数控机床应用技术

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1、数控机床应用技术,汇报人：周宝庆,大连机床集团 数控技术应用试验研究所,大连机床集团 数控技术应用试验研究所 周宝庆 2011.08.02,机床制造商对高端数控系统的需求,1)、硬件的需求 2)、高速切削功能 3)、五轴加工能力 4)、简易编程（对话式、可视化编程） 5)、误差补偿; 6)、调试工具 （简化调试工作） 7)、过程干预和监控技术; 8)、智能化技术 9)、网络技术,一、机、电、液、机械调试、NC调试和加工编程集成技术是关键,GMX linear 系列车铣中心 主要要特点：Z1轴采用直线电机 正负主轴采用内置电机 其它直线轴采用滚珠丝杠,1）、大连机床集团六年前开发的CHD系列九轴

2、五联动车铣复合中心,CHD 系列车铣中心： 主要要特点：正负主轴采用异步内置电机 直线轴全部采用滚珠丝杠,X1轴滑架质量轻：位置增益可以设置高； Z1轴滑架质量重：位置增益设置低。 为了保证机床的同步精度位置增益必须设置相同值，按最低增益值设置（按Z1轴位置增益设置），这就降低了机床精度。 Z轴采用直线电机： 1、减少了屑对屑换刀时间； 2、提高了位置增益、提高了机床精度； 3、加速度提高，提高了切削效率； 4、提高了机床伺服刚度和动态刚度。,2）、CHD系列车铣复合中心基础件,3）、加工工件对数控系统的要求,产品件加工,五轴产品件加工,五轴产品件加工对系统要求： 1、高性能处理板 2、正付主

3、轴必须是同步内置电机 3、Z1轴最好是直线电机,五轴定向产品件加工对系统要求： 1、不需要高性能处理板 2、正付主轴可以使用异步内置电机 3、直线轴可以使用滚珠丝杠,我们把数控系统选型和配置交给数控系统生产商，影响我国数控机床的发展*！,高速、高精度、高表面加工机床 动态性能好,高效、高精度、高表面质量加工机床 刚性好,高性能钢、钛合金、高温合金和硬切削等,4）、高速机床和重型机床都需要高端数控系统,重型机床更需要高端数控系统支持！,数控系统框架设计师和型号设计师: 一定要对机床设计技术、机械调试技术、伺服优化技术、加工工艺、NC编程、数控系统试验方法和试验策略进行深入集成研究。才能开发出市场

4、需求的数控系统,不然数控系统成长太慢，最终将被市场抛弃。,二、数控系统硬件是根本,机床制造商关心的系统硬件主要技术指标： 1、电流环控制周期 2、系统控制周期 3、插补周期 4、程序段预读能力 5、内存和外存容量 6、程序传送速度,系统系能对机床精度的影响： 1、伺服刚度 2、动态刚度* 3、反向跃冲精度（象限误差、摩擦误差）* 4、周期误差* 5、动态响应误差*,N0001 X- 110.343 N0002 X- 110.551 N0003 X- 110.705 N0004 X- 110.911 N0005 X- 111.059 N0006 X- 111.162 N0007 X- 111.2

5、98 N0008 X-111.469. N0009 X- 111.564 N0010 X- 111.614 . . . N7497 X-111.6 N7497 X- 111.559,程序段处理能力：CNC每分钟能够计算的程序段数,1）、程序段处理能对切削速度影响 程序段处理能力试验,NC程序步长越小，程序段量越大，因此对数控系统字节的处理能力要求越高。,*1步长越小，例如0.07mm时，使用AI APC功能时，机床进给率只能达到F500，如果希望达到F2000，需要使用AI nano CC功能。,1）、程序段处理能对切削速度影响 步长、字节处理能力和切削速度之间关系,步长集中在1mm以上,0.

