基于FANUC系統(tǒng)的高速精加工模具成型精度控制分析

張欣波，王 澤，弓清忠，李宏偉

（1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，福建廈門 361024；2.集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建廈門 361024；3.江漢石油管理局有限公司車輛管理中心，湖北潛江 433123）

0 引言

高速高精度機床加工中，對機床各個環(huán)節(jié)的要求都很高，某一個環(huán)節(jié)即使出現(xiàn)很小紕漏，也可能導(dǎo)致機床發(fā)生振動，從而在加工表面出現(xiàn)各種振紋或影響加工精度。因此，在對加工品質(zhì)要求極高的機床加工中，需要嚴(yán)格確保所有相關(guān)環(huán)節(jié)都達到要求。通常在實際加工過程中，機械、NC 程序、加工工藝、刀具、CNC 和伺服等方面，對于機床加工質(zhì)量會產(chǎn)生較大影響（圖1）。遇到加工問題時，在使用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)推薦的標(biāo)準(zhǔn)加工參數(shù)基礎(chǔ)上，也要從以上方面查找原因。

圖1 影響加工精度的主要因素

1 機械

機械作為機床的基礎(chǔ)，對加工的影響毋庸置疑。機械設(shè)計和裝配精度可大大降低對電氣側(cè)調(diào)試的依賴。因此，在模具加工調(diào)試時，應(yīng)首先從機械側(cè)入手，分析機床特性，保證機械部分處在較好水平。

1.1 配置確認(rèn)（線軌，螺距）

線軌和硬軌都是機床上直線運動的結(jié)構(gòu)方式。線軌是滾動摩擦，在機床行業(yè)中使用越來越多。線軌摩擦力小、反應(yīng)靈敏、慣量小、安裝調(diào)整方便，但強度不如硬軌，重載加工可能出現(xiàn)彎曲。硬軌是滑動摩擦，剛性好、承載能力強。一般在高速精加工中心都是采用高精度線軌作為機床導(dǎo)軌，這極大地保證了機床加工精度。螺距一般指在螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。為保障機床加工的數(shù)控精度，通常需要進行螺距補償，通過調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)，增減指令值的脈沖數(shù)。高精度加工機床進行周期性的檢定和螺距誤差補償，可以在保證精度前提下延長機床使用壽命。

1.2 裝配精度

重點指標(biāo)：Z 軸反向間隙（線軌＜5 μm，硬軌＜10 μm），各軸重復(fù)定位精度＜10 μm。定位精度是指零件或刀具等實際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置（理論位置）之間的差距，差距越小，說明精度越高，是零件加工精度得以保證的前提。重復(fù)定位精度是在相同條件下（同一臺數(shù)控機床，應(yīng)用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。通過長期的零部件加工數(shù)據(jù)分析和實踐操作可知，數(shù)控機床的加工誤差，從結(jié)構(gòu)上看多由機床的幾何精度尤其是定位精度引起?？刹捎梦恢每刂坪蛶缀尉瓤刂苼硖岣邫C床加工精度。

1.3 主軸振動（15 000 r/min 及以上主軸V1 振動等級，15 000 r/min以下V3 等級）

機床主軸是機床設(shè)備中極為關(guān)鍵的部分，主軸工作穩(wěn)定直接影響機床的加工精度和可靠性。影響機床主軸運動特性的主要零部件有機床主軸軸承、齒輪、滾珠絲杠及導(dǎo)軌等。各零部件相互作用、相互配合，共同保障機床主軸安全、高效運行。

1.4 外圍振動（油冷機、風(fēng)扇等）

油冷機和風(fēng)扇工作時都有可能與機床發(fā)生共振。共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運動軌跡，引起二者之間相對位置發(fā)生偏移，降低加工表面質(zhì)量和尺寸精度。在加工中心實際切削作業(yè)中，通常自激振蕩的頻率在35～55 Hz，受迫振動的驅(qū)動力頻率通常在26～66 Hz。要避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就要使機床的自激振動頻率離開驅(qū)動力頻率的區(qū)間，這可以通過改變機床設(shè)計結(jié)構(gòu)和材料來實現(xiàn)。同時避免數(shù)控機床周圍附近有產(chǎn)生振動的大型設(shè)備，或有重型車輛行駛，引起地基振動，并傳遞到床身，造成共振。

