基于FANUC系統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.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建廈門 361024；2.集美大學機械與能源工程學院，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，對機床各個環節的要求都很高，某一個環節即使出現很小紕漏，也可能導致機床發生振動，從而在加工表面出現各種振紋或影響加工精度。因此，在對加工品質要求極高的機床加工中，需要嚴格確保所有相關環節都達到要求。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，對于機床加工質量會產生較大影響（圖1）。遇到加工問題時，在使用FANUC 數控系統推薦的標準加工參數基礎上，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，對加工的影響毋庸置疑。機械設計和裝配精度可大大降低對電氣側調試的依賴。因此，在模具加工調試時，應首先從機械側入手，分析機床特性，保證機械部分處在較好水平。

1.1 配置確認（線軌，螺距）

線軌和硬軌都是機床上直線運動的結構方式。線軌是滾動摩擦，在機床行業中使用越來越多。線軌摩擦力小、反應靈敏、慣量小、安裝調整方便，但強度不如硬軌，重載加工可能出現彎曲。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兩點間的軸向距離。為保障機床加工的數控精度，通常需要進行螺距補償，通過調整數控系統的參數，增減指令值的脈沖數。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：Z 軸反向間隙（線軌＜5 μm，硬軌＜10 μm），各軸重復定位精度＜10 μm。定位精度是指零件或刀具等實際位置與標準位置（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。重復定位精度是在相同條件下（同一臺數控機床，應用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續結果的一致程度。通過長期的零部件加工數據分析和實踐操作可知，數控機床的加工誤差，從結構上看多由機床的幾何精度尤其是定位精度引起。可采用位置控制和幾何精度控制來提高機床加工精度。

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）

機床主軸是機床設備中極為關鍵的部分，主軸工作穩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、風扇等）

油冷機和風扇工作時都有可能與機床發生共振。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生偏移，降低加工表面質量和尺寸精度。在加工中心實際切削作業中，通常自激振蕩的頻率在35～55 Hz，受迫振動的驅動力頻率通常在26～66 Hz。要避免出現共振現象，就要使機床的自激振動頻率離開驅動力頻率的區間，這可以通過改變機床設計結構和材料來實現。同時避免數控機床周圍附近有產生振動的大型設備，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，伺服軸表明全閉環控制，伺服驅動器工作在速度方式或者轉矩方式，控制器負責位置環的控制。步進軸表明控制器是開環的，伺服驅動器工作在位置方式下。當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，速度增益能設定的最大值取決于機械剛性。伺服軸全閉環時產生振動主要有以下原因。

（1）外部干擾。全閉環控制使用的編碼器、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、規范走線即可解決問題。

（2）機械傳動。在全閉環機床中，存在有大型減速機構，且機械傳動剛性不高，傳動間隙較大，導致在全閉環控制中出現振動。可以通過調整機床速度反饋、相關增益調整、雙重位置反饋來改變。①機床速度反饋。通過全閉環系統，將機床本身速度加到速度控制器中，由此確保整個位置環路的穩定，降低振動；②雙層位置反饋。同時考慮全閉環和半閉環的位置數據，將全閉環控制成類似半閉環的功能；③相關增益調整。通過調整伺服電機的積分增益、位置環增益、速度環增益，實現振動消失，提升精度。

2 程序

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

2.1 CAM 軟件選擇

常用的CAM 軟件都有自身的優勢和不足，用戶根據自身需要選擇。UG 的CAM 模塊提供了產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控機床。Pro/ENGINEER 提供最佳加工路徑控制和智能化加工路徑創建，允許NC 編程人員控制整體的加工路徑直到最細節的部分。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，容易學習，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、刀具軌跡投影到數量不限的曲面上、C 軸編程等功能。

2.2 重點CAM 參數控制

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

（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

數控仿真軟件通過虛擬環境完成零件的加工，與數控實際加工有機結合，具有安全性、實用性等優點。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行方式，直接決定加工表面質量和效率。檢查工藝是否合適，是確保機床加工品質的一項重要內容。工藝方面重點關注以下4 個問題。

