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數(shù)控系統(tǒng)智能加工功能在大型精密模具制造中的應(yīng)用

2014-12-20 來(lái)源：約翰內(nèi)斯·海德漢博士（中國(guó)）有限公司作者：徐新平

摘要：介紹了海德漢iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的智能加工功能，闡述了系統(tǒng)在大型精密模具制造中的應(yīng)用，系統(tǒng)可提高模具制造效率和精度，在許多企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 、引言

獨(dú)特的造型和優(yōu)美的線條是汽車制造業(yè)車型日益多樣化的突出特點(diǎn)。設(shè)計(jì)師希望滿足駕車人的愿望，但在將這些愿望化為現(xiàn)實(shí)的過(guò)程中面臨著許多問(wèn)題，例如技術(shù)復(fù)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(nèi)斯·海德漢博士（中國(guó)）有限公司（以下簡(jiǎn)稱海德漢）創(chuàng)新的解決方案，在模具制造領(lǐng)域能幫助用戶提高效率和簡(jiǎn)化操作，使模具達(dá)到更高的加工速度和更好的表面質(zhì)量。

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

2 、iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的智能加工功能

2.1 DXF轉(zhuǎn)換工具

模具加工中精確的曲面加工是保證輪廓準(zhǔn)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重新編制局部加工程序，這就需要長(zhǎng)時(shí)間中斷加工。在修復(fù)輪廓的過(guò)程中，常常需要用另一把刀具修復(fù)輪廓的特定部位，這就需要調(diào)整CAD/CAM系統(tǒng)生成的相應(yīng)程序，再生成一個(gè)較短的新程序。

使用海德漢iTNC 530 系統(tǒng)中的DXF 轉(zhuǎn)換工具，能有效避免停機(jī)等待程序的現(xiàn)象，如圖1所示，通過(guò)圖形顯示，用戶能交互選擇CAD/CAM系統(tǒng)生成的刀具路徑。所選的輪廓部位可在數(shù)控系統(tǒng)中被快速保存為一個(gè)單獨(dú)加工的程序。該功能可為用戶節(jié)省大量的程序等待時(shí)間，還可以對(duì)程序進(jìn)行

局部修改。

圖1 通過(guò)DXF導(dǎo)入功能自動(dòng)生成程序

2.2 全局有效參數(shù)設(shè)置

工件局部加工涉及很多環(huán)節(jié)，為提高工件質(zhì)量和加工速度，需要對(duì)程序修改一些參數(shù)，例如進(jìn)給速率、坐標(biāo)偏移量等。由于數(shù)控系統(tǒng)難以重新啟動(dòng)加工程序，必須從起點(diǎn)開始檢查全部已執(zhí)行的程序。在數(shù)控系統(tǒng)中，編輯大型工件加工程序會(huì)受到系統(tǒng)處理能力的限制而消耗寶貴時(shí)間。對(duì)全局有效參數(shù)的設(shè)置，可以快速調(diào)整NC數(shù)控程序，使其符合機(jī)床配置情況，有效避免不必要的差錯(cuò)和縮短中斷時(shí)間，如圖2所示。

圖2 全局有效參數(shù)設(shè)置

2.3 手輪疊加運(yùn)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)線式手輪在傾斜工作平面上干預(yù)程序運(yùn)行的照片。開始前，首先在全局程序參數(shù)設(shè)置中定義所需的軸和疊加運(yùn)動(dòng)的范圍。在傾斜系統(tǒng)中，手輪疊加運(yùn)動(dòng)也同樣安全和易于使用。

圖3 使用HR550FS無(wú)線式手輪在傾斜工作平面上干預(yù)程序運(yùn)行

2.4 運(yùn)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，大量的直線插補(bǔ)程序段間的過(guò)渡是個(gè)棘手的問(wèn)題，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)。該數(shù)控系統(tǒng)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(diào)，并允許用戶通過(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。

