數(shù)控系統(tǒng)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)美的線條是汽車制造業(yè)車型日益多樣化的突出特點。設計師希望滿足駕車人的愿望，但在將這些愿望化為現(xiàn)實的過程中面臨著許多問題，例如技術復雜性的提高與成本和時間壓力不斷增加間的矛盾，因此改善生產(chǎn)方法比以往任何時候都更重要。約翰內(nèi)斯·海德漢博士（中國）有限公司（以下簡稱海德漢）創(chuàng)新的解決方案，在模具制造領域能幫助用戶提高效率和簡化操作，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(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)，被廣泛應用于高精密、高速、多軸型復合機床，此類機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確的關鍵，大型模具的加工過程基本都是自動進行，但也常常需要編程部門重新編制局部加工程序，這就需要長時間中斷加工。在修復輪廓的過程中，常常需要用另一把刀具修復輪廓的特定部位，這就需要調(diào)整CAD/CAM系統(tǒng)生成的相應程序，再生成一個較短的新程序。

　　使用海德漢iTNC 530 系統(tǒng)中的DXF 轉(zhuǎn)換工具，能有效避免停機等待程序的現(xiàn)象，如圖1所示，通過圖形顯示，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單獨加工的程序。該功能可為用戶節(jié)省大量的程序等待時間，還可以對程序進行局部修改。

圖1 通過DXF導入功能自動生成程序

　　2.2 全局有效參數(shù)設置

　　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，需要對程序修改一些參數(shù)，例如進給速率、坐標偏移量等。由于數(shù)控系統(tǒng)難以重新啟動加工程序，必須從起點開始檢查全部已執(zhí)行的程序。在數(shù)控系統(tǒng)中，編輯大型工件加工程序會受到系統(tǒng)處理能力的限制而消耗寶貴時間。對全局有效參數(shù)的設置，可以快速調(diào)整NC數(shù)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間，如圖2所示。

圖2 全局有效參數(shù)設置

　　2.3 手輪疊加運動

　　在大型精密模具加工中，操作人員有時需要直接控制自動加工過程。圖3所示為使用HR550FS無線式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行的照片。開始前，首先在全局程序參數(shù)設置中定義所需的軸和疊加運動的范圍。在傾斜系統(tǒng)中，手輪疊加運動也同樣安全和易于使用。

圖3 使用HR550FS無線式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行

　　2.4 運動控制

　　模具加工中曲面加工多采用CAD/CAM軟件生成曲面加工程序，大量的直線插補程序段間的過渡是個棘手的問題，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)能自動實現(xiàn)程序段間的平滑過渡，使刀具盡可能以恒定的進給速度在工件表面上運動。該數(shù)控系統(tǒng)能保持較高的進給速度與精確的刀具方向控制間的協(xié)調(diào)，并允許用戶通過簡單的循環(huán)直接影響加工速度與輪廓公差的比例關系，如圖4所示。[page]

圖4 輪廓公差控制

　　該數(shù)控系統(tǒng)的程序段平滑過渡功能，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。刀具沿輪廓運動時，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)會考慮實際刀具長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，這個功能在夜班中編程部門無人上班時便比較有用。刀具快速反向運動會導致機床振動，使刀具與工件間的路徑偏差加大，iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的運動控制功能可有效避免這種偏差，確保其不超過所設置的輪廓公差（包括運動路徑突然變化時），圖5所示為典型的模具類短直線段插補程序。

圖5 典型的模具類短直線段插補程序

　　2.5 動態(tài)碰撞監(jiān)控

　　多軸機床的復雜運動、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。動態(tài)碰撞監(jiān)控（DCM）能將機床運動部件的幾何尺寸和運動關系集成入iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測機床測量反饋原件的位置，具有避免刀具與機床運動部件間或刀具與夾具碰撞的功能。iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)檢測到刀具可能發(fā)生碰撞危險時，將停止軸運動并顯示報警信息，如圖6所示，有利于避免機床損壞及浪費停機等待時間，使無人值守換班生產(chǎn)更安全、更可靠。

