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數控係統智（zhì）能加工功能在大型（xíng）精密模具製造（zào）中的應（yīng）用

2014-12-20 來源：約翰內斯·海德漢博士（中國）有限公司作者：徐新平

摘要：介紹了海德漢iTNC 530數控（kòng）係統的智能（néng）加（jiā）工功能，闡（chǎn）述了係統在大型精密模具製造中的應用，係統可提高模具（jù）製造效率和精度，在許多企業的實際應用中（zhōng）取得了良好的效（xiào）果。

1 、引言

獨特的造型和優美的線條是汽（qì）車製造（zào）業車型（xíng）日益多樣化的突出特點。設計師希（xī）望滿足（zú）駕車人的願望，但在將這些願望化為現實的過程（chéng）中麵臨著許多問題（tí），例（lì）如技術複雜（zá）性的提高與成本和（hé）時間壓（yā）力不斷（duàn）增加間的矛盾，因此改善生產方法比以往任何時候都更重要。約翰內斯·海德漢博（bó）士（中國）有限公司（sī）（以下簡（jiǎn）稱海德（dé）漢）創新的解（jiě）決方（fāng）案，在模具製造領域（yù）能幫助用戶提高（gāo）效率和簡化操作，使模具達到更高（gāo）的加（jiā）工（gōng）速度和更好的表麵質量（liàng）。

海德（dé）漢iTNC 530數控係統是一種適用（yòng）於銑、鑽、鏜（táng）床和加工中心的多（duō）功能輪廓加（jiā）工數控係統，被廣泛應用（yòng）於高精密、高速、多軸型複合機床，此（cǐ）類機床正是大型精密模（mó）具加工的需求（qiú）所在。

2 、iTNC530數控係統（tǒng）的智能加工功能

2.1 DXF轉換工具

模（mó）具加工中精確的曲（qǔ）麵加（jiā）工是保證輪廓準確的關鍵，大型模具的加工過程基本都是（shì）自（zì）動進行，但也常常需要編程部門（mén）重新（xīn）編製局部加工程序，這就需要長（zhǎng）時（shí）間中斷加工。在修複輪廓的過程中，常常需要用另一把刀具修複輪廓的特定部位，這就需要調整CAD/CAM係統生成的相應程（chéng）序，再生成一個較短的新（xīn）程序。

使用（yòng）海德漢iTNC 530 係統中的DXF 轉（zhuǎn）換工具，能有效避免停機等待程序（xù）的現象，如圖（tú）1所（suǒ）示，通過（guò）圖形顯示，用戶能交互（hù）選擇CAD/CAM係統生成（chéng）的（de）刀具路徑。所選的輪廓部位可在數控（kòng）係（xì）統中被快速保存為（wéi）一個單獨（dú）加（jiā）工的程序。該功能可為用戶節省大量的程序等待時間，還（hái）可以對程序進行

局部修改。

圖1 通過DXF導入功能自（zì）動生成程序

2.2 全局有效參數設置

工件局部加工涉及很多環節，為提高工件質量和（hé）加工速度，需要對程序（xù）修改（gǎi）一些參數，例如進給速率、坐標偏（piān）移量等。由於數控係統難以（yǐ）重新啟（qǐ）動加工程序，必須從起點開始檢查全部已執行的程序。在數控係統中，編輯大型工件加工程序會受到係統處理能力的（de）限製而消耗寶貴時間（jiān）。對全局（jú）有效參數的設置，可（kě）以快速調整NC數控程（chéng）序，使其符合機（jī）床配置情（qíng）況，有（yǒu）效避免不必（bì）要的差錯和縮短中斷時間，如圖2所示。

圖2 全局（jú）有效參數設置

2.3 手輪疊加運動

在大型（xíng）精密模（mó）具加工中，操作人員有時需要直接控製自動加工過程。圖3所示為使（shǐ）用HR550FS無線式手輪在傾（qīng）斜工作平（píng）麵上幹預程序運行（háng）的照（zhào）片（piàn）。開始前，首先在全局（jú）程序參數設（shè）置中定義所需的軸和疊加運動的範圍。在傾斜係統中，手輪疊加運動也同樣（yàng）安全和易於使（shǐ）用。

圖3 使用HR550FS無線式手輪在傾斜工作（zuò）平麵上幹預程序運行

2.4 運（yùn）動控製

模具（jù）加工（gōng）中曲麵加（jiā）工多采用CAD/CAM軟件生成（chéng）曲（qǔ）麵加工程序，大量（liàng）的直線插補程序段間的過渡是個棘（jí）手的問題，iTNC 530數控係（xì）統能自動實現程序段間的平滑過渡（dù），使刀具盡可能以恒定的進給速（sù）度在工件表麵上運動。該數控係統（tǒng）能保持（chí）較高的進給（gěi）速度與精確（què）的刀（dāo）具方向控製間的協調，並允許（xǔ）用戶通過（guò）簡單的循環直接影響加工速度與輪（lún）廓公差的比例關係，如圖（tú）4所（suǒ）示（shì）。

