用于復(fù)雜銑削加工的最新工藝包——涵蓋 3軸、3+2 軸和5軸銑削等中高端應(yīng)用

西門子股份公司工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)部 Wolfgang Reichart

現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)如何使銑床發(fā)揮出其最大性能，即以最佳生產(chǎn)效率和表面加工質(zhì)量進(jìn)行銑削加工？除具備高性能運(yùn)動(dòng)控制功能外，數(shù)控系統(tǒng)還應(yīng)操作簡(jiǎn)單、界面直觀，工藝循環(huán)技術(shù)先進(jìn)，不但加工時(shí)間縮短，而且設(shè)置和編程時(shí)間也降至最低。即使配備普通銑床，也可實(shí)現(xiàn)此前僅有高檔銑床才能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。

帶有 Sinumerik MDynamics 銑削工藝包的西門子數(shù)控系統(tǒng)即是為此應(yīng)運(yùn)而生的，采用了新的“精優(yōu)曲面”智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)：創(chuàng)新性的“預(yù)讀”算法，以及程序段壓縮和加加速度控制等功能。Sinumerik MDynamics 銑削工藝包適用于所有西門子數(shù)控系統(tǒng)，包括Sinumerik 840D sl 和 828D，以及最近推出的 Sinumerik 828D BASIC M（見圖1）。

1.“精優(yōu)曲面”技術(shù)——完美加工自由曲面

不但新的“預(yù)讀”功能顯著提高了進(jìn)給精度和速度，而且相鄰銑削路徑的速度屬性還獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)（見圖2）。

圖2

更快的加工速度，更優(yōu)的表面質(zhì)量：“精優(yōu)曲面”技術(shù)是 Sinumerik MDynamics 工藝包的核心功能之一，可以一勞永逸地提高模具制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。無需針對(duì)具體零件調(diào)整加工數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)、費(fèi)時(shí)的數(shù)據(jù)調(diào)整方法相比，可以在更短時(shí)間內(nèi)獲得同樣或者更好的加工效果。

尤其是對(duì)于加工自由曲面時(shí)的往復(fù)切削路徑，可以控制刀具在相鄰銑削路徑上具有高度一致的速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，從而確保完美的表面加工質(zhì)量（見圖3、圖4）。

圖3

圖4

通過“精優(yōu)曲面”技術(shù)，相鄰加工路徑可實(shí)現(xiàn)高度一致的速度屬性，從而顯著提高表面質(zhì)量。

新的程序段壓縮功能使路徑過渡極為圓滑，從而提高了工件精度。

憑借通過優(yōu)化的程序段在線壓縮功能，由于后處理寫入的直線段和圓弧段可連續(xù)轉(zhuǎn)換為 NURBS曲線，即使是在執(zhí)行既包含 G0/G1 程序段、又包含 G2/G3 程序段的 NC 程序時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序段變化時(shí)的圓滑過渡（見圖5）。這樣，不僅顯著提高了輪廓加工精度，還可大大縮短了加工時(shí)間。

圖5

程序段壓縮功能可將多個(gè) G1 或 G2/G3 程序段連續(xù)轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)可以直接處理的多項(xiàng)式，從而顯著提高機(jī)床動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和生產(chǎn)效率。

新的智能加速度控制功能可確保所有軸都可平穩(wěn)地加減速，以保證機(jī)床的整體動(dòng)態(tài)性能，有助于保護(hù)機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)，延長(zhǎng)其使用壽命，降低維護(hù)成本，從而顯著提高機(jī)床帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

“精優(yōu)曲面”技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)可確保表面精加工獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)循環(huán)之外。這也意味著，即使用入門級(jí)的 Sinumerik 828D BASIC M 數(shù)控系統(tǒng)，也能夠在實(shí)際應(yīng)用中加工出一流的表面質(zhì)量。再輔以 Sinumerik 系統(tǒng)的強(qiáng)大計(jì)算能力，加工時(shí)間顯著縮短，機(jī)床效率顯著提高，并可支持更加復(fù)雜的機(jī)床運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)變換功能。例如，Sinumerik 828D 中的“精優(yōu)曲面”技術(shù)可以控制靜止旋轉(zhuǎn)表面的 3 軸加工（3+2 軸），而Sinumerik 840D sl 可實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)。

