數控系統智能加工功能在大型精密模具制造中的應用

　　獨特的造型和優(yōu)美的線(xiàn)條是汽車(chē)制造業(yè)車(chē)型日益多樣化的突出特點(diǎn)。設計師希望滿(mǎn)足駕車(chē)人的愿望，但在將這些愿望化為現實(shí)的過(guò)程中面臨著(zhù)許多問(wèn)題，例如技術(shù)復雜性的提高與成本和時(shí)間壓力不斷增加間的矛盾，因此改善生產(chǎn)方法比以往任何時(shí)候都更重要。約翰內斯·海德漢博士（中國）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海德漢）創(chuàng )新的解決方案，在模具制造領(lǐng)域能幫助用戶(hù)提高效率和簡(jiǎn)化操作，使模具達到更高的加工速度和更好的表面質(zhì)量。

　　海德漢iTNC 530數控系統是一種適用于銑、鉆、鏜床和加工中心的多功能輪廓加工數控系統，被廣泛應用于高精密、高速、多軸型復合機床，此類(lèi)機床正是大型精密模具加工的需求所在。

2 、iTNC530數控系統的智能加工功能

　　2.1 DXF轉換工具

　　模具加工中精確的曲面加工是保證輪廓準確的關(guān)鍵，大型模具的加工過(guò)程基本都是自動(dòng)進(jìn)行，但也常常需要編程部門(mén)重新編制局部加工程序，這就需要長(cháng)時(shí)間中斷加工。在修復輪廓的過(guò)程中，常常需要用另一把刀具修復輪廓的特定部位，這就需要調整CAD/CAM系統生成的相應程序，再生成一個(gè)較短的新程序。

　　使用海德漢iTNC 530 系統中的DXF 轉換工具，能有效避免停機等待程序的現象，如圖1所示，通過(guò)圖形顯示，用戶(hù)能交互選擇CAD/CAM系統生成的刀具路徑。所選的輪廓部位可在數控系統中被快速保存為一個(gè)單獨加工的程序。該功能可為用戶(hù)節省大量的程序等待時(shí)間，還可以對程序進(jìn)行局部修改。

圖1 通過(guò)DXF導入功能自動(dòng)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(huán)節，為提高工件質(zhì)量和加工速度，需要對程序修改一些參數，例如進(jìn)給速率、坐標偏移量等。由于數控系統難以重新啟動(dòng)加工程序，必須從起點(diǎn)開(kāi)始檢查全部已執行的程序。在數控系統中，編輯大型工件加工程序會(huì )受到系統處理能力的限制而消耗寶貴時(shí)間。對全局有效參數的設置，可以快速調整NC數控程序，使其符合機床配置情況，有效避免不必要的差錯和縮短中斷時(shí)間，如圖2所示。

圖2 全局有效參數設置

　　2.3 手輪疊加運動(dòng)

　　在大型精密模具加工中，操作人員有時(shí)需要直接控制自動(dòng)加工過(guò)程。圖3所示為使用HR550FS無(wú)線(xiàn)式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行的照片。開(kāi)始前，首先在全局程序參數設置中定義所需的軸和疊加運動(dòng)的范圍。在傾斜系統中，手輪疊加運動(dòng)也同樣安全和易于使用。

圖3 使用HR550FS無(wú)線(xiàn)式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行

　　2.4 運動(dòng)控制

　　模具加工中曲面加工多采用CAD/CAM軟件生成曲面加工程序，大量的直線(xiàn)插補程序段間的過(guò)渡是個(gè)棘手的問(wèn)題，iTNC 530數控系統能自動(dòng)實(shí)現程序段間的平滑過(guò)渡，使刀具盡可能以恒定的進(jìn)給速度在工件表面上運動(dòng)。該數控系統能保持較高的進(jìn)給速度與精確的刀具方向控制間的協(xié)調，并允許用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)直接影響加工速度與輪廓公差的比例關(guān)系，如圖4所示。[page]

