數(shù)控機床加工精度控制

■濟南二機床集團有限公司 （山東 250022） 王紅娜 趙樹濤 謝沛清

數(shù)控機床加工精度控制

■濟南二機床集團有限公司 （山東 250022） 王紅娜 趙樹濤 謝沛清

隨著數(shù)控機床產(chǎn)品的發(fā)展，對數(shù)控機床高速加工時的輪廓精度控制功能要求越來越高；不僅改進加強進給軸剛性，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。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. 插補前加速度控制

速度饋通道控制較插補前加速度功能應(yīng)用要早一些。在高速進給下，所采用速度前饋通道控制功能，通常為一階網(wǎng)絡(luò)校正。在直線插補情況下，各進給軸跟隨誤（Following Error）差明顯減少，但在曲面加工，尤其是在曲率變化較大時，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，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)鍵原因是各進給軸和插補器對加速度的控制特性。調(diào)整各進給軸加速度值和路徑進給加速度值或時間常數(shù)，對輪廓誤差起到明顯的控制；前者被稱為插補后加速度功能（Acceleration after interpolation）; 后者則稱為插補前加速度功能。插補后加速度功能是根據(jù)各進給軸加速度設(shè)定值，由插補器產(chǎn)生；則有，要求加工件的輪廓精度越高，各進給軸加速度值越大或時間常數(shù)越小。較高的加速度要求機械剛性高，且各進給軸的慣量小，較難做到，而高值加速度會引起機械沖擊和振動，尤其是在高速執(zhí)行小線段逼近曲線加工程序時。與之相反的是插補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；加工時間較長一些，在高速執(zhí)行小線段逼近曲線加工程序時，設(shè)定速度和實際進給速度差別較大。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)定插補前后的加速度值，并合理地設(shè)定路徑拐角速度（Speed at corner），會獲得較好的加工效果。

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

高速加工時，根據(jù)加工件要求進行三要素的評價，在此僅做插補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間。插補前加速度時間常數(shù)：100ms，插補后加速度時間常數(shù)：30ms，拐角點的輪廓誤差：0.015mm，程序段轉(zhuǎn)換時間：60ms。

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

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

上述分析，根據(jù)實際的機床特點盡量減少插補后加速度時間常數(shù)，以加大各進給軸加速度；再根據(jù)加工技術(shù)要求設(shè)定插補前加速度時間常數(shù)和路徑拐角速度。

2. 五軸聯(lián)動機床廓輪加工精度控制要點

（1）插補前加速度控制功能和速度前饋通道控制。五軸聯(lián)動機床其特點是廓輪加工精度高。在高速高精度的曲面加工中，插補前加速度控制功能是非常重要的，且在插補前加速度控制功能方式下，各進給軸速度環(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B、C軸（A和C擺軸）這是所希望的。

插補前加速度控制功能和速度前饋通道控制可同時使用，要注意的三點是，其一插補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）中插補前加速度控制功能主要的作用是減少振動，因向前看功能優(yōu)選因素是輪廓加工精度和加工時間。有的CNC系統(tǒng)設(shè)有專用的向前看功能中插補前加速度參數(shù)，如FANUC 等。還須考慮到，最小程序段的執(zhí)行時間，有足夠的預(yù)處理后續(xù)程序時間，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（主要指五軸插補）超出了進給軸插補的含意。C和B軸（或A軸），可根據(jù)機床的類型設(shè)定成機床的刀具定向軸（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態(tài)補償出現(xiàn)插補運算周期中，因此減小了C和B軸旋轉(zhuǎn)時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)致的機械誤差，提高了五軸聯(lián)動加工工件的輪廓精度，這是過去的五軸聯(lián)動所做不到的。

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插補運算器對X、Y、Z、C和B軸同時分配進給量、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態(tài)補償，機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。軸線的幾何尺寸動態(tài)補償后，工作坐標(biāo)被得以矯正，消除

專家點評

如果參考三爪卡自定心卡盤原理，把3個測量觸點做成可以沿定位座圓錐面同步移動，就能測量工件上不同直徑處的壁厚，從而擴大測量裝置的使用范圍。了機械誤差。

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應(yīng)進給速度，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的進給軸中的最小的加速度值。在多軸的數(shù)控機床運行中，盡量避免加速度慢的進給軸和X、Y和Z軸一道進入插補。X、Y和Z軸有較大的加速度，因此要機械剛性好，慣性分散，拖動電動機選配合理，恒速滿負(fù)載扭矩小于電動機額定負(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，加工速度的穩(wěn)定性。

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

（3）加速度的軟起動和進給軸的加速度跳躍功能。機械剛性好或進給軸的加速度不超過1m/s2時，可以不使用加速度軟起動功能；高速數(shù)控機床要考慮使用。在加工精度允許情況下，盡可能設(shè)定較長的軟加速時間常數(shù)，以減少機械沖擊及加工中的振動，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，進給速度降低且做不到平滑加工過度。在程序段轉(zhuǎn)換時，盡量讓下一程序段進給軸提前加速運行是必要的。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）。五軸機床或高速三軸機床在執(zhí)行直線小線段加工曲面程序時，因進給線段長度變化大，導(dǎo)致進給速度下降，速度波動大，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)計中盡量考慮這些功能特點并根據(jù)需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

4. 結(jié)語

在數(shù)控機床高速加工下，獲得高輪廓精度，根據(jù)其特點選定控制功能，若采用插補前加速度控制功能或輪廓精度控制功能，要從上述三要素對加工進行評價。以加工件的形狀和精度選用輪廓控制功能，并有必要進行系統(tǒng)優(yōu)化。加工模具件和結(jié)構(gòu)件特點不同，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，如插補器循環(huán)時間、位置環(huán)采樣時間、位置環(huán)增益、位置環(huán)動態(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，以實現(xiàn)數(shù)控機床的高、精運行。

我們都知道，機床產(chǎn)品表現(xiàn)好壞，最終體現(xiàn)在是否能滿足用戶對高速精確的加工要求，尤其是數(shù)控機床。所以，對機床的整機概念和數(shù)控功能的認(rèn)識及掌握不可能再停留在一個方面上，無論是機械、電氣還是編程操作人員。機床的機械結(jié)構(gòu)和所用的CNC系統(tǒng)功能決定了數(shù)控機床的高精快特性。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)機床的機械結(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)控機床早日走向市場。

20141205）