數(shù)控機床應(yīng)用技術(shù)概述(ppt 62頁).ppt

1、數(shù)控機床應(yīng)用技術(shù),匯報人：周寶慶,大連機床集團數(shù)控技術(shù)應(yīng)用試驗研究所,大連機床集團數(shù)控技術(shù)應(yīng)用試驗研究所 周寶慶 2011.08.02,機床制造商對高端數(shù)控系統(tǒng)的需求,1)、硬件的需求 2)、高速切削功能 3)、五軸加工能力 4)、簡易編程（對話式、可視化編程） 5)、誤差補償; 6)、調(diào)試工具 （簡化調(diào)試工作） 7)、過程干預(yù)和監(jiān)控技術(shù); 8)、智能化技術(shù) 9)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),一、機、電、液、機械調(diào)試、NC調(diào)試和加工編程集成技術(shù)是關(guān)鍵,GMX linear 系列車銑中心 主要要特點：Z1軸采用直線電機 正負主軸采用內(nèi)置電機 其它直線軸采用滾珠絲杠,1）、大連機床集團六年前開發(fā)的CHD系列九軸五聯(lián)

2、動車銑復(fù)合中心,CHD 系列車銑中心： 主要要特點：正負主軸采用異步內(nèi)置電機 直線軸全部采用滾珠絲杠,X1軸滑架質(zhì)量輕：位置增益可以設(shè)置高； Z1軸滑架質(zhì)量重：位置增益設(shè)置低。 為了保證機床的同步精度位置增益必須設(shè)置相同值，按最低增益值設(shè)置（按Z1軸位置增益設(shè)置），這就降低了機床精度。 Z軸采用直線電機： 1、減少了屑對屑換刀時間； 2、提高了位置增益、提高了機床精度； 3、加速度提高，提高了切削效率； 4、提高了機床伺服剛度和動態(tài)剛度。,2）、CHD系列車銑復(fù)合中心基礎(chǔ)件,3）、加工工件對數(shù)控系統(tǒng)的要求,產(chǎn)品件加工,五軸產(chǎn)品件加工,五軸產(chǎn)品件加工對系統(tǒng)要求： 1、高性能處理板 2、正付主軸必

3、須是同步內(nèi)置電機 3、Z1軸最好是直線電機,五軸定向產(chǎn)品件加工對系統(tǒng)要求： 1、不需要高性能處理板 2、正付主軸可以使用異步內(nèi)置電機 3、直線軸可以使用滾珠絲杠,我們把數(shù)控系統(tǒng)選型和配置交給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商，影響我國數(shù)控機床的發(fā)展*！,高速、高精度、高表面加工機床 動態(tài)性能好,高效、高精度、高表面質(zhì)量加工機床 剛性好,高性能鋼、鈦合金、高溫合金和硬切削等,4）、高速機床和重型機床都需要高端數(shù)控系統(tǒng),重型機床更需要高端數(shù)控系統(tǒng)支持！,數(shù)控系統(tǒng)框架設(shè)計師和型號設(shè)計師: 一定要對機床設(shè)計技術(shù)、機械調(diào)試技術(shù)、伺服優(yōu)化技術(shù)、加工工藝、NC編程、數(shù)控系統(tǒng)試驗方法和試驗策略進行深入集成研究。才能開發(fā)出市場需求

4、的數(shù)控系統(tǒng),不然數(shù)控系統(tǒng)成長太慢，最終將被市場拋棄。,二、數(shù)控系統(tǒng)硬件是根本,機床制造商關(guān)心的系統(tǒng)硬件主要技術(shù)指標： 1、電流環(huán)控制周期 2、系統(tǒng)控制周期 3、插補周期 4、程序段預(yù)讀能力 5、內(nèi)存和外存容量 6、程序傳送速度,系統(tǒng)系能對機床精度的影響： 1、伺服剛度 2、動態(tài)剛度* 3、反向躍沖精度（象限誤差、摩擦誤差）* 4、周期誤差* 5、動態(tài)響應(yīng)誤差*,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- 111.298

5、 N0008 X-111.469. N0009 X- 111.564 N0010 X- 111.614 . . . N7497 X-111.6 N7497 X- 111.559,程序段處理能力：CNC每分鐘能夠計算的程序段數(shù),1）、程序段處理能對切削速度影響 程序段處理能力試驗,NC程序步長越小，程序段量越大，因此對數(shù)控系統(tǒng)字節(jié)的處理能力要求越高。,*1步長越小，例如0.07mm時，使用AI APC功能時，機床進給率只能達到F500，如果希望達到F2000，需要使用AI nano CC功能。,1）、程序段處理能對切削速度影響 步長、字節(jié)處理能力和切削速度之間關(guān)系,步長集中在1mm以上,0.1

6、0.3 0.5 0.7 0.9 1,建議使用AI APC（F3500）,1）、程序段處理能對切削速度影響 試驗1,0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1,建議使用 AInano HPCC（F3500）,1）、程序段處理能對切削速度影響 試驗2,步長集中在0.1mm,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 - FANUC指令倍乘比(CMR)優(yōu)化,指令倍乘比（CMR）最小移動單位檢測單位 FANUC系統(tǒng)指令倍率比（CMR），出廠默認值是2倍，國內(nèi)都是使用默認值，但國外進口機床指令倍比都設(shè)置10倍以上，最多達到40倍。,提高指令倍率： 提高了系統(tǒng)計算精度(指令脈沖精度），計算精度的提高影響加工效果*，試