圖4 輪廓公差控制

該數(shù)控系統(tǒng)的程序段平滑過(guò)渡功能，可滿足CAD/CAM系統(tǒng)生成的NC數(shù)控程序的工件表面質(zhì)量要求。刀具沿輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)會(huì)考慮實(shí)際刀具長(zhǎng)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(jì)算，這個(gè)功能在夜班中編程部門無(wú)人上班時(shí)便比較有用。刀具快速反向運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，使刀具與工件間的路徑偏差加大，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能可有效避免這種偏差，確保其不超過(guò)所設(shè)置的輪廓公差（包括運(yùn)動(dòng)路徑突然變化時(shí)），圖5所示為典型的模具類短直線段插補(bǔ)程序。

圖5 典型的模具類短直線段插補(bǔ)程序

2.5 動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)控

多軸機(jī)床的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)、快移速度和加速度的日益提高使機(jī)床操作人員很難預(yù)測(cè)軸的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)碰撞監(jiān)控（DCM）能將機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)關(guān)系集成入iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床測(cè)量反饋原件的位置，具有避免刀具與機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件間或刀具與夾具碰撞的功能。iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)到刀具可能發(fā)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)，將停止軸運(yùn)動(dòng)并顯示報(bào)警信息，如圖6所示，有利于避免機(jī)床損壞及浪費(fèi)停機(jī)等待時(shí)間，使無(wú)人值守?fù)Q班生產(chǎn)更安全、更可靠。

圖6 機(jī)床動(dòng)態(tài)碰撞模型與碰撞報(bào)警信息界面

3 、加工精度智能控制

3.1 KinematicsComp補(bǔ)償機(jī)床幾何誤差

由于工件公差要求日趨嚴(yán)格，對(duì)機(jī)床的要求也越來(lái)越高。但在機(jī)床生產(chǎn)和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可避免地存在很多誤差，例如根據(jù)ISO230-1標(biāo)準(zhǔn)，直線軸有6類誤差，回轉(zhuǎn)軸的誤差種類更多，而且機(jī)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(jī)床加工。

機(jī)床制造商通過(guò)運(yùn)動(dòng)特性模型描述的機(jī)床自由度和回轉(zhuǎn)軸位置，過(guò)去只能用機(jī)床幾何名義尺寸確定，現(xiàn)在通過(guò)KinematicsComp功能，能將所有軸的實(shí)際特性全部整合在運(yùn)動(dòng)特性模型中，甚至可以定義與位置相關(guān)的溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償這些誤差所需的測(cè)量方法已用于機(jī)床測(cè)量的校準(zhǔn)過(guò)程中，例如通過(guò)機(jī)床掃描系統(tǒng)執(zhí)行這種任務(wù)，可高精度地測(cè)量刀尖的空間位置誤差。

3.2 KinematicsOpt校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸定位誤差和空間漂移

機(jī)床只有準(zhǔn)確地控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的坐標(biāo)變化，才能保證加工工件的高精度。用四軸或四軸以上機(jī)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(shù)控系統(tǒng)的PLANE功能可滿足這種需求。編程人員難以預(yù)測(cè)機(jī)床各軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，而數(shù)控系統(tǒng)能計(jì)算工件坐標(biāo)系的相應(yīng)變換，并要求軸進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。圖7所示為系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)中心與實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心的偏差導(dǎo)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(cè)頭，準(zhǔn)確測(cè)量多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸位置處的高精度標(biāo)準(zhǔn)球的球心位置，如圖8 所示。根據(jù)需要，KinematicsOpt能自動(dòng)優(yōu)化被測(cè)軸，自動(dòng)進(jìn)行機(jī)床參數(shù)的修改。KinematicsOpt測(cè)量時(shí)間需要數(shù)分鐘，操作人員可以重新校準(zhǔn)機(jī)床，如果基準(zhǔn)球永久固定在機(jī)床工作臺(tái)中，它甚至可以在2個(gè)獨(dú)立的加工步驟間自動(dòng)執(zhí)行這個(gè)測(cè)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(wěn)定。

圖7 系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)中心與實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心的偏差導(dǎo)致傾斜位置誤差

a.數(shù)控系統(tǒng)的控制中心b.旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)際回轉(zhuǎn)中心c.傾斜導(dǎo)致的位置誤差

