HNC-210B與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)綜合加工性能比較研究

王榮興，王志平，白劍波

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇常州 213164)

數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的“大腦”和控制樞紐，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的綜合性能，有利于我國(guó)制造業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。目前，國(guó)產(chǎn)與國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)的性能差距顯著縮小，但國(guó)外品牌依然占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)［1］。為檢驗(yàn)數(shù)控系統(tǒng)的性能，通常在數(shù)控機(jī)床上直接加工包含圓弧、直線、斜線、直線和圓弧相切或相交的綜合試件，然后檢測(cè)試件的尺寸精度。例如世界著名的汽車(chē)制造商梅賽德斯-奔馳公司選用數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是其必須在機(jī)床上合格地加工出所設(shè)計(jì)的特殊測(cè)試零件［2］。在機(jī)床上加工測(cè)試件，其檢測(cè)結(jié)果包含數(shù)控裝置精度、位置伺服系統(tǒng)精度、機(jī)床機(jī)械精度 (如主軸、刀架、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度、刀具、工件裝夾精度等)、加工工藝、測(cè)試方法和工具等［3］。檢測(cè)機(jī)床圓運(yùn)動(dòng)的軌跡精度不僅可以獲得與機(jī)床的幾何精度、位置誤差、重復(fù)精度有關(guān)的信息，還可以獲得與進(jìn)給速度和伺服控制系統(tǒng)有關(guān)的動(dòng)態(tài)誤差分量的信息，包括伺服增益不匹配及由于伺服響應(yīng)滯后引起的誤差等［4］。在采用相同的機(jī)床、加工工藝、測(cè)試方法和工具情況下，使用不同的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)加工測(cè)試件，其綜合加工性能將有效地反映數(shù)控系統(tǒng) (數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng))間的性能差異。文中利用國(guó)內(nèi)外不同數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床加工試件，比較了試件間的綜合加工精度，研究了國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)綜合加工性能的差異，為用戶選用數(shù)控系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件準(zhǔn)備

試件材料LY12，具有強(qiáng)度高、有一定耐熱性的特點(diǎn)。其化學(xué)成分:wCu=3.8% ～4.9%，wSi=0.5%，wFe=0.5%，wMn=0.3% ～0.9%，wMg=1.2% ～1.8%，wZn=0.25%，wCr=0.1%，wTi=0.15%，余量為Al。其力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度σb≥470 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥325 MPa，伸長(zhǎng)率δ≥10%，硬度HB 120。根據(jù)“精加工試件精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”確定試件形狀［5］，如圖1所示，相關(guān)尺寸見(jiàn)表1。

圖1 試件

表1 試件尺寸 mm

1.2 加工工藝

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床為VDF-850立式加工中心，最高轉(zhuǎn)速8 000 r/min，最快切削進(jìn)給速度7 600 mm/min，主軸功率11 kW。加工刀具:φ32三刃立銑刀，HLD刀桿，KORLOY鋁用刀片;固定刀桿微調(diào)精鏜刀，新馬鏜桿，KORLOY鋁用鏜刀片。精加工余量0.2 mm。試件加工工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試件加工工藝參數(shù)

1.3 分析方法

分別在數(shù)控系統(tǒng)為HNC-210B、FANUC-0iMC的VDF-850立式加工中心上進(jìn)行鋁合金試件的切削，切削前不同系統(tǒng)的加工中心同時(shí)開(kāi)機(jī)2 h;使用ZEISS PRISMO型三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量各試件的直線度、傾斜度、位置度、同軸度、垂直度和平行度等公差，玻璃陶瓷光柵尺分辨率0.04 μm，VAST GOLD檢測(cè)精度:MPE_E=(0.9+L/350)μm、MPE_P=1.0 μm、MPE_THP=1.9 μm/50 s，蔡司 RDS高效旋轉(zhuǎn)探測(cè)器:兩軸360°旋轉(zhuǎn)、步距角2.5°，Taster球形測(cè)針(測(cè)尖球徑φ3 mm，柄長(zhǎng)58 mm)，使用Taylor Hobson Talyrond 365圓度儀測(cè)量各試件φ108 mm的圓度和同軸度，標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍18～22℃、溫度梯度1℃/h;用方差分析對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究HNC-210B和FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工性能的差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直線度測(cè)量結(jié)果與分析

圖2(a)所示為HNC-210B直線度和傾斜度測(cè)量結(jié)果，圖2(b)所示為FANUC-0iMC直線度和傾斜度測(cè)量結(jié)果。所有直線度測(cè)量結(jié)果如表3所示。兩系統(tǒng)所有直線度均相等，系統(tǒng)間無(wú)差異。

圖2 ZEISS三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的直線度和傾斜度

表3 直線度測(cè)量結(jié)果 mm

2.2 傾斜度測(cè)量結(jié)果與分析

傾斜度測(cè)量結(jié)果如表4所示，HNC-210B系統(tǒng)和FANUC-0iMC系統(tǒng)各有兩項(xiàng)超差。使用單因素方差分析，F(xiàn)=0.007 739，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.931 638＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣傾斜度的差異不顯著。

表4 傾斜度測(cè)量結(jié)果 mm

表5 傾斜度方差分析

2.3 位置度和同軸度測(cè)量結(jié)果與分析

位置度測(cè)量結(jié)果如表6所示，所有結(jié)果均符合要求。使用單因素方差分析 (見(jiàn)表7)，F(xiàn)=1.722 702，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.237 315＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣位置度的差異不顯著。