圖4 輪（lún）廓公差控製（zhì）

該數（shù）控係統的程（chéng）序段平滑過渡功能，可滿足（zú）CAD/CAM係統生成的NC數（shù）控程序的工件表麵質量要求。刀具沿輪廓運動時，iTNC 530數（shù）控係（xì）統會考慮實際刀具長（zhǎng）度和半徑與（yǔ）定義值間的偏差，這就避免了後處（chù）理器的二（èr）次計算，這個功能在夜班（bān）中編程部門（mén）無人（rén）上班時便比較有用。刀具快速反向運動會導致機床振動，使刀具與工（gōng）件間的路徑偏差加大，iTNC 530數控係統的運動控製（zhì）功能可有效避免這種（zhǒng）偏差，確保其不超過所設置的輪廓公差（包（bāo）括運動路徑突然變化時），圖（tú）5所示為典型的模具類短直線段插補程序（xù）。

圖5 典型的模具（jù）類短直線段（duàn）插補（bǔ）程序

2.5 動態碰（pèng）撞監控

多軸（zhóu）機床的（de）複雜運動、快移（yí）速度和加速度的日益提（tí）高使機（jī）床操作人員很難預測軸的運動。動態碰撞監控（kòng）（DCM）能將機床運動部件的幾何（hé）尺寸（cùn）和運動關係集成（chéng）入iTNC 530數控係統（tǒng），實時監測機床測量反饋原（yuán）件的位置，具有避免刀（dāo）具與機床（chuáng）運動部件間或刀具與夾具碰撞的功能。iTNC 530數控係（xì）統檢測到刀具可能發生碰撞危險時，將停止軸（zhóu）運動並顯示報警信息，如圖6所示，有利於避免機床損（sǔn）壞及浪費停機等待時間，使無人值守換班生產更安全、更可靠。

圖6 機床動（dòng）態碰撞模型與碰撞報警信息界麵

3 、加工精度智能控製

3.1 KinematicsComp補償機床幾（jǐ）何誤差（chà）

由於工件公差要求日（rì）趨（qū）嚴（yán）格，對（duì）機床的要求也越來越高（gāo）。但在（zài）機床（chuáng）生（shēng）產和機床結構設計中不可避免地存在（zài）很多誤差，例如根據ISO230-1標準，直線軸有6類誤差，回轉軸的誤差種類更多，而且機床軸越多，誤差源就越多。解決這（zhè）些（xiē）問題涉及的工作（zuò）量（liàng）龐大，特別是五軸加工或有平行軸的大型機床加（jiā）工（gōng）。

機床製造商通（tōng）過運動特性模型描述的（de）機床自由度和回轉軸位置，過去隻能用機床幾何名義尺寸確（què）定，現在通過KinematicsComp功能，能將所有軸的實際特性全部整合在運動特性（xìng）模型中（zhōng），甚至（zhì）可以（yǐ）定義與位置相關的溫度補償。補償這些誤差所需的測（cè）量方法已用（yòng）於機床測量的（de）校準過（guò）程中，例如通過機（jī）床掃（sǎo）描係統執行這種任務，可高精度地測量刀尖的空間位置誤差。

3.2 KinematicsOpt校準旋轉軸定位誤差和空間漂移

機床隻有（yǒu）準（zhǔn）確地控製旋轉軸（zhóu）運動導致的（de）坐標變化，才能保證（zhèng）加工工件的高（gāo）精度。用四軸或四軸以上機床進行（háng）編程時，傾斜（xié）麵加工是編程人員的重點。iTNC 530數控係統的PLANE功能可滿足這種需求。編程人員難以預測機床各軸的實際運動，而數控係統能計算工件坐標係的（de）相應變換，並要求（qiú）軸進行相應運動。圖7所示為係統控製旋轉中心與（yǔ）實際旋轉中心的偏差（chà）導致的傾斜位置誤差。

KinematisOpt功能的基本原理為：采用海德漢TS740高精度3-D觸發式（shì）測頭，準確測量多個旋轉軸位置處的高精度標準球的球心位置，如圖8 所示。根據需要，KinematicsOpt能自動優化被測軸，自動進行機床（chuáng）參數的修改。KinematicsOpt測量時（shí）間（jiān）需要數分鍾，操作人員可以重新校準機床（chuáng），如果基準球永久固定在機床工作台中，它甚至可以在2個獨立的加工步驟間自動執行這個測量任（rèn）務，因此能確保大批量和單（dān）件（jiàn）生產產品質（zhì）量的（de）高度穩定（dìng）。