圖8 海德漢TS740高精度測(cè)頭與標(biāo)準(zhǔn)球

大型銑床根據(jù)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(shù)控系統(tǒng)計(jì)算時(shí)必須考慮機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)鏈的差異及銑頭間的相互位置關(guān)系。iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)可以保存多套運(yùn)動(dòng)尺寸差異數(shù)據(jù)，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(zhǔn)銑頭。KinematicsOpt還能測(cè)量機(jī)床部件的漂移，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)控系統(tǒng)中，可簡(jiǎn)單地補(bǔ)償漂移，而無(wú)需對(duì)加工程序做任何改動(dòng)。

4 、加工過(guò)程自適應(yīng)控制

機(jī)床用戶為提高機(jī)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(yùn)動(dòng)使機(jī)床結(jié)構(gòu)易于發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，所產(chǎn)生的共振效應(yīng)又通過(guò)位置

和速度控制單元進(jìn)入系統(tǒng)，嚴(yán)重影響數(shù)控系統(tǒng)正常工作。機(jī)床結(jié)構(gòu)的共振特性與許多因素有關(guān)，例如機(jī)床軸在加工區(qū)域內(nèi)的位置，機(jī)床工作臺(tái)的靜止負(fù)

荷或機(jī)床軸的機(jī)械連接方式。

4.1 受力自適應(yīng)控制（LAC）

旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性與負(fù)載的工件質(zhì)量或慣性矩有關(guān)。受力自適應(yīng)控制（LAC）功能用于使數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)確定工件的當(dāng)前質(zhì)量、慣性矩和摩擦力。自適應(yīng)前饋控制功能可檢測(cè)加速度，保持扭矩、靜摩擦和高軸速時(shí)的摩擦力數(shù)據(jù)。工件加工期間，數(shù)控系統(tǒng)還能連續(xù)調(diào)整自適應(yīng)前饋控制參數(shù)，以適應(yīng)工件的當(dāng)前質(zhì)量。

4.2 關(guān)聯(lián)機(jī)床軸的位置誤差補(bǔ)償（CTC）

在模具類零件高速加工過(guò)程中，短直線段的插補(bǔ)使機(jī)床處于頻繁的大加速度加工過(guò)程，機(jī)床結(jié)構(gòu)因受力加大而產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致刀具中心點(diǎn)（TCP）偏移。除軸向變形外，機(jī)械軸的大加速運(yùn)動(dòng)也導(dǎo)致機(jī)床軸在與加速度垂直的方向變形。如果機(jī)床軸的受力點(diǎn)不在重心線上，在制動(dòng)和加速期間將造成機(jī)床軸傾斜，這時(shí)該問(wèn)題將更加突出，導(dǎo)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(cè)量找到動(dòng)態(tài)位置誤差與機(jī)床軸加速度的函數(shù)關(guān)系，CTC伺服控制功能便可補(bǔ)償這個(gè)與加速度有關(guān)的誤差，避免對(duì)工件表面質(zhì)量和精度造成負(fù)面影響。圖9顯示了無(wú)CTC和有CTC的情況下，機(jī)床震動(dòng)對(duì)工件表面的影響。

圖9 機(jī)床震動(dòng)對(duì)工件表面的影響

4.3 位置自適應(yīng)控制（PAC）

機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能根據(jù)機(jī)床軸在加工區(qū)域中的位置有不同的表現(xiàn)，它可能會(huì)影響伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為最大限度地提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能，可通過(guò)位置自適應(yīng)控制(PAC）功能根據(jù)機(jī)床所在位置修改機(jī)床參數(shù)。此外，通過(guò)定義與位置相關(guān)的過(guò)濾器參數(shù)，可以進(jìn)一步提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 、結(jié)束語(yǔ)

海德漢iTNC 530數(shù)控系被廣泛應(yīng)用于模具制造，特別是大型精密模具制造中。隨著計(jì)算機(jī)與電子技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)除具有優(yōu)秀的插補(bǔ)控制算法、友好的機(jī)床操作等基本功能外，還重點(diǎn)在客戶感受、智能精度控制、加工過(guò)程自適應(yīng)控制等方面加大了開發(fā)力度，使得系統(tǒng)在大型精密模具制造過(guò)程中更加可靠、準(zhǔn)確。

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