表6 四孔位置度和同軸度測(cè)量結(jié)果 mm

表7 位置度方差分析

同軸度測(cè)量結(jié)果如表6所示，所有結(jié)果均符合要求。使用單因素方差分析 (見(jiàn)表8)，F(xiàn)=0.264 371，F(xiàn)＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.625 515＞0.05，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣同軸度的差異不顯著。

表8 同軸度方差分析

2.4 其他形位公差測(cè)量結(jié)果與分析

其他形位公差測(cè)量結(jié)果如表9所示。HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的平行度、垂直度、同軸度和圓柱度公差均在允許范圍內(nèi)，差異不顯著。

表9 其他形位公差測(cè)量結(jié)果 mm

2.5 圓度測(cè)量結(jié)果與分析

試樣圓度測(cè)量如圖3、4所示，測(cè)量結(jié)果為:HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的圓度為0.014 89 mm，同軸度為0.001 0 mm;FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)加工試樣的圓度為0.014 17 mm，同軸度為0.001 4 mm，兩試樣的圓度和同軸度公差均在允許范圍內(nèi)，差異不顯著。從圖3、4中可以看出:兩圓輪廓均存在少量的誤差，在過(guò)象限時(shí)都出現(xiàn)了波動(dòng)。究其原因:(1)伺服系統(tǒng)存在跟隨誤差，減小每個(gè)進(jìn)給軸的跟隨誤差成為提高零件輪廓加工精度的關(guān)鍵［6］;(2)過(guò)象限時(shí)伺服軸突然反向運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起定位輪廓誤差。改善這些問(wèn)題的方法之一是通過(guò)調(diào)整速度環(huán)參數(shù)來(lái)改善電機(jī)誤差的響應(yīng)性，即調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的比例增益和積分時(shí)間的響應(yīng)，同時(shí)對(duì)控制指令響應(yīng)的加減速也作相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整以上參數(shù)后，過(guò)象限現(xiàn)象狀況改善，但不可能消除。將速度環(huán)參數(shù)調(diào)整到最佳后，繼續(xù)調(diào)整位置環(huán)參數(shù)，主要是調(diào)整前饋系數(shù)。在不用預(yù)讀功能時(shí)，過(guò)象限現(xiàn)象有了明顯改善。但是不加預(yù)讀功能，機(jī)床的加工速度又明顯降低，使機(jī)床加工效率下降。效率和精度成為一對(duì)矛盾，這時(shí)候就要從機(jī)床參數(shù)方面找到一個(gè)速度和精度的結(jié)合點(diǎn)，即在保證精度的前提下，盡量加快機(jī)床的工作速度［7］。改善這些問(wèn)題的方法之二是采用過(guò)象限誤差補(bǔ)償，即在過(guò)象限處，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)機(jī)床軸加入額外的補(bǔ)償值，即在軸的過(guò)象限處預(yù)先加入額外的速度設(shè)定值脈沖，減小軸突然反向運(yùn)動(dòng)中由于機(jī)械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起的定位輪廓誤差，保證在加工時(shí)，尤其是加工圓弧軌跡時(shí)獲得更高的加工輪廓精度。過(guò)象限誤差補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償依據(jù)是測(cè)量系統(tǒng)反饋值和指令值間的偏差。因而只有當(dāng)被測(cè)量機(jī)床軸具有直接測(cè)量系統(tǒng) (直線光柵或圓光柵)時(shí)，才能反映出真實(shí)的誤差情況。在開(kāi)始過(guò)象限誤差補(bǔ)償之前，驅(qū)動(dòng)必須是已經(jīng)優(yōu)化過(guò)的，包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)和前饋等的優(yōu)化［8］。不管采用哪種方法，都只能減小而不能消除圓弧輪廓的誤差和波動(dòng)。

圖3 HNC-210B試樣圓度測(cè)量結(jié)果

圖4 FANUC-0iMC試樣圓度測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)使用ZEISS三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和Taylor圓度儀對(duì)HNC-210B和FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)綜合加工試樣的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析表明:兩試件的直線度完全相同;傾斜度F=0.007 739＜Fcrit，Pvalue=0.931 638＞0.05;位置度F=1.722 702＜Fcrit，Pvalue=0.237 315＞0.05;同軸度F=0.264 371＜Fcrit，Pvalue=0.625 515＞0.05;兩試樣的圓度分別為0.014 89和0.014 17 mm，同軸度分別為0.001 0和0.001 4 mm，均在公差范圍內(nèi)。國(guó)產(chǎn)HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)之間的綜合加工性能的差異不顯著，HNC-210B數(shù)控系統(tǒng)達(dá)到了FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng)的綜合加工性能水平。

［1］盧燕明，張淼.國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的根本出路是走出市場(chǎng)鏈條的“怪圈”［J］.金屬加工:冷加工，2010(5):14-19.

［2］奚長(zhǎng)浩.數(shù)控裝置技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［3］劉梅梅.圣維數(shù)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)技術(shù)研究［D］.綿陽(yáng):中國(guó)兵器科學(xué)研究院(第58所)，2006.

［4］趙國(guó)勇.數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平滑處理、伺服控制及輪廓控制技術(shù)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006.

［5］全國(guó)金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T18400.7-2010加工中心檢驗(yàn)條件第7部分:精加工試件精度檢驗(yàn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010-11-10.

［6］孫興偉，董蔚，王可，等.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)跟隨誤差對(duì)加工輪廓的影響［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(6):76-78.

［7］楊進(jìn)民.數(shù)控銑床過(guò)象限現(xiàn)象分析與解決［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(18):116-118.

［8］顧向清.SINUMERIK840D自動(dòng)過(guò)象限誤差補(bǔ)償QEC的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(6):164-167.