1.5 伺服軸機械剛性

伺服軸是相對于步進軸來說的，伺服軸表明全閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動器工作在速度方式或者轉(zhuǎn)矩方式，控制器負(fù)責(zé)位置環(huán)的控制。步進軸表明控制器是開環(huán)的，伺服驅(qū)動器工作在位置方式下。當(dāng)加工點的指令跟隨性和抑制外力干擾的性能比較低時，可以提高機械剛性和速度增益，速度增益能設(shè)定的最大值取決于機械剛性。伺服軸全閉環(huán)時產(chǎn)生振動主要有以下原因。

（1）外部干擾。全閉環(huán)控制使用的編碼器、光柵尺等電纜受外圍強干擾影響，引起伺服軸誤動作、振動、零點無法建立等故障。這方面只需要加強屏蔽、規(guī)范走線即可解決問題。

（2）機械傳動。在全閉環(huán)機床中，存在有大型減速機構(gòu)，且機械傳動剛性不高，傳動間隙較大，導(dǎo)致在全閉環(huán)控制中出現(xiàn)振動?？梢酝ㄟ^調(diào)整機床速度反饋、相關(guān)增益調(diào)整、雙重位置反饋來改變。①機床速度反饋。通過全閉環(huán)系統(tǒng)，將機床本身速度加到速度控制器中，由此確保整個位置環(huán)路的穩(wěn)定，降低振動；②雙層位置反饋。同時考慮全閉環(huán)和半閉環(huán)的位置數(shù)據(jù)，將全閉環(huán)控制成類似半閉環(huán)的功能；③相關(guān)增益調(diào)整。通過調(diào)整伺服電機的積分增益、位置環(huán)增益、速度環(huán)增益，實現(xiàn)振動消失，提升精度。

2 程序

NC 程序作為模具成型的基礎(chǔ)，對加工表面質(zhì)量和加工效率作用明顯。因此，檢查程序是否合理是模具調(diào)試中需要重視的內(nèi)容。

2.1 CAM 軟件選擇

常用的CAM 軟件都有自身的優(yōu)勢和不足，用戶根據(jù)自身需要選擇。UG 的CAM 模塊提供了產(chǎn)生精確刀具路徑的方法，允許用戶通過觀察刀具運動來圖形化地編輯刀軌，如延伸、修剪等，所帶后處理程序支持多種數(shù)控機床。Pro/ENGINEER 提供最佳加工路徑控制和智能化加工路徑創(chuàng)建，允許NC 編程人員控制整體的加工路徑直到最細(xì)節(jié)的部分。Virtual Gibbs 軟件具有過程控制功能，用戶可返回到以前的任何步驟進行修改，可用多個刀具作一次裝夾加工，簡化編程，節(jié)省時間。Master CAM 軟件三維造型功能稍差，但操作簡便實用，容易學(xué)習(xí)，增加了許多加工任選項，使得用戶具有更大的靈活性，如多曲面徑向切削、刀具軌跡投影到數(shù)量不限的曲面上、C 軸編程等功能。

2.2 重點CAM 參數(shù)控制

（1）程序公差。FANUC 推薦公差為1 μm，減小公差可提高加工表面質(zhì)量；依據(jù)CAD 模型生成的程序指令點，確保每條小線段都不會超出公差范圍，減小公差，刀具路徑變得更平滑。程序加工路線公差示意如圖2 所示。

圖2 程序加工路線公差示意

（2）線段長度。通常公差設(shè)定由CAM 軟件自動確定。程序段長度直接影響加工效率，預(yù)讀程序段越多，小線段程序的最大進給速度提高的可能性越大。因此可以實現(xiàn)高速加工，但同時需要使用與進給速度相匹配的主軸轉(zhuǎn)速。

（3）步距。步距就是切削的間距，每兩刀之間刀具中心線的距離，粗加工設(shè)置刀具直徑的75%左右。兩個切削路徑之間的水平距離，決定了切削后的殘余高度（表面粗糙度理論值）。步距減小，表面粗糙度會變好，但會延長加工時間。步距決定了切削后的殘余高度，如果行距減小，表面粗糙度會變好。步距推薦值P=0.02×刀具直徑。殘余高度計算公式（球頭銑刀）如下。

式中 H——殘余高度

R——刀具半徑

P——步距

2.3 程序分析

數(shù)控仿真軟件通過虛擬環(huán)境完成零件的加工，與數(shù)控實際加工有機結(jié)合，具有安全性、實用性等優(yōu)點。使用程序模擬軟件對NC 程序進行合理性分析，是否存在“垃圾點”。垃圾點會造成加工表面有振紋或凹坑極小線段，導(dǎo)致加工效率低下。

3 工藝

工藝作為直接作用于工件表面的執(zhí)行方式，直接決定加工表面質(zhì)量和效率。檢查工藝是否合適，是確保機床加工品質(zhì)的一項重要內(nèi)容。工藝方面重點關(guān)注以下4 個問題。

