節(jié)能高精高速加工對CNC的要求

劉仲彪 鄭麗 黃學(xué)輝

節(jié)能高速數(shù)控加工正逐漸取代普通數(shù)控機(jī)床的加工，成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主流。本文討論了節(jié)能高速數(shù)控加工對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求，介紹了SKY2003N型網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)控系統(tǒng)的一些基本指標(biāo)，最后比較了普通數(shù)控加工與節(jié)能高速數(shù)控加工的差別。

1、節(jié)能高精高速加工背景

高速加工技術(shù)的飛速發(fā)展得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，現(xiàn)在高速數(shù)控機(jī)床正逐漸取代普通數(shù)控機(jī)床，成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主流。一般討論高速數(shù)控機(jī)床時都提到高主軸轉(zhuǎn)速、以及高的快移速度，對實(shí)際加工有關(guān)的指標(biāo)很少提到，特別是高的加速度對加工精度的重要作用的討論較少，例如在復(fù)雜曲面的高速加工中，對大量微小線段（0.1～0.5mm）構(gòu)成的NC代碼，在保證加工輪廓精度的條件下，機(jī)床的進(jìn)給速度究竟能達(dá)到多少？高速高精度加工對床結(jié)構(gòu)、功能部件、進(jìn)給系統(tǒng)、刀具等都有相當(dāng)?shù)囊螅捎谶@些方面的文獻(xiàn)和介紹比較多，在此我們不多討論。本文主要針對高速數(shù)控機(jī)床對數(shù)控系統(tǒng)的基本要求以及高速數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)際高速加工中的作用及特點(diǎn)、要求作一些有關(guān)的探討。

2、足夠高的進(jìn)給加速度是高速加工精度的保證

高速加工主要是指主軸的高轉(zhuǎn)速和高的進(jìn)給速度以及高的進(jìn)給加速度，前兩者的關(guān)系有下面的公式來表達(dá)：

主軸轉(zhuǎn)速：N=Vc/dπ；

進(jìn)給速度：Vt=fzZN；

fz——— 每一刀刃在一轉(zhuǎn)中所切削的厚度，單位：mm；

Z——— 銑刀的刃數(shù)；

Vc ——— 刀具的線速度，單位：mm/min；

d ——— 刀具的直徑

將N代入上式，得出進(jìn)給速度：Vt=fzZVc/dπ

即在選定了刀具和切削用量的情況下，進(jìn)給速度與主軸的轉(zhuǎn)速成正比，因此，高速加工機(jī)床不僅要有高的主軸轉(zhuǎn)速，也應(yīng)具備與主軸轉(zhuǎn)速相匹配的高的進(jìn)給速度（ 不僅僅是高的空行程速度） 。此外，為了保證加工輪廓的高精度，機(jī)床還必須具備高的進(jìn)給加速度，如果一臺高速機(jī)床沒有足夠高的進(jìn)給加速度，那么它是無法高速地進(jìn)行高精度復(fù)雜曲面輪廓的加工的，因?yàn)樗鼰o法勝任加工復(fù)雜曲面時根據(jù)不同的曲率半徑在最短的時間內(nèi)不斷地調(diào)整進(jìn)給速度的需要。

3、高精度插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)高速、高精度化的基礎(chǔ)

CNC的伺服系統(tǒng)執(zhí)行的是NC代碼經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)離散后的數(shù)據(jù)，高速、高精度的加工首先要求的是極短的插補(bǔ)周期和高的計算精度，如FANU16i采用納米級的位置指令進(jìn)行計算和數(shù)據(jù)交換。

而當(dāng)采樣周期△T變小后如果計算精度不足夠高，就會產(chǎn)生誤差，而且還會影響伺服速度的平穩(wěn)性和連續(xù)性。例如在XY平面上插補(bǔ)一直線（圖2），插補(bǔ)周期0.5ms，進(jìn)給速度6m/min，Vy=6×sin2=0.209m/min； 每插補(bǔ)周期Y軸位置增量△LY=Vy×△T=1.74μm，顯然如果系統(tǒng)插補(bǔ)計算精度為1μm，不僅影響輪廓誤差，還造成Y軸運(yùn)行中理論速度不平穩(wěn)和不連續(xù)。

四開公司的SKY2003N型數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)精度為1納米（0.001μm，），采樣周期和插補(bǔ)周期為0.4ms～0.1ms。

4、前饋控制減少伺服系統(tǒng)滯后，補(bǔ)前加減速消除插補(bǔ)后加減速輸出理論差

CNC的伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)主要是對伺服位置偏差、速度偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，由于沒有利用已知的后繼插補(bǔ)輸出條件、機(jī)床移動部件的慣性、摩擦阻尼滯后等信息，在高速加工中的動態(tài)跟隨誤差會比較大。在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，一般采用前饋控制減少伺服系統(tǒng)滯后，如SIEMENS840Di數(shù)控系統(tǒng)采用的速度前饋及轉(zhuǎn)矩前饋跟蹤誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

5、 結(jié)束語

對于高速高精度的運(yùn)動控制，縮短采樣周期，提高插補(bǔ)精度是前提。同樣，由于機(jī)床允許的加速度及加速度變化率的限制，要保證機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)性及動態(tài)的精度，足夠數(shù)量程序段的前瞻處理優(yōu)化也是必不可少的。同時，在密集數(shù)據(jù)處理中不能有數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，預(yù)處理時間要短，從而保證機(jī)床連續(xù)地高速運(yùn)行。有了這些基礎(chǔ)，通過伺服前饋控制才能減小跟蹤誤差，在保證高精度的前提下實(shí)現(xiàn)高速加工。