6、1 0.3 0.5 0.7 0.9 1,建议使用AI APC（F3500）,1）、程序段处理能对切削速度影响 试验1,0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1,建议使用 AInano HPCC（F3500）,1）、程序段处理能对切削速度影响 试验2,步长集中在0.1mm,2）、计算精度对加工质量的影响 - FANUC指令倍乘比(CMR)优化,指令倍乘比（CMR）最小移动单位检测单位 FANUC系统指令倍率比（CMR），出厂默认值是2倍，国内都是使用默认值，但国外进口机床指令倍比都设置10倍以上，最多达到40倍。,提高指令倍率： 提高了系统计算精度(指令脉冲精度），计算精度的提高影响加工效果*

7、，试验证明：提高了小线段处理的效果，加工速度变快，光洁度，亮度高，刀纹的细腻程度比之前有提高。,1、动态响应试验 测试条件：测试结果对动态响应曲线影响不大 动态频率响应曲线 CMR=2 CMR=20,2）、计算精度对加工质量的影响 改变指令倍乘比(CMR)试验,测试条件：FANUC0IMD，空载。在提高CMR前后，使用一样的环路增益，加减速时 间常数。,2、圆弧插补试验 周期误差*变小，刀路细腻 CMR=2时，XY圆弧插补 CMR=20时， XY 圆弧插 补,2）、计算精度对加工质量的影响 改变指令倍乘比(CMR)试验,3、方形带四分之一圆弧试验： 动态刚度*提高，周期误差*变小，刀路细腻 C

8、MR=2时，XY方带四分之一圆弧 CMR=20时，XY方带四分之一圆弧,2）、计算精度对加工质量的影响 改变指令倍乘比(CMR)试验,POSC,CMR=20，1802#7=1,POSF,4、反馈试验： FANUC0i-C反馈更加的均匀，平滑,2）、计算精度对加工质量的影响 改变指令倍乘比(CMR)试验,CMR=20,POSF,5、反馈试验：FANUC31i纳米级插补反馈更加的均匀，平滑,2）、计算精度对加工质量的影响 改变指令倍乘比(CMR)试验,HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端数控系统都采用纳米级插补； SIEMENS828D计算精度是80位； FANUC0iMD系统使

9、用了纳米级插补，试验证明FANUC0iMate D模具加工能力与FANUC0iMC相同，台湾和国内一些机床厂为了降低成本，使用FANUC0iMate D取代FANUC0iMD。,2）、计算精度对加工质量的影响 纳米级插补,三、驱动软件算法是灵魂,高速加工指令 HEIDENHAIN：CYCLE32 SIEMEN：高速加工循环：CYCLE832 FANUC: AI轮廓控制G05.1,三种系统加工效果比较： FANUC系统加工曲面表面质量好； SIEMEN系统加工曲面加工精度高 HEIDENHAIN系统加工曲面加工精度高、曲面表面质量好*,曲面加工质量四个主要指标： 1、加工精度 2、表面粗糙度；

10、3、相邻路径的一致度（或正反向加工的重复性）-俗称光亮度 4、加工速度,1、影响曲面加工质量因素,相邻路径的一致性度在国内没用引起重视！,2、相邻路径的一致性-虚拟仿真-1,没有相邻路 径控制功能,有相邻路 径控制功能,3、相邻路径的一致性-虚拟仿真-2,相邻路径的一致度好,相邻路径的一致度差,4、相邻路径的一致性 切削试验,没有相邻轨迹控制功能，表面质量差,有相邻轨迹控制功能，表面质量好,5、路径预读功能,解决相邻路径的一致性的策略： 1、增加路径预读能力，缩短段处理时间； 2、使用3D光顺算法控制路径公差和相邻路径公差 *； 3、路径速度平滑,iTNC530： 程序段预读：1024段，程序

11、段处理时间：0.5ms FANUC31i： 采用高速处理器： 程序段预读：1000段（600），程序段处理时间：0.4ms 西门子840D： 程序段预读：默认设置38段 插补周期=MD10050秒 * MD10070 * 1.11,小线段处理技术发展方向：数控系统处理 原因： 1、速度平滑 2、能够根据系统的动态特性平滑处理； 3、数控系统能够对根据轨迹、轨迹间、动态特性轨迹公差实时控制； 4、能够使用速度滤波技术； 5、根据加工情况更改公差(使用方便）； 6、CAM后置处理简单* 。,使用数控系统处理小线段，尽管有占用大量系统资源，计算时间长等缺点。,6、轨迹特性控制 程序段过渡处控制,动态