7、驗證明：提高了小線段處理的效果，加工速度變快，光潔度，亮度高，刀紋的細膩程度比之前有提高。,1、動態(tài)響應(yīng)試驗 測試條件：測試結(jié)果對動態(tài)響應(yīng)曲線影響不大 動態(tài)頻率響應(yīng)曲線 CMR=2 CMR=20,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,測試條件：FANUC0IMD，空載。在提高CMR前后，使用一樣的環(huán)路增益，加減速時 間常數(shù)。,2、圓弧插補試驗 周期誤差*變小，刀路細膩 CMR=2時，XY圓弧插補 CMR=20時， XY 圓弧插 補,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,3、方形帶四分之一圓弧試驗： 動態(tài)剛度*提高，周期誤差*變小，刀路細膩 CMR

8、=2時，XY方帶四分之一圓弧 CMR=20時，XY方帶四分之一圓弧,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,POSC,CMR=20，1802#7=1,POSF,4、反饋試驗： FANUC0i-C反饋更加的均勻，平滑,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,CMR=20,POSF,5、反饋試驗：FANUC31i納米級插補反饋更加的均勻，平滑,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端數(shù)控系統(tǒng)都采用納米級插補； SIEMENS828D計算精度是80位； FANUC0iMD系統(tǒng)使用了

9、納米級插補，試驗證明FANUC0iMate D模具加工能力與FANUC0iMC相同，臺灣和國內(nèi)一些機床廠為了降低成本，使用FANUC0iMate D取代FANUC0iMD。,2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響 納米級插補,三、驅(qū)動軟件算法是靈魂,高速加工指令 HEIDENHAIN：CYCLE32 SIEMEN：高速加工循環(huán)：CYCLE832 FANUC: AI輪廓控制G05.1,三種系統(tǒng)加工效果比較： FANUC系統(tǒng)加工曲面表面質(zhì)量好； SIEMEN系統(tǒng)加工曲面加工精度高 HEIDENHAIN系統(tǒng)加工曲面加工精度高、曲面表面質(zhì)量好*,曲面加工質(zhì)量四個主要指標： 1、加工精度 2、表面粗糙度； 3、

10、相鄰路徑的一致度（或正反向加工的重復(fù)性）-俗稱光亮度 4、加工速度,1、影響曲面加工質(zhì)量因素,相鄰路徑的一致性度在國內(nèi)沒用引起重視！,2、相鄰路徑的一致性-虛擬仿真-1,沒有相鄰路 徑控制功能,有相鄰路 徑控制功能,3、相鄰路徑的一致性-虛擬仿真-2,相鄰路徑的一致度好,相鄰路徑的一致度差,4、相鄰路徑的一致性 切削試驗,沒有相鄰軌跡控制功能，表面質(zhì)量差,有相鄰軌跡控制功能，表面質(zhì)量好,5、路徑預(yù)讀功能,解決相鄰路徑的一致性的策略： 1、增加路徑預(yù)讀能力，縮短段處理時間； 2、使用3D光順算法控制路徑公差和相鄰路徑公差 *； 3、路徑速度平滑,iTNC530： 程序段預(yù)讀：1024段，程序段處

11、理時間：0.5ms FANUC31i： 采用高速處理器： 程序段預(yù)讀：1000段（600），程序段處理時間：0.4ms 西門子840D： 程序段預(yù)讀：默認設(shè)置38段 插補周期=MD10050秒 * MD10070 * 1.11,小線段處理技術(shù)發(fā)展方向：數(shù)控系統(tǒng)處理 原因： 1、速度平滑 2、能夠根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)特性平滑處理； 3、數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω鶕?jù)軌跡、軌跡間、動態(tài)特性軌跡公差實時控制； 4、能夠使用速度濾波技術(shù)； 5、根據(jù)加工情況更改公差(使用方便）； 6、CAM后置處理簡單* 。,使用數(shù)控系統(tǒng)處理小線段，盡管有占用大量系統(tǒng)資源，計算時間長等缺點。,6、軌跡特性控制 程序段過渡處控制,動態(tài)剛度

12、差:動態(tài)剛度誤差大*,FANUC：減速處理 SIEMEN：加減速或插入圖素（G642、G643、 G644指令,G 645) HEIDENHAIN：濾波技術(shù),程序段過渡處理技術(shù) 影響加工效率、加工質(zhì)量。,7、軌跡特性控制 海德漢拐角濾技術(shù),圓角、拐角-軌跡誤差計算,圓角誤差計算,拐角誤差計算,指數(shù)型：=.1 直線型：=.1 鐘形：=1,圓角誤差R,拐角誤差E,指數(shù)型:,直線型:,鐘 形:,圓弧切削時的路徑誤差:,r,R :圓弧半徑（mm） ：30mm T1:加減速時間常數(shù)（s) :0.1s T2:伺服時間常數(shù)（s） :0.033s =1/Kp Kp:伺服環(huán)增益 ：30s-1,選擇合理的切削參數(shù)

13、非常重要，從表中可以看出，速度相差5倍，精度相差25倍（平方關(guān)系）,圓弧-軌跡誤差計算,紅色：全閉環(huán) 藍色：半閉環(huán) 進給速度：1000mm/min,圓角、拐角誤差實測,臥式加工中心：電主軸、絲杠中空冷卻、主軸有熱補償功能 數(shù)控系統(tǒng)：FANUC18iM，沒有采用納米高性能板,7、加速度控制-動態(tài)剛度,FANUC：精細加減速 SIEMEN：動態(tài)剛度控制,激勵能夠通過高動態(tài)設(shè)置的速度控制器引起控制系統(tǒng)采樣時間和驅(qū)動產(chǎn)生不同的結(jié)果，引起控制系統(tǒng)采樣時間變化幾ms，引起驅(qū)動系統(tǒng)變化多達幾百個s，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化優(yōu)化情況，這些激勵會導(dǎo)致機械振動。,8、前饋,實驗條件： X