（1）主軸轉速。避開主軸共振點，盡可能提高轉速以提高表面光潔度。機床的共振部位一般發生在主軸單元，因為主軸懸伸長，剛性差，容易發生共振。共振的發生主要是機床夾具或主軸固有頻率，與加工切削時產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生偏移。這樣不僅降低加工表面的質量和尺寸精度，使工件表面粗糙度增加，甚至出現振動波紋，導致刀具磨損加快，使用壽命減少。因此，為防止產生共振，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，通過調整動平衡、刀具長度和刃口數量等改變其固有頻率，規避共振。

（2）進給速度。選擇適當的進給速度（F∶S≈1∶4），保證加工質量的前提下提高效率。進給速度是刀具上的基準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，但是產品的尺寸就會不穩定，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。

（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，經常會出現粘刀、斷銑刀、斷絲錐、爛牙等問題，這和冷卻液有著重要聯系。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，選擇是否合適對模具加工質量有很大影響，主要從以下方面確認刀具。

（1）刀具材料。刀具材料大致可分為高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。數控機床加工工件時，刀具高速旋轉并直接與毛坯接觸，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、沖擊韌性和化學惰性，在加工過程中保持不變形。刀具材料硬度越高，相應的耐磨性也越好，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。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缺點，根據需要選擇相應刀柄來滿足加工要求。HSK 工具系統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，有利于實現換刀輕型化和高速化。NC5 刀柄采用空心短錐結構，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 刀柄的結構是三棱圓錐，棱為圓弧形，采用錐面與端面同時接觸定位。三棱圓錐結構不再需要傳動鍵，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，在高速精加工應用中，盡可能使用短刀柄。此外，刀具應當盡量安裝在刀柄內。這可以提高刀柄對刀具的夾持力，減少振動。

5 CNC

CNC 側對模具加工的影響，主要體現在系統功能和高速高精的相關參數，機床幾何精度的螺距誤差補償、伺服剛度的優化、刀具補償、零點確認等都有相關機床參數作為保障。調試思路如下。

（1）系統功能確認（AICCⅠ、AICCⅡ）。高速高精度功能是對工件質量要求較高時普遍采用的控制方式。FANUC 系統提供了多種高速高精度控制功能，可以使系統在加工過程中增加程序預讀段數，預知加工軌跡，從而提前做出判斷，提高加工效率。可以通過相對應的參數調整使工件加工達到優化，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）高速高精參數調整。由標準參數導入。

（3）參數微調。前述步驟無法改善加工質量，則需微調AICC參數。

6 伺服

伺服方面，主要是借助Servo Guide 進行機床優化，提高伺服系統剛性，減少加工誤差。伺服優化主要包含以下內容。

（1）伺服參數初始化確認（確認電機初始化無誤）。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（確認HRV3+開啟）。數控系統的電流環相對于速度環、位置環而言，時間常數最小、響應最快。因此，應先將電流環確定為一個較為理想的狀態，再對其他環節進行優化。HRV3 控制模式主要是為適應高速的伺服DSP 處理器而設定的。

（3）速度環（盡可能提高伺服增益）。速度環是機床伺服系統實現動態跟蹤的重要環節，伺服系統快速定位和準確追蹤的基礎是速度環具有較好的動態響應能力，寬廣的調速范圍及優異的抗擾性能等。速度環的調整與去除機械共振影響密切相關，在不發生共振及產生異常響動的前提下，逐漸增加速度環的增益直至得到理想的速度環增益。

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

（5）其他參數調整。系統的前饋系數、伺服軸加減速控制。

7 總結

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

平常加工調試中，很多人會優先修改參數，認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，頻繁修改參數以應對不同的加工問題，雖然有時可以對當前問題有所改善。但長期來看，不利于機床制造廠商的產品標準化和模塊化，也不利于成熟穩定的產品生產品質管理體系的建立。因此通常建議，在不斷優化完善產品自身參數的同時，遇到問題應當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。