圖7 係統（tǒng）控製旋轉中心與實際旋轉中心（xīn）的偏差導致傾斜位置誤差

a.數控（kòng）係統的控製中心b.旋轉軸的實際回轉中心c.傾斜導致（zhì）的位（wèi）置誤差

圖8 海德漢TS740高精度測頭與標準球（qiú）

大型銑床根據不同的加工任務，需要經常更換不（bú）同的銑頭，由於（yú）每個銑頭的尺寸不同，數控係統計算時（shí）必須考慮機床運動（dòng）結構鏈的差異及銑頭間的相互位置關係。iTNC 530數控（kòng）係統可以保存多套運動尺寸（cùn）差異數據（jù），如果（guǒ）銑頭尺寸改變（如銑頭發生碰撞或受（shòu）溫度影響），操作人員可自行用（yòng）Kine?maticsOpt功能校（xiào）準銑頭。KinematicsOpt還能測量機床部件的漂移（yí），並將數（shù）據保存在數控係統中（zhōng），可簡單地補償漂移，而無需對加工程序做任何改動。

4 、加工過程自適（shì）應控（kòng）製

機床用戶為提高機床生產效率，需要更快的進給（gěi）速（sù）率和更大的加速度，這種高（gāo）速運動使機床結構易於發生機械振（zhèn）動，所產生的共振效應（yīng）又通過位置

和速度控製（zhì）單元進入係統，嚴重影響數控係統正常工作。機（jī）床結構的共振特性與許多因（yīn）素有關，例如（rú）機床軸在加工區域內的位置，機床工作台的靜止負

荷或機床軸的機械連接方（fāng）式。

4.1 受力自（zì）適應控製（LAC）

旋轉工作台機（jī）床的動態特性與負載的工件質量或慣性矩有關。受力自適應控製（LAC）功能用於使數控係統自動確定工件的當前質量、慣性矩和摩擦力。自適應前饋控製功能可檢測加速度，保持扭矩、靜摩擦和高軸速時的摩擦力數據。工件（jiàn）加工期間，數控係統還能連續調整自適應前饋控製參數，以適應工件的當前質量。

4.2 關聯機床軸的位（wèi）置誤差補償（CTC）

在模具類零件高速加（jiā）工過程中，短直線段的插補（bǔ）使機床處於頻繁的大加速度加工過（guò）程，機床結構因受力加大而產生彈（dàn）性變形，導致刀具中心點（TCP）偏移。除軸向變形外，機械軸的大（dà）加速運動也導（dǎo）致機床軸在與（yǔ）加速度垂（chuí）直的方向變形。如果機床軸的受力點不在重心線上（shàng），在製動和加速期間將造成機床（chuáng）軸傾斜，這時該問題將更加突出，導致刀具中心點（TCP）在加速軸和橫向軸方向的位置誤差與加速度大小（xiǎo）成正比。若通（tōng）過刀具中心點（TCP）測（cè）量找到動態位置誤差與機床軸加速（sù）度的函（hán）數關係，CTC伺服控製功能便可補償這個與加速度有關的誤差，避免（miǎn）對工件表麵質量和精度造成負麵影響。圖9顯示（shì）了（le）無CTC和有（yǒu）CTC的情況下，機床震動對工件表麵的影響。

圖9 機（jī）床震動對工件表麵的影響

4.3 位置自適應控製（PAC）

機床（chuáng）的動（dòng）態性能根據機床軸在加工區域中的位置有不同的表現，它可能會影響伺服控製係統的穩定性。為最大限度地提高機床動態性（xìng）能，可通過位（wèi）置自（zì）適應控製(PAC）功能（néng）根據（jù）機床所在位（wèi）置修（xiū）改機（jī）床參數。此外，通過定義與位置相關的過濾器參數，可以進一步提（tí）高伺服控（kòng）製係統的穩定性（xìng）。

5 、結束（shù）語

海德漢iTNC 530數控係被廣泛（fàn）應用於模具製造，特別是大型精密模具製造中（zhōng）。隨著計算機與電子（zǐ）技（jì）術的發展（zhǎn），係統除具有優秀的插補控製算法、友好的機（jī）床操作等基本功能外，還重點在客戶（hù）感受（shòu）、智能精度控製、加工過程自適應控製等方麵加大了開發力度，使得（dé）係（xì）統（tǒng）在大型（xíng）精密模具製造過程中更加可靠、準確。

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