圖6 機床動態(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(jù)ISO230-1標準，直線軸有6類誤差，回轉(zhuǎn)軸的誤差種類更多，而且機床軸越多，誤差源就越多。解決這些問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。機床制造商通過運動特性模型描述的機床自由度和回轉(zhuǎn)軸位置，過去只能用機床幾何名義尺寸確定，現(xiàn)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模型中，甚至可以定義與位置相關的溫度補償。補償這些誤差所需的測量方法已用于機床測量的校準過程中，例如通過機床掃描系統(tǒng)執(zhí)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(zhuǎn)軸定位誤差和空間漂移

　　機床只有準確地控制旋轉(zhuǎn)軸運動導致的坐標變化，才能保證加工工件的高精度。用四軸或四軸以上機床進行編程時，傾斜面加工是編程人員的重點。iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)的PLANE功能可滿足這種需求。編程人員難以預測機床各軸的實際運動，而數(shù)控系統(tǒng)能計算工件坐標系的相應變換，并要求軸進行相應運動。圖7所示為系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)中心與實際旋轉(zhuǎn)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，準確測量多個旋轉(zhuǎn)軸位置處的高精度標準球的球心位置，如圖8 所示。根據(jù)需要，KinematicsOpt能自動優(yōu)化被測軸，自動進行機床參數(shù)的修改。KinematicsOpt測量時間需要數(shù)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個獨立的加工步驟間自動執(zhí)行這個測量任務，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)中心與實際旋轉(zhuǎn)中心的偏差導致傾斜位置誤差

a.數(shù)控系統(tǒng)的控制中心b.旋轉(zhuǎn)軸的實際回轉(zhuǎn)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(jù)不同的加工任務，需要經(jīng)常更換不同的銑頭，由于每個銑頭的尺寸不同，數(shù)控系統(tǒng)計算時必須考慮機床運動結構鏈的差異及銑頭間的相互位置關系。iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)可以保存多套運動尺寸差異數(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功能校準銑頭。KinematicsOpt還能測量機床部件的漂移，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)控系統(tǒng)中，可簡單地補償漂移，而無需對加工程序做任何改動。[page]

4 、加工過程自適應控制

　　機床用戶為提高機床生產(chǎn)效率，需要更快的進給速率和更大的加速度，這種高速運動使機床結構易于發(fā)生機械振動，所產(chǎn)生的共振效應又通過位置和速度控制單元進入系統(tǒng)，嚴重影響數(shù)控系統(tǒng)正常工作。機床結構的共振特性與許多因素有關，例如機床軸在加工區(qū)域內(nèi)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(zhuǎn)工作臺機床的動態(tài)特性與負載的工件質(zhì)量或慣性矩有關。受力自適應控制（LAC）功能用于使數(shù)控系統(tǒng)自動確定工件的當前質(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)整自適應前饋控制參數(shù)，以適應工件的當前質(zhì)量。

　　4.2 關聯(lián)機床軸的位置誤差補償（CTC）

　　在模具類零件高速加工過程中，短直線段的插補使機床處于頻繁的大加速度加工過程，機床結構因受力加大而產(chǎn)生彈性變形，導致刀具中心點（TCP）偏移。除軸向變形外，機械軸的大加速運動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不在重心線上，在制動和加速期間將造成機床軸傾斜，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成正比。若通過刀具中心點（TCP）測量找到動態(tài)位置誤差與機床軸加速度的函數(shù)關系，CTC伺服控制功能便可補償這個與加速度有關的誤差，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CTC和有CTC的情況下，機床震動對工件表面的影響。

圖9 機床震動對工件表面的影響

　　4.3 位置自適應控制（PAC）

　　機床的動態(tài)性能根據(jù)機床軸在加工區(qū)域中的位置有不同的表現(xiàn)，它可能會影響伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為最大限度地提高機床動態(tài)性能，可通過位置自適應控制(PAC）功能根據(jù)機床所在位置修改機床參數(shù)。此外，通過定義與位置相關的過濾器參數(shù)，可以進一步提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 、結束語

　　海德漢iTNC 530數(shù)控系被廣泛應用于模具制造，特別是大型精密模具制造中。隨著計算機與電子技術的發(fā)展，系統(tǒng)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，還重點在客戶感受、智能精度控制、加工過程自適應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程中更加可靠、準確。