節能高精高速加工對CNC的要求

劉仲彪 鄭麗 黃學輝

節能高速數控加工正逐漸取代普通數控機床的加工，成為數控技術發展的主流。本文討論了節能高速數控加工對數控系統的基本要求，介紹了SKY2003N型網絡高速數控系統的一些基本指標，最后比較了普通數控加工與節能高速數控加工的差別。

1、節能高精高速加工背景

高速加工技術的飛速發展得到了學術界和工業界的廣泛關注，現在高速數控機床正逐漸取代普通數控機床，成為數控技術發展的主流。一般討論高速數控機床時都提到高主軸轉速、以及高的快移速度，對實際加工有關的指標很少提到，特別是高的加速度對加工精度的重要作用的討論較少，例如在復雜曲面的高速加工中，對大量微小線段（0.1～0.5mm）構成的NC代碼，在保證加工輪廓精度的條件下，機床的進給速度究竟能達到多少？高速高精度加工對床結構、功能部件、進給系統、刀具等都有相當的要求，由于這些方面的文獻和介紹比較多，在此我們不多討論。本文主要針對高速數控機床對數控系統的基本要求以及高速數控系統在實際高速加工中的作用及特點、要求作一些有關的探討。

2、足夠高的進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速和高的進給速度以及高的進給加速度，前兩者的關系有下面的公式來表達：

主軸轉速：N=Vc/dπ；

進給速度：Vt=fzZN；

fz——— 每一刀刃在一轉中所切削的厚度，單位：mm；

Z——— 銑刀的刃數；

Vc ——— 刀具的線速度，單位：mm/min；

d ——— 刀具的直徑

將N代入上式，得出進給速度：Vt=fzZVc/dπ

即在選定了刀具和切削用量的情況下，進給速度與主軸的轉速成正比，因此，高速加工機床不僅要有高的主軸轉速，也應具備與主軸轉速相匹配的高的進給速度（ 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，機床還必須具備高的進給加速度，如果一臺高速機床沒有足夠高的進給加速度，那么它是無法高速地進行高精度復雜曲面輪廓的加工的，因為它無法勝任加工復雜曲面時根據不同的曲率半徑在最短的時間內不斷地調整進給速度的需要。

3、高精度插補是數控系統高速、高精度化的基礎

CNC的伺服系統執行的是NC代碼經數控系統離散后的數據，高速、高精度的加工首先要求的是極短的插補周期和高的計算精度，如FANU16i采用納米級的位置指令進行計算和數據交換。

而當采樣周期△T變小后如果計算精度不足夠高，就會產生誤差，而且還會影響伺服速度的平穩性和連續性。例如在XY平面上插補一直線（圖2），插補周期0.5ms，進給速度6m/min，Vy=6×sin2=0.209m/min； 每插補周期Y軸位置增量△LY=Vy×△T=1.74μm，顯然如果系統插補計算精度為1μm，不僅影響輪廓誤差，還造成Y軸運行中理論速度不平穩和不連續。

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

4、前饋控制減少伺服系統滯后，補前加減速消除插補后加減速輸出理論差

CNC的伺服系統是復雜的控制系統，傳統伺服控制系統主要是對伺服位置偏差、速度偏差進行PID調節控制，由于沒有利用已知的后繼插補輸出條件、機床移動部件的慣性、摩擦阻尼滯后等信息，在高速加工中的動態跟隨誤差會比較大。在現代數控系統中，一般采用前饋控制減少伺服系統滯后，如SIEMENS840Di數控系統采用的速度前饋及轉矩前饋跟蹤誤差補償等技術。

5、 結束語

對于高速高精度的運動控制，縮短采樣周期，提高插補精度是前提。同樣，由于機床允許的加速度及加速度變化率的限制，要保證機床運行的平穩性及動態的精度，足夠數量程序段的前瞻處理優化也是必不可少的。同時，在密集數據處理中不能有數據傳輸瓶頸，預處理時間要短，從而保證機床連續地高速運行。有了這些基礎，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現高速加工。