12、刚度差:动态刚度误差大*,FANUC：减速处理 SIEMEN：加减速或插入图素（G642、G643、 G644指令,G 645) HEIDENHAIN：滤波技术,程序段过渡处理技术 影响加工效率、加工质量。,7、轨迹特性控制 海德汉拐角滤技术,圆角、拐角-轨迹误差计算,圆角误差计算,拐角误差计算,指数型：=.1 直线型：=.1 钟 形：=1,圆角误差R,拐角误差E,指数型:,直线型:,钟 形:,圆弧切削时的路径误差:,r,R :圆弧半径（mm） ：30mm T1:加减速时间常数（s) :0.1s T2:伺服时间常数（s） :0.033s =1/Kp Kp:伺服环增益 ：30s-1,选择合理的切

13、削参数非常重要，从表中可以看出，速度相差5倍，精度相差25倍（平方关系）,圆弧-轨迹误差计算,红色：全闭环 蓝色：半闭环 进给速度：1000mm/min,圆角、拐角误差实测,卧式加工中心：电主轴、丝杠中空冷却、主轴有热补偿功能 数控系统：FANUC18iM，没有采用纳米高性能板,7、加速度控制-动态刚度,FANUC：精细加减速 SIEMEN：动态刚度控制,激励能够通过高动态设置的速度控制器引起控制系统采样时间和驱动产生不同的结果，引起控制系统采样时间变化几ms，引起驱动系统变化多达几百个s，根据系统的优化优化情况，这些激励会导致机械振动。,8、前馈,实验条件： X轴移动速度：1000mm/Mi

14、n 增益：1,无前馈,有前馈,高自然频率和良好的阻尼参数的高动态性能机床，在高速情况下能显著地降低跟踪误差,大型机床的轴的固有频率很低，阻尼也较差，因此各轴所能达到的Kv因子值也很低（0.1.2）。在这种情况下，使用前馈控制能使机床达到一个合适的轮廓精度。,前馈控制方式： 速度前馈：工作台移动机床 电流/扭矩前馈：工作台不动机床,跟随误差=设定速度/伺服增益,9、加加速（Jeck）限制,激活前馈功能后，系统变得不稳定，必须使用加加速限制,通过加加速限制，光顺加速度的变化率以优化轮廓轨迹: 减少轮廓偏差 在保证表面质量情况下以最大进给率加工,无加加速控制, 振动造成表面凹坑,加加速控制,避免由于

15、振动造成的表面质量问题,10、五轴加工刀具方向平滑-刀具方向平滑,程序例子： 例子 N40 TRAORI N50 ORIVECT N60 G1 F10000 N90 COMPCAD N90 $SC_ORISON_TOL = 15.0 N95 $SC_ORISON_DIST=20 N97 orison N110 X0 A3=0 B3=0 C3=0.1 N130 X5 A3=0 B3=0.10 C3=0.0.99 N140 X10 A3=0 B3=0.10 C3=0.99 N150 X15 A3=0 B3=0.19 C3=0.98 N160 X20 A3=0 B3=0.19 C3=0.98 N17

16、0 X25 A3=0 B3=0.28 C3=0.95 N180 X30 A3=0 B3=0.28 C3=0.95 N190 X35 A3=0 B3=0.37 C3=0.92 N200 X40 A3=0 B3=0.37 C3=0.92 N210 X45 A3=0 B3=0.44 C3=0.89 N220 X50 A3=0 B3=0.44 C3=0.89 N230 X55 A3=0 B3=0.51 C3=0.85 N240 X60 A3=0 B3=0.51 C3=0.85 N250 X65 A3=0 B3=0.57 C3=0.81 N260 X70 A3=0 B3=0.57 C3=0.81 N270