圖4 輪廓公差控制

　　該數控系統的程序段平滑過(guò)渡功能，可滿(mǎn)足CAD/CAM系統生成的NC數控程序的工件表面質(zhì)量要求。刀具沿輪廓運動(dòng)時(shí)，iTNC 530數控系統會(huì )考慮實(shí)際刀具長(cháng)度和半徑與定義值間的偏差，這就避免了后處理器的二次計算，這個(gè)功能在夜班中編程部門(mén)無(wú)人上班時(shí)便比較有用。刀具快速反向運動(dòng)會(huì )導致機床振動(dòng)，使刀具與工件間的路徑偏差加大，iTNC 530數控系統的運動(dòng)控制功能可有效避免這種偏差，確保其不超過(guò)所設置的輪廓公差（包括運動(dòng)路徑突然變化時(shí)），圖5所示為典型的模具類(lèi)短直線(xiàn)段插補程序。

圖5 典型的模具類(lèi)短直線(xiàn)段插補程序

　　2.5 動(dòng)態(tài)碰撞監控

　　多軸機床的復雜運動(dòng)、快移速度和加速度的日益提高使機床操作人員很難預測軸的運動(dòng)。動(dòng)態(tài)碰撞監控（DCM）能將機床運動(dòng)部件的幾何尺寸和運動(dòng)關(guān)系集成入iTNC 530數控系統，實(shí)時(shí)監測機床測量反饋原件的位置，具有避免刀具與機床運動(dòng)部件間或刀具與夾具碰撞的功能。iTNC 530數控系統檢測到刀具可能發(fā)生碰撞危險時(shí)，將停止軸運動(dòng)并顯示報警信息，如圖6所示，有利于避免機床損壞及浪費停機等待時(shí)間，使無(wú)人值守換班生產(chǎn)更安全、更可靠。

圖6 機床動(dòng)態(tài)碰撞模型與碰撞報警信息界面

3 、加工精度智能控制

　　3.1 KinematicsComp補償機床幾何誤差

　　由于工件公差要求日趨嚴格，對機床的要求也越來(lái)越高。但在機床生產(chǎn)和機床結構設計中不可避免地存在很多誤差，例如根據ISO230-1標準，直線(xiàn)軸有6類(lèi)誤差，回轉軸的誤差種類(lèi)更多，而且機床軸越多，誤差源就越多。解決這些問(wèn)題涉及的工作量龐大，特別是五軸加工或有平行軸的大型機床加工。機床制造商通過(guò)運動(dòng)特性模型描述的機床自由度和回轉軸位置，過(guò)去只能用機床幾何名義尺寸確定，現在通過(guò)KinematicsComp功能，能將所有軸的實(shí)際特性全部整合在運動(dòng)特性模型中，甚至可以定義與位置相關(guān)的溫度補償。補償這些誤差所需的測量方法已用于機床測量的校準過(guò)程中，例如通過(guò)機床掃描系統執行這種任務(wù)，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

　　機床只有準確地控制旋轉軸運動(dòng)導致的坐標變化，才能保證加工工件的高精度。用四軸或四軸以上機床進(jìn)行編程時(shí)，傾斜面加工是編程人員的重點(diǎn)。iTNC 530數控系統的PLANE功能可滿(mǎn)足這種需求。編程人員難以預測機床各軸的實(shí)際運動(dòng)，而數控系統能計算工件坐標系的相應變換，并要求軸進(jìn)行相應運動(dòng)。圖7所示為系統控制旋轉中心與實(shí)際旋轉中心的偏差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(fā)式測頭，準確測量多個(gè)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(dòng)優(yōu)化被測軸，自動(dòng)進(jìn)行機床參數的修改。KinematicsOpt測量時(shí)間需要數分鐘，操作人員可以重新校準機床，如果基準球永久固定在機床工作臺中，它甚至可以在2個(gè)獨立的加工步驟間自動(dòng)執行這個(gè)測量任務(wù)，因此能確保大批量和單件生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的高度穩定。

