數(shù)控機(jī)床加工精度控制

■濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司 （山東 250022） 王紅娜 趙樹濤 謝沛清

數(shù)控機(jī)床加工精度控制

■濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司 （山東 250022） 王紅娜 趙樹濤 謝沛清

隨著數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床高速加工時(shí)的輪廓精度控制功能要求越來越高；不僅改進(jìn)加強(qiáng)進(jìn)給軸剛性，以減少高速加工下輪廓誤差(Contouring Error)，而且從CNC數(shù)控功能上加以改進(jìn)。在國內(nèi)使用較多的具有代表性的兩大數(shù)控系統(tǒng)Siemens840D sl和FANUC 31 i, 為減少高速加工下輪廓誤差增加了加速度控制和插補(bǔ)前加速度（Acceleration before interpolation）控制、速度前饋通道控制(Feed forward) 、輪廓精度控制和RTCP五軸控制等功能。

1. 插補(bǔ)前加速度控制

速度饋通道控制較插補(bǔ)前加速度功能應(yīng)用要早一些。在高速進(jìn)給下，所采用速度前饋通道控制功能，通常為一階網(wǎng)絡(luò)校正。在直線插補(bǔ)情況下，各進(jìn)給軸跟隨誤（Following Error）差明顯減少，但在曲面加工，尤其是在曲率變化較大時(shí)，輪廓誤差沒有顯著地被減少。雖然采用前饋通道二階網(wǎng)絡(luò)校正（加速度饋通道Acceleration forward，NUM1060 CNC 系統(tǒng)有此功能），會(huì)顯著減少輪廓誤差，但因調(diào)整與優(yōu)化參數(shù)較困難，系統(tǒng)易產(chǎn)生振動(dòng)，故較少采用。

加工路徑曲率變化大而導(dǎo)致發(fā)生較大的輪廓誤差，關(guān)鍵原因是各進(jìn)給軸和插補(bǔ)器對(duì)加速度的控制特性。調(diào)整各進(jìn)給軸加速度值和路徑進(jìn)給加速度值或時(shí)間常數(shù)，對(duì)輪廓誤差起到明顯的控制；前者被稱為插補(bǔ)后加速度功能（Acceleration after interpolation）; 后者則稱為插補(bǔ)前加速度功能。插補(bǔ)后加速度功能是根據(jù)各進(jìn)給軸加速度設(shè)定值，由插補(bǔ)器產(chǎn)生；則有，要求加工件的輪廓精度越高，各進(jìn)給軸加速度值越大或時(shí)間常數(shù)越小。較高的加速度要求機(jī)械剛性高，且各進(jìn)給軸的慣量小，較難做到，而高值加速度會(huì)引起機(jī)械沖擊和振動(dòng)，尤其是在高速執(zhí)行小線段逼近曲線加工程序時(shí)。與之相反的是插補(bǔ)前加速度功能控制下的輪廓加工精度和路徑加速度大小成反比關(guān)系；適當(dāng)降低路徑加速度，可獲得較高的輪廓加工精度；加工時(shí)間較長(zhǎng)一些，在高速執(zhí)行小線段逼近曲線加工程序時(shí)，設(shè)定速度和實(shí)際進(jìn)給速度差別較大。二者結(jié)合使用是目前大多CNC系統(tǒng)所推薦的方式，根據(jù)具體的加工情況設(shè)定插補(bǔ)前后的加速度值，并合理地設(shè)定路徑拐角速度（Speed at corner），會(huì)獲得較好的加工效果。

設(shè)定插補(bǔ)前后的加速度值、加速度類型（Bell or Linear –Shaped Acceleration）和路徑拐角速度取決于三個(gè)要素：輪廓加工精度、低振動(dòng)（Small Shock）及加工件表面質(zhì)量（S u r f a c e Quality）和加工時(shí)間。

高速加工時(shí)，根據(jù)加工件要求進(jìn)行三要素的評(píng)價(jià)，在此僅做插補(bǔ)前鐘形加速度功能和路徑拐角過渡輪廓誤差分析。

條件：X—Y 平面

加工程序：N1 G01 G91 X100 F10000；

N2 Y100；

加速度類型： 鐘形

路徑拐角速度： F400（400mm/min）

設(shè)定進(jìn)給速度： F10000（10000mm/min）

有如下三種情況：

（1）優(yōu)選輪廓加工精度和加工時(shí)間。插補(bǔ)前加速度時(shí)間常數(shù)：100ms，插補(bǔ)后加速度時(shí)間常數(shù)：30ms，拐角點(diǎn)的輪廓誤差：0.015mm，程序段轉(zhuǎn)換時(shí)間：60ms。

（2）優(yōu)選加工時(shí)間和工件表面質(zhì)量。插補(bǔ)前加速度時(shí)間常數(shù)：100ms，插補(bǔ)后加速度時(shí)間常數(shù)：60ms，拐角點(diǎn)的輪廓誤差：0.08mm，程序段轉(zhuǎn)換時(shí)間：70ms。

