少进给量来降低加工表面的理论粗糙度。减少进给量意谓着所需要的切削时间会增加 , 但进给量的减少降低了切削力 , 因而允许机床在更大的加工速度和更高的进给速度下工作。特别是随着新的刀具制造技术的发展 , 更促进了加工速度的提高。在当今的高速铣削加工中 , 高速计算机数控系统和高速伺服单元结合来用少的时间加工出符合精度要求的工件 , 待加工轨迹监控是*的条件。
(2) 为什么需要待加工轨迹监控
* , 三维型面是很多相互靠近的点来形成的 , 其实问题就出在这里。我们可以经常见到很多 nc代码段定义的位移仅 010025mm , 这在复杂的精密零件加工中更是常见 , 如此密集的点在高速加工中出现过切 (残留) 的可能性极大。如果机床以高于 510m/ min的进给速度工作 , 那么机床要在小于 0125mm 的距离内从加工速度减速直到停下来几乎是不可能的。如果控制系统不通过待加工轨迹监控对此做出充分的准备 ,过切 (残留) 现象就不可避免。
(3) 待加工轨迹监控的工作原理
顾名思义 , 待加工轨迹监控就是计算机数控系统在控制加工的同时对将要被加工的程序段进行扫描以验证其能否正确控制机床完成 nc代码所规定的任务。如果发现前面有可能出现问题的话 , 控制系统将在适当的位置控制机床开始减速 , 把它降到刚好能满足加工精度要求的大速度为止。
(4) 待加工轨迹监控的代码段数
从1010m/ min的速度停下来 , 大部分机床至少需要1010mm以上的距离。这就是说 , 如果每一 nc代码段定义的位移仅 0110mm , 那么计算机数控系统就需要对后续待加工的100段nc代码进行检查看是否有加工方向的大幅度改变。后续的每两个 nc代码段的连接与目前加工点的距离和每轴减速的大距离进行比较。每一个微小线段可能需要计算一个不同的进给速度以保证达到精度要求的大进给速度。因此 , 不能规定监控多少段待加工 nc代码就足够了 , 监控待加工的程序段数是变化的 , 随着零件轮廓的复杂程度、要求达到的加工精度以及不同机床的动态性能等因素而改变。待加工轨迹监控算法虽然复杂 , 但这一工作完成得越快 , 越精确 , 那么计算机数控系统控制加工微小线段的性能和精度就越好。
如果使用没有待加工轨迹监控功能的计算机数控系统 , 那么机床加工的进给速度几乎是固定的 , 例如 ,如果加工的零件有某处形状较为复杂 , 当加工进给速度超过 014m/ min时就会产生过切 (残留) 现象 , 这时机床就必须以 014m/ min的速度加工整个零件。如果数控系统具有待加工轨迹监控功能 , 那么它就可以不断调整进给速度来平衡加工速度与加工精度的关系 , 也即数控系统不断监控后续加工的 nc代码段并调节进给速度以使机床能用少的时间来加工出符合加工精度要求的零件。总之 , 待加工轨迹监控功能是本着“精度第一 , 速度第二”的原则来优化加工参数 , 以使机床工作得更好、机床寿命更长。不过 , 只有在仔细优化机床的加/减速性能并充分利用机床及其驱动系统的特性的前提下 , 待加工轨迹监控功能的优点才能得以充分体现。
7 计算机数控系统网络 (direct cnc networking)
高速加工中 , 要实现刀具与工件之间的高速相对运动并不是一件十分简单的事情。一般来说 , 高速加工机床都是在计算机数控系统控制下工作的 , 数控系统中的 nc指令来自 cam系统产生的表示刀具轨迹的数据流。很多亲自操作过铣床来加工三维复杂零件的人肯定见到过计算机数控系统因等待 cnc代码数据而停止插补的现象。怎样才能将 nc代码数据快速送到计算机数控系统中以避免出现“数据不足” ( datastarvation) 的现象 ? 由于 cad/ cam系统在三维零件数控加工中的成功应用 , dnc (直接数字控制) 在过去几年里成为了数控加工中解决上述问题的通用工具。由于三维零件的 nc代码文件非常庞大 , 而计算机数控系统中的内存单元又相对较少 , 因此有必要在加工过程中分批将加工代码传送到计算机数控系统中。在高速加工中心中 , 计算机数控系统应该与cad/cam系统连接到同一个网络中 (direct cnc networking或dcn) 。网络的数据传送速度是 1m 字节/秒。而串行通讯的典型数据传送速度 (在 9600 波特率的情况下) 是960 字节/秒 , 因此 , dcn 使 cad/ cam系统向计算数控系统传送数据的速度得到了显著提高 , 其提高幅度几乎是 1000倍。
在高速加工时 , 如果 nc 代码数据不能够以足够快的速度传送到计算机数控系统中 , 那么 , 快速而精确地加工三维复杂曲面将是一句空话。一般来说 , 在三维加工中 , 如果 nc代码段定义的位移小于 015mm的话 , 这时候 cad/ cam 系统与计算机数控系统之间的数据传送就必须通过网络传送 , 否则 , dnc在数据传送速度方面的不足将会影响到机床性能的充分发挥。当dnc的数据传送速度成为一个瓶颈问题的时候 , 控制系统有时会出现因等待 nc数据段而停止插补的现象 , 这对机床来说意味着出现走走停停的“爬行”现象。可见 , 计算机数控系统要实现待加工轨迹监控的优点 , cad/ cam系统与计算机数控系统之间具有高速通讯功能就显得非常重要。
8 高速加工中心的其他方面
一台高速加工中心就是一个综合系统 , 其各个方面都离不开设计和制造工程师们的智慧。
对于高速加工中心的机械系统来说 , 重要的问题就是要能够实现每个轴向在高的速度和加速度的情况下精确地运动 , 克服由此而产生的所有问题 , 其中主要的就是振动和发热问题。
对于轴向运动速度问题 , 目前的技术是使用直线电机来驱动轴向运动 , 取代了原来用回转电机和滚珠丝杆的传统方法。与高分辨率的线性反馈系统结合使用 , 直线电机具有速度快、刚性好和精度高的特点。使用这种电机和反馈装置后 , ge fanuc 的机床在进给速度达到 7612m/ min 的情况下 , 加工误差只有3 μm。况且 , 目前使用直线电机的机床能达到高达115g的加/减程度 , 这对高精度高速切削和减少非切削时间是特别重要的。
当然 , 直线电机也不是实现高速运动的途径。mazak在它的 ff - 510卧式加工中心和 fjv - 20 立式加工中心中 , 使用滚珠丝杆和回转电机也达到了 1g的加速度和 6010m/ min的快速进给速度。在这两种加工中心中 , 使用了螺距较长的双头螺纹滚珠丝杆 , 以便伺服电机每转一圈能实现较长的线位移。尽管如此 , 通过使用高分辨率的反馈编码器 , 该类机床仍可达到 ±01005mm的精度。
在设计上述的滚珠丝杆时 , 必须考虑热量对它的影响 , 以免高速加工时运动部件之间的摩擦产生的热量降低系统的精度。
高速加工中心设计中 , 其他应考虑的方面还有 ,运动部件应具有较小的惯性 , 其刚度也应合适以吸收高速加工过程中产生的振动。
总之 , 在高速加工中心的设计中 , 我们应大胆创新 , 使用一些非传统的方法 , 解决因高速而引起的种种问题。由于计算机辅助工程技术的日益普及 , 不难找到解决每一个问题的方法。
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