2.“高速設(shè)定”——即使加工任務(wù)極其復(fù)雜，也能輕松完成參數(shù)設(shè)置

最終產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率，是機(jī)械加工效益的兩個(gè)決定性指標(biāo)。當(dāng)然，機(jī)床動(dòng)態(tài)性能與工步間的完美協(xié)調(diào)也至關(guān)重要。由于高速加工應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)量非常龐大，因此，調(diào)整加工數(shù)據(jù)不僅費(fèi)時(shí)耗力，而且通常不能完成全部調(diào)整。

為此，Sinumerik MDynamics 提供了一種極為簡(jiǎn)便、快速的“高速設(shè)定”循環(huán)：Cycle832。該循環(huán)能夠自動(dòng)設(shè)定所有相關(guān)的機(jī)床參數(shù)、NC 參數(shù)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)，用戶只需在 NC 程序中指定所需精度（公差值）、以及最大切削速度（粗切削）、最大精度和表面質(zhì)量即可。

3.80位浮點(diǎn)數(shù)納米級(jí)計(jì)算精度

為充分利用 Sinumerik MDynamics 的智能加工策略，數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有算法和閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)均必須能夠準(zhǔn)確地傳輸所有設(shè)定值和實(shí)際值，而不會(huì)產(chǎn)生任何明顯舍入誤差。雖然在整個(gè)工藝鏈中舍入誤差不可避免，但必須盡量將其降至最低，以使其對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的精度。為達(dá)到這一目標(biāo)，Sinumerik MDynamics 采用了 80 位浮點(diǎn)數(shù)的納米級(jí)計(jì)算精度：從 NC 程序編譯器直到驅(qū)動(dòng)層，計(jì)算精度和數(shù)據(jù)傳輸都具有足夠高的精度，從而避免了舍入誤差對(duì)加工精度的影響。另一方面：只有具備 80 位浮點(diǎn)數(shù)納米級(jí)計(jì)算精度，才能在各種加工場(chǎng)合下都能真正發(fā)揮數(shù)控機(jī)床加工精度的優(yōu)勢(shì)——尤其對(duì)于加工精度和表面質(zhì)量要求均較高的加工任務(wù)而言，優(yōu)勢(shì)將更為明顯。

4.Sinumerik Operate 操作極為簡(jiǎn)便

加工過程的高效率不僅要求切削時(shí)間短，而且還要求數(shù)控系統(tǒng)的操作需直觀、省時(shí)。Sinumerik Operate 數(shù)控系統(tǒng)采用了全新的圖形化交互式用戶界面：界面布局和菜單樹結(jié)構(gòu)清晰，一目了然。Sinumerik Operate 可謂當(dāng)前市場(chǎng)中操作最先進(jìn)、最直觀的數(shù)控系統(tǒng)操作界面?！皠?dòng)畫元素”是Sinumerik Operate 中的一個(gè)獨(dú)特功能，編程和操作參數(shù)輸入不再使用靜態(tài)幫助畫面進(jìn)行解釋，而是通過播放簡(jiǎn)短的動(dòng)畫圖片。由于大多數(shù)輸入?yún)?shù)均代表機(jī)床的某項(xiàng)動(dòng)作，因此，通過簡(jiǎn)短的動(dòng)畫播放，可使操作步驟（如工件測(cè)頭或加工循環(huán)進(jìn)刀和退刀路徑的含義）更加清晰易懂，用戶甚至無需查看相關(guān)文檔即可明白（見圖6）。

圖6 動(dòng)畫元素

編程向?qū)В≒rogramGuide）為工藝循環(huán)提供了具備良好自解釋性的交互式輸入對(duì)話框。各個(gè)參數(shù)的含義和更改某個(gè)值時(shí)的效果可立即顯示出來 ，從而可快速、直觀地對(duì)復(fù)雜的機(jī)械加工任務(wù)進(jìn)行控制，甚至無需查看使用手冊(cè)。