圖7 系統控制旋轉中心與實(shí)際旋轉中心的偏差導致傾斜位置誤差

a.數控系統的控制中心b.旋轉軸的實(shí)際回轉中心c.傾斜導致的位置誤差

圖8 海德漢TS740高精度測頭與標準球

大型銑床根據不同的加工任務(wù)，需要經(jīng)常更換不同的銑頭，由于每個(gè)銑頭的尺寸不同，數控系統計算時(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(guān)系。iTNC 530數控系統可以保存多套運動(dòng)尺寸差異數據，如果銑頭尺寸改變（如銑頭發(fā)生碰撞或受溫度影響），操作人員可自行用Kine?maticsOpt功能校準銑頭。KinematicsOpt還能測量機床部件的漂移，并將數據保存在數控系統中，可簡(jiǎn)單地補償漂移，而無(wú)需對加工程序做任何改動(dòng)。[page]

4 、加工過(guò)程自適應控制

　　機床用戶(hù)為提高機床生產(chǎn)效率，需要更快的進(jìn)給速率和更大的加速度，這種高速運動(dòng)使機床結構易于發(fā)生機械振動(dòng)，所產(chǎn)生的共振效應又通過(guò)位置和速度控制單元進(jìn)入系統，嚴重影響數控系統正常工作。機床結構的共振特性與許多因素有關(guān)，例如機床軸在加工區域內的位置，機床工作臺的靜止負荷或機床軸的機械連接方式。

　　4.1 受力自適應控制（LAC）

　　旋轉工作臺機床的動(dòng)態(tài)特性與負載的工件質(zhì)量或慣性矩有關(guān)。受力自適應控制（LAC）功能用于使數控系統自動(dòng)確定工件的當前質(zhì)量、慣性矩和摩擦力。自適應前饋控制功能可檢測加速度，保持扭矩、靜摩擦和高軸速時(shí)的摩擦力數據。工件加工期間，數控系統還能連續調整自適應前饋控制參數，以適應工件的當前質(zhì)量。

　　4.2 關(guān)聯(lián)機床軸的位置誤差補償（CTC）

　　在模具類(lèi)零件高速加工過(guò)程中，短直線(xiàn)段的插補使機床處于頻繁的大加速度加工過(guò)程，機床結構因受力加大而產(chǎn)生彈性變形，導致刀具中心點(diǎn)（TCP）偏移。除軸向變形外，機械軸的大加速運動(dòng)也導致機床軸在與加速度垂直的方向變形。如果機床軸的受力點(diǎn)不在重心線(xiàn)上，在制動(dòng)和加速期間將造成機床軸傾斜，這時(shí)該問(wèn)題將更加突出，導致刀具中心點(diǎn)（TCP）在加速軸和橫向軸方向的位置誤差與加速度大小成正比。若通過(guò)刀具中心點(diǎn)（TCP）測量找到動(dòng)態(tài)位置誤差與機床軸加速度的函數關(guān)系，CTC伺服控制功能便可補償這個(gè)與加速度有關(guān)的誤差，避免對工件表面質(zhì)量和精度造成負面影響。圖9顯示了無(wú)CTC和有CTC的情況下，機床震動(dòng)對工件表面的影響。

圖9 機床震動(dòng)對工件表面的影響

　　4.3 位置自適應控制（PAC）

　　機床的動(dòng)態(tài)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(huì )影響伺服控制系統的穩定性。為最大限度地提高機床動(dòng)態(tài)性能，可通過(guò)位置自適應控制(PAC）功能根據機床所在位置修改機床參數。此外，通過(guò)定義與位置相關(guān)的過(guò)濾器參數，可以進(jìn)一步提高伺服控制系統的穩定性。

5 、結束語(yǔ)

　　海德漢iTNC 530數控系被廣泛應用于模具制造，特別是大型精密模具制造中。隨著(zhù)計算機與電子技術(shù)的發(fā)展，系統除具有優(yōu)秀的插補控制算法、友好的機床操作等基本功能外，還重點(diǎn)在客戶(hù)感受、智能精度控制、加工過(guò)程自適應控制等方面加大了開(kāi)發(fā)力度，使得系統在大型精密模具制造過(guò)程中更加可靠、準確。