（1）主軸轉(zhuǎn)速。避開主軸共振點，盡可能提高轉(zhuǎn)速以提高表面光潔度。機床的共振部位一般發(fā)生在主軸單元，因為主軸懸伸長，剛性差，容易發(fā)生共振。共振的發(fā)生主要是機床夾具或主軸固有頻率，與加工切削時產(chǎn)生的振動頻率重合或者匹配。共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運動軌跡，引起二者之間相對位置發(fā)生偏移。這樣不僅降低加工表面的質(zhì)量和尺寸精度，使工件表面粗糙度增加，甚至出現(xiàn)振動波紋，導(dǎo)致刀具磨損加快，使用壽命減少。因此，為防止產(chǎn)生共振，首先需了解刀具安裝在主軸上的固有頻率。檢測方式就是使用振動傳感器接觸刀具或主軸，敲擊刀具，了解其固有頻率曲線，通過調(diào)整動平衡、刀具長度和刃口數(shù)量等改變其固有頻率，規(guī)避共振。

（2）進給速度。選擇適當(dāng)?shù)倪M給速度（F∶S≈1∶4），保證加工質(zhì)量的前提下提高效率。進給速度是刀具上的基準(zhǔn)點沿著刀具軌跡相對于工件移動時的速度。增加進給速度，雖然可以縮短加工時間，但是產(chǎn)品的尺寸就會不穩(wěn)定，而且容易損壞刀片，直接影響工件的表面粗糙度。在工件的加工精度和表面粗糙度質(zhì)量要求能夠得到保證的前提下，選擇盡可能高的進給速度。

（3）切削深度。精加工盡量減小余量約50 μm，提高光潔度，同時保證刀具壽命。切削深度是切削工件時已加工表面與待加工表面之間的垂直距離。為盡量去除材料，保證刀具壽命，一般采用刀具商推薦的切削速度，盡可能增加切削深度。在機床性能允許的條件下，首先應(yīng)該選擇較大的吃刀深度。在實際工作中，切削量和走刀速度到最佳最好。不能單一加大切削量或者走刀速度，以提高效率為目的，前提是在機床承受能力以內(nèi)。

（4）冷卻。選擇與加工材料相匹配的切削液，例如，鋁用切削液，鋼用切削油。在實際切削加工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)粘刀、斷銑刀、斷絲錐、爛牙等問題，這和冷卻液有著重要聯(lián)系。選擇適合加工材料的冷卻液，能降低工件溫度，避免工件變形過大，同時起到潤滑作用，減少摩擦阻力，又保證工件表面的光潔度。

4 刀具

刀具作為模具加工的介質(zhì)，選擇是否合適對模具加工質(zhì)量有很大影響，主要從以下方面確認(rèn)刀具。

（1）刀具材料。刀具材料大致可分為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。數(shù)控機床加工工件時，刀具高速旋轉(zhuǎn)并直接與毛坯接觸，因此刀具材料在高溫下必須有非常好的硬度和耐磨性。同時有抗彎強度、沖擊韌性和化學(xué)惰性，在加工過程中保持不變形。刀具材料硬度越高，相應(yīng)的耐磨性也越好，但是其抗彎強度和沖擊韌性越低。針對不同的加工材料，選擇合適刀具。

（2）刀柄選擇。通常15 000 r/min 以上，建議使用HSK 真空刀具系統(tǒng)。刀柄是機械主軸與刀具和其他工具的連接件，各種類型的刀柄都有自身優(yōu)缺點，根據(jù)需要選擇相應(yīng)刀柄來滿足加工要求。HSK 工具系統(tǒng)是一種新型的高速短錐型刀柄，其接口采用錐面和端面同時定位的方式，刀柄為中空，錐體長度較短，有利于實現(xiàn)換刀輕型化和高速化。NC5 刀柄采用空心短錐結(jié)構(gòu)，也是采用錐面和端面同時定位、夾緊工作方式，可滿足重切削的要求。CAPTO 刀柄的結(jié)構(gòu)是三棱圓錐，棱為圓弧形，采用錐面與端面同時接觸定位。三棱圓錐結(jié)構(gòu)不再需要傳動鍵，消除了因傳動鍵和鍵槽引起的動平衡問題。

（3）刀具裝夾。低速加工，采用BT 刀柄，液壓夾頭；高速加工，選擇HSK 刀柄，液壓或熱膨脹刀柄。刀具安裝情況直接影響工件加工精度，在高速精加工應(yīng)用中，盡可能使用短刀柄。此外，刀具應(yīng)當(dāng)盡量安裝在刀柄內(nèi)。這可以提高刀柄對刀具的夾持力，減少振動。