5.設(shè)定和編程

只有配用 Sinumerik MDynamics，Sinumerik Operate 操作界面中的機(jī)床設(shè)置和刀具管理才能完全符合銑床要求。Sinumerik MDynamics 中提供有豐富的測(cè)頭功能，可用于測(cè)定工件零點(diǎn)或刀具長(zhǎng)度和直徑等。整合銑削和鉆削循環(huán)型式的 Sinumerik MDynamics 工藝包還提供有輪廓型腔銑削循環(huán)和自動(dòng)剩余材料檢測(cè)功能，以及工藝測(cè)量循環(huán)包。當(dāng)然，也支持編程向?qū)В≒rogramGuide）功能，可以按照銑床編程要求自動(dòng)調(diào)整軟鍵定義。最后，同時(shí)也是最重要的一點(diǎn)是，Sinumerik MDynamics 還包括 ShopMill 工步編程功能，以用于小批量銑削零件的加工等特殊的加工需求。

6.Sinumerik MDynamics ——完美銑削

Sinumerik MDynamics 工藝包括以下幾個(gè)方面

（1）Sinumerik Operate 交互式圖形化用戶操作和編程界面 動(dòng)畫元素輔助參數(shù)設(shè)定；全圖形化文本關(guān)聯(lián)幫助系統(tǒng)；支持采用開關(guān)量和連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量工件和刀具直觀的刀具管理功能，包括使用壽命控制和替換刀管理；模具制造程序存儲(chǔ)在用戶CF 卡上。

（2）面向全球的數(shù)控編程方式 Sinumerik 高級(jí)語言編程，支持編程向?qū)В╬rogramGuide）功能，適于大中批量零件加工；ShopMill 工步編程，適于小批量零件加工 ；標(biāo)準(zhǔn) ISO 代碼編程。

（3）工藝循環(huán)包 標(biāo)準(zhǔn)鉆削和銑削工藝循環(huán)；輪廓型腔銑削循環(huán)，支持多達(dá)12 個(gè)島；自動(dòng)剩余材料檢測(cè)；靜止 3+2 軸旋轉(zhuǎn)平面加工；高速設(shè)定循環(huán)，用于模具制造程序的參數(shù)設(shè)置；連續(xù)測(cè)量循環(huán)，用于標(biāo)定 5 軸加工坐標(biāo)系。

（4）加工程序模擬 全圖形化三維加工程序模擬， 模具制造快速視圖。

（5）速度控制和空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 “精優(yōu)曲面”速度控制；縱面加工轉(zhuǎn)換，用于加工圓柱形工件；樣條插補(bǔ)；五軸聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)換（僅適用于 Sinumerik 840D sl）；三維刀具半徑補(bǔ)償功能（僅適用于 Sinumerik 840D sl）。

Sinumerik 家族在供貨時(shí)進(jìn)行了如下區(qū)分：Sinumerik 828D在發(fā)貨時(shí)定制為銑削應(yīng)用的軟件包，供貨時(shí) Sinumerik Mdynamics 僅包含“精優(yōu)曲面”功能和 Sinumerik Operate基本配置版（銑削用）。而如 ShopMill 圖形化工步編程或測(cè)量循環(huán)等具體功能則需單獨(dú)選購(gòu)。對(duì)于不分工藝的通用Sinumerik 840D sl 數(shù)控系統(tǒng)，Sinumerik Mdynamics有全功能的 3 軸包和 5 軸包供選擇。

但無論是何種 Sinumerik Mdynamics工藝包，都能令 Sinumerik 數(shù)控系統(tǒng)完美適用于所有銑削應(yīng)用，并帶來無與倫比的銑削性能。憑借簡(jiǎn)單友好的操作、編程和設(shè)置功能，強(qiáng)大的銑削循環(huán)和高效的速度控制，Sinumerik MDynamics 可使各種復(fù)雜銑削應(yīng)用顯著受益。