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高精、高速加工技术的应用

    高速加工需要高速的主轴单元和高速的机床进给驱动单元。高的进给速度也要求高的加速度。比如,高速机床的行程通常为500~1 000mm之间,在如此短的距离内使机床进给速度从零增大到40m/min,则机床的进给加速度值应超过1g(9.8m/s2)。在进行曲面加工时,进给加速度更为重要。它的加速度与进给速度的平方成比例。如果一台伺服电机不能产生足够高的加速度,它就无法进行高速、高精度的加工。目前,主轴单元主要采用矢量控制的交流异步电机,由于异步电机转子的发热,现在也采用内冷的高速主轴电机;另外也研究同步电机的结构。为了实现大的进给加(减)速度,目前直线电机已越来越多地被采用。高速加工时,安全问题十分重要。因为高速加工中的切屑就像子弹一样射出,所以对系统的安全要求非常高。

    CNC系统把输入的零件程序转换成要加工的形状轨迹,进给率和其他的指令信息,连续地把位置指令送给每个伺服轴。为了得到高速和高精,CNC必须根据零件加工的形状轨迹选择最佳的进给率,在允许的精度内以尽量高的进给率产生位置指令。特别在拐角处和小半径处,CNC应能判别在多大的加工速度变化时会影响精度,而在刀具到达这样的点前使刀具的切线速度自动减速。对于模具加工,一般程序段很小,但是程序很长,因此还必须利用特殊的控制方法实现高精和高速的加工。伺服系统要求准确而快速的驱动,才能高速加工出高精度的机械零件。为此,伺服系统必须具有快速响应的能力、抑制扰动的能力,同时要求伺服系统不产生振动,消除与机床产生的共振。

高精、高速加工对CNC的要求可以归结为:

(1) 能够高速度处理程序段。
(2) 能够迅速、准确地处理和控制信息流,使其加工误差控制为最小。
(3) 能够尽量减少机械的冲击,使机床平滑移动。
(4) 要有足够容量,可以让大容量加工程序高速运转;或者具有通过网络传递大量数据的能力。
(5) 具有高分辨率、高速度工作的伺服电机、主轴电机、传感器。
(6) 由于在高速情况下加工,因此可靠性和安全性十分重要。

高速、高精的功能主要有以下方面:

1、进给率控制和加(减)速度处理功能(包括拐角减速处理) :在高速加工时误差主要是由于控制系统加(减)速的滞后和伺服系统的滞后引起的。因此,控制系统要设法减少这两方面的误差。比如采用前馈控制减少伺服滞后产生的误差。采用数字伺服技术,改进伺服控制。由于采用了数字伺服技术,伺服系统的速度增益和位置增益都可以提高,因而也减少了伺服滞后产生的误差。减少加(减)速滞后产生的误差。在高速加工中,加(减)速和进给率是最重要的参数,只有在不同的加工形状时严格控制加(减)速和进给率才能实现高速加工工艺。大的进给率在系统过渡过程中会产生较大的误差,如拐角等。为了实现高速加工,必须对进给率进行控制。另外,采用插补前的加(减)速也能减少加(减)速滞后产生的误差。

2、前瞻控制(Look-ahead control),如果在不同的加工形状时对进给率和加减速进行预计算,使得数控系统在程序编制以后、执行以前,预先计算出各程序段的运动轨迹和运动速度;即对将要运行的程序进行预先处理,根据上面提到的控制进给率和加、减速度方法,预先计算出一些程序段的进给率和加、减速度,进而计算出运动的几何轨迹,然后送到多段缓冲器,当运行时刀具按一定的速度高速运动,而加工形状的误差却仍然小。这就是“前瞻控制”,有时也称为“先行控制”、“向前看控制”的原理。

3、利用远程缓冲器、DNC运行的高速分配,对于加工大量程序组成的零件,必须快速从输入端向CNC系统传递程序。CNC读一段程序后,计算出该程序的数据,对每轴产生分配脉冲,并把它传送给伺服系统使伺服电机运转。产生分配脉冲的时间(程序段处理的时间) 是表示CNC性能一个重要的因素。对于一程序段,高速DNC的运行允许(利用远程缓冲器)产生分配脉冲所需要的时间大大减少。这个功能使产生一程序段的分配脉冲变短,于是,保证了一串小程序段组成的程序在程序段之间不停顿。例如,当执行DNC操作时,由一系列1mm程序段组成的程序(3轴连动直线插补)可以在 60m/min的速度下工作,而分配的执行不中断。由于采用了远程缓冲器的功能,实现了数据的高速输入,从而也保证了高速加工的进行。

4、提高系统分辨率,比如,纳米插补功能,它采用带高速RISC的处理器,机械加工以纳米为单位进行插补可以使机械以最佳的进给率与加工性能相匹配。

5、加加速度的控制,在曲线形状运动时,加速度的变化可能引起机械的振动,加加速度的控制就是自动测出这样的运动达到降低速度,减少机械冲击以降低加工表面粗糙度值。

6、NURBS插补:当采用CAD设计模具时,NURBS被广泛地应用于表示自由曲线,与一般的CNC相比较, NURBS具有较高的传输速率和较短的程序。同时加工出的机械零件更接近于CAD设计的几何形状。

    对于高速、高精加工的功能,在选择时,也要看以加工速度为主还是以加工精度为主而选择功能。为了保证高速系统的加工误差较小,系统需有误差补偿装置。这些补偿包括:全行程直线补偿和非线性弯曲补偿、螺距补偿、间隙补偿、过象限补偿、刀具偏置和热膨胀、静摩擦、动摩擦补偿等。利用丰富的网络功能和软件包,可以构建适合机床的最佳系统。(1)集中管理,可以采用一台电脑控制多台机床,便于进行监控、运转加工作业和进行NC程序的传送和管理。(2)远程支持和服务。未来数控处于高速状态,因此对可靠性的要求非常高。双检功能就是保证数控系统安全工作的重要措施。

    高精、高速加工技术是传统数控加工技术的发展,它与传统数控加工没有本质的区别。对于高精、高速数控加工,数控机床的目标是要求高速度地加工出高精度的零件。为了在达到精度的基础上进行高速加工,有三个重要的因素:机械系统、CNC数控装置和驱动装置。高速高精加工要求机床具有高刚度和较轻的移动部件,特别是进给和主轴部分。其次是CNC数控系统,它是发出速度和位置指令的单元。首先,要求指令能够准确而快速地传递,经过处理后对每个坐标轴发出位置指令,伺服系统必须按照该指令驱动刀具准确运动。

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