5 CNC

CNC 側(cè)對模具加工的影響，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)功能和高速高精的相關(guān)參數(shù)，機床幾何精度的螺距誤差補償、伺服剛度的優(yōu)化、刀具補償、零點確認(rèn)等都有相關(guān)機床參數(shù)作為保障。調(diào)試思路如下。

（1）系統(tǒng)功能確認(rèn)（AICCⅠ、AICCⅡ）。高速高精度功能是對工件質(zhì)量要求較高時普遍采用的控制方式。FANUC 系統(tǒng)提供了多種高速高精度控制功能，可以使系統(tǒng)在加工過程中增加程序預(yù)讀段數(shù)，預(yù)知加工軌跡，從而提前做出判斷，提高加工效率?？梢酝ㄟ^相對應(yīng)的參數(shù)調(diào)整使工件加工達到優(yōu)化，減少加工誤差。AICCⅠ主要是面向零件加工，AICCⅡ主要是面向連續(xù)小線段模具加工及基于NURBS 曲線插補的加工。

（2）高速高精參數(shù)調(diào)整。由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)導(dǎo)入。

（3）參數(shù)微調(diào)。前述步驟無法改善加工質(zhì)量，則需微調(diào)AICC參數(shù)。

6 伺服

伺服方面，主要是借助Servo Guide 進行機床優(yōu)化，提高伺服系統(tǒng)剛性，減少加工誤差。伺服優(yōu)化主要包含以下內(nèi)容。

（1）伺服參數(shù)初始化確認(rèn)（確認(rèn)電機初始化無誤）。主要檢查電機型號與實際安裝的電機是否一致，伺服放大器是否與實際安裝的一致。

（2）電流環(huán)（確認(rèn)HRV3+開啟）。數(shù)控系統(tǒng)的電流環(huán)相對于速度環(huán)、位置環(huán)而言，時間常數(shù)最小、響應(yīng)最快。因此，應(yīng)先將電流環(huán)確定為一個較為理想的狀態(tài)，再對其他環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。HRV3 控制模式主要是為適應(yīng)高速的伺服DSP 處理器而設(shè)定的。

（3）速度環(huán)（盡可能提高伺服增益）。速度環(huán)是機床伺服系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)跟蹤的重要環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)快速定位和準(zhǔn)確追蹤的基礎(chǔ)是速度環(huán)具有較好的動態(tài)響應(yīng)能力，寬廣的調(diào)速范圍及優(yōu)異的抗擾性能等。速度環(huán)的調(diào)整與去除機械共振影響密切相關(guān)，在不發(fā)生共振及產(chǎn)生異常響動的前提下，逐漸增加速度環(huán)的增益直至得到理想的速度環(huán)增益。

（4）位置環(huán)（確認(rèn)伺服無振動）。確定速度環(huán)的響應(yīng)特性后，可以對位置環(huán)增益進行調(diào)整。位置環(huán)作為伺服控制的最外環(huán)，其性能好壞直接影響機床加工精度。位置環(huán)的增益不僅包括位置環(huán)的軟件增益，還包括速度環(huán)的增益。速度環(huán)增益確定之后，位置環(huán)增益不能大幅增加，應(yīng)該更加精細(xì)，通過調(diào)整位置環(huán)的增益使偏差最小，從而確定最佳值。

（5）其他參數(shù)調(diào)整。系統(tǒng)的前饋系數(shù)、伺服軸加減速控制。

7 總結(jié)

高速高精度機床加工問題的調(diào)試非常復(fù)雜，原因就在于可能導(dǎo)致問題的因素非常多。本文敘述的6 個因素是影響加工質(zhì)量的主要原因，但也并非全部，其他諸如外部環(huán)境等也是需要考慮的因素。

平常加工調(diào)試中，很多人會優(yōu)先修改參數(shù)，認(rèn)為這是最簡單方便的做法。但事實上這種方法并不值得推薦，頻繁修改參數(shù)以應(yīng)對不同的加工問題，雖然有時可以對當(dāng)前問題有所改善。但長期來看，不利于機床制造廠商的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，也不利于成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品生產(chǎn)品質(zhì)管理體系的建立。因此通常建議，在不斷優(yōu)化完善產(chǎn)品自身參數(shù)的同時，遇到問題應(yīng)當(dāng)去深入分析造成問題的實際原因，并通過合理有效的方式解決。