（3）優(yōu)選輪廓加工精度和工件表面質(zhì)量。插補(bǔ)前加速度時(shí)間常數(shù)明顯增大，路徑拐角速度明顯減小。路徑拐角速度： F100（400mm/min），插補(bǔ)前加速度時(shí)間常數(shù)：400ms，插補(bǔ)后加速度時(shí)間常數(shù)：30ms，拐角點(diǎn)的輪廓誤差：0.005mm，程序段轉(zhuǎn)換時(shí)間：200ms。

上述分析，根據(jù)實(shí)際的機(jī)床特點(diǎn)盡量減少插補(bǔ)后加速度時(shí)間常數(shù)，以加大各進(jìn)給軸加速度；再根據(jù)加工技術(shù)要求設(shè)定插補(bǔ)前加速度時(shí)間常數(shù)和路徑拐角速度。

2. 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床廓輪加工精度控制要點(diǎn)

（1）插補(bǔ)前加速度控制功能和速度前饋通道控制。五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床其特點(diǎn)是廓輪加工精度高。在高速高精度的曲面加工中，插補(bǔ)前加速度控制功能是非常重要的，且在插補(bǔ)前加速度控制功能方式下，各進(jìn)給軸速度環(huán)可采用較高的速度增益，系統(tǒng)控制精度大為提高；尤其是對(duì)B、C軸（A和C擺軸）這是所希望的。

插補(bǔ)前加速度控制功能和速度前饋通道控制可同時(shí)使用，要注意的三點(diǎn)是，其一插補(bǔ)后的加速度不可太高；其二程序段之間的轉(zhuǎn)換速度不能過快；其三加工廓輪曲率變化不大。在向前看控制方式（Look-ahead control mode）中插補(bǔ)前加速度控制功能主要的作用是減少振動(dòng)，因向前看功能優(yōu)選因素是輪廓加工精度和加工時(shí)間。有的CNC系統(tǒng)設(shè)有專用的向前看功能中插補(bǔ)前加速度參數(shù)，如FANUC 等。還須考慮到，最小程序段的執(zhí)行時(shí)間，有足夠的預(yù)處理后續(xù)程序時(shí)間，以保證程序段轉(zhuǎn)換的速度連續(xù)性。

（2）加工程序控制類型的選擇。隨著五軸控制功能的出現(xiàn)，五軸聯(lián)動(dòng)（主要指五軸插補(bǔ)）超出了進(jìn)給軸插補(bǔ)的含意。C和B軸（或A軸），可根據(jù)機(jī)床的類型設(shè)定成機(jī)床的刀具定向軸（RTCP），C軸軸線至B軸軸線和刀具軸軸線至B軸軸線的幾何尺寸均作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償出現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算周期中，因此減小了C和B軸旋轉(zhuǎn)時(shí)C軸軸線和B軸軸線、刀具軸軸線和B軸軸線不相交或不正交而導(dǎo)致的機(jī)械誤差，提高了五軸聯(lián)動(dòng)加工工件的輪廓精度，這是過去的五軸聯(lián)動(dòng)所做不到的。

例如：G1G91X1.605Y-0.7 2 7 Z-0.6 7 1 B 1.1 0 0 C-1.362F10000一段加工程序。

未定義RT C P五軸控制，CNC插補(bǔ)運(yùn)算器對(duì)X、Y、Z、C和B軸同時(shí)分配進(jìn)給量、加速度和速度，X、Y和Z的編程軌跡非加工軌跡，C和B軸旋轉(zhuǎn)直接改變刀尖位置。工作坐標(biāo)按C軸軸線和B軸軸線、刀具軸軸線和B軸軸線相交定義，不存在軸線的幾何尺寸動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，機(jī)械誤差被帶入加工中。

定義RTCP 五軸控制后，C和B軸旋轉(zhuǎn)和加工軌跡解耦，X、Y和Z的編程軌跡既是加工軌跡，C和B軸旋轉(zhuǎn)僅改變刀具軸的方向。軸線的幾何尺寸動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，工作坐標(biāo)被得以矯正，消除

專家點(diǎn)評(píng)

如果參考三爪卡自定心卡盤原理，把3個(gè)測(cè)量觸點(diǎn)做成可以沿定位座圓錐面同步移動(dòng)，就能測(cè)量工件上不同直徑處的壁厚，從而擴(kuò)大測(cè)量裝置的使用范圍。了機(jī)械誤差。

3. SIEMENS SINUMERIK 840D CNC 的輪廓控制功能

目前常用的5.3版本840D CNC沒有插補(bǔ)前加速度控制功能。但，該數(shù)控系統(tǒng)有許多功能可以控制加工件的輪廓精度和光潔度。使用這些功能，須設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，有的功能作為選件而存在。所以，功能的參數(shù)設(shè)定及所選的功能選件，取決于上述加工3要素。

（1）可編程加速度功能。在NC加工程序中，可根據(jù)加工精度和曲線的曲率設(shè)定合理的加速度值及以之相對(duì)應(yīng)進(jìn)給速度，以達(dá)到加工所要求的精度和表面質(zhì)量。

加工中的加速度是路徑加速度，最大值取決于參與插補(bǔ)的進(jìn)給軸中的最小的加速度值。在多軸的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，盡量避免加速度慢的進(jìn)給軸和X、Y和Z軸一道進(jìn)入插補(bǔ)。X、Y和Z軸有較大的加速度，因此要機(jī)械剛性好，慣性分散，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)選配合理，恒速滿負(fù)載扭矩小于電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載扭矩的10%。

（2）向前看控制功能。840D CNC 可設(shè)置120以上小程序段處理。以保證連續(xù)加工曲面時(shí)，加工速度的穩(wěn)定性。

CAM設(shè)計(jì)小線段的加工程序時(shí)，不但要選用連續(xù)路徑加工方式，而且要考慮CNC的插補(bǔ)運(yùn)算周期，在滿足精度要求下，盡量增大小線段程序進(jìn)給量。如果刻意追求加工輪廓的高精度，使小線段程序進(jìn)給量過小，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)給速度被抑制，速度波動(dòng)大，結(jié)果是加工表面質(zhì)量下降；加工周期過長(zhǎng)。

（3）加速度的軟起動(dòng)和進(jìn)給軸的加速度跳躍功能。機(jī)械剛性好或進(jìn)給軸的加速度不超過1m/s2時(shí)，可以不使用加速度軟起動(dòng)功能；高速數(shù)控機(jī)床要考慮使用。在加工精度允許情況下，盡可能設(shè)定較長(zhǎng)的軟加速時(shí)間常數(shù)，以減少機(jī)械沖擊及加工中的振動(dòng)，在加減速過程中獲得較好得加工光潔度。

在加工過程中，超出向前看控制功能的程序段轉(zhuǎn)換作用，進(jìn)給速度降低且做不到平滑加工過度。在程序段轉(zhuǎn)換時(shí)，盡量讓下一程序段進(jìn)給軸提前加速運(yùn)行是必要的。使用路徑加速度跳躍，要根據(jù)加工件的要求進(jìn)行設(shè)定，但路徑加速度跳躍不是無限制的，其應(yīng)用值小于進(jìn)給軸最大加速度的2.2倍。這涉及到拐角功能，應(yīng)做必要的設(shè)定。

（4）小程序段壓縮功能（COMPRESSOR）。五軸機(jī)床或高速三軸機(jī)床在執(zhí)行直線小線段加工曲面程序時(shí)，因進(jìn)給線段長(zhǎng)度變化大，導(dǎo)致進(jìn)給速度下降，速度波動(dòng)大，始加工件失去光潔度。使用COMPRESSOR功能，把數(shù)段程序（或數(shù)十段程序）合并成一段，且沒有超出所設(shè)定的輪廓精度，以提高加工光潔度和速度。

總之，應(yīng)用840D的輪廓控制功能前，要認(rèn)真分析加工件的特性，在CAM設(shè)計(jì)中盡量考慮這些功能特點(diǎn)并根據(jù)需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

4. 結(jié)語

在數(shù)控機(jī)床高速加工下，獲得高輪廓精度，根據(jù)其特點(diǎn)選定控制功能，若采用插補(bǔ)前加速度控制功能或輪廓精度控制功能，要從上述三要素對(duì)加工進(jìn)行評(píng)價(jià)。以加工件的形狀和精度選用輪廓控制功能，并有必要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。加工模具件和結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)不同，選用輪廓控制功能有所不同。輪廓精度越高所涉及因素越多，如插補(bǔ)器循環(huán)時(shí)間、位置環(huán)采樣時(shí)間、位置環(huán)增益、位置環(huán)動(dòng)態(tài)匹配和速度環(huán)積分增益參數(shù)都要予以考慮和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高、精運(yùn)行。

我們都知道，機(jī)床產(chǎn)品表現(xiàn)好壞，最終體現(xiàn)在是否能滿足用戶對(duì)高速精確的加工要求，尤其是數(shù)控機(jī)床。所以，對(duì)機(jī)床的整機(jī)概念和數(shù)控功能的認(rèn)識(shí)及掌握不可能再停留在一個(gè)方面上，無論是機(jī)械、電氣還是編程操作人員。機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和所用的CNC系統(tǒng)功能決定了數(shù)控機(jī)床的高精快特性。本文論述了主要輪廓控制功能及其特性。輪廓控制功能較多，而且新功能不斷出現(xiàn)，所以要根據(jù)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和用戶要求合理地選擇CNC功能是必要的，有利于高速精密數(shù)控機(jī)床早日走向市場(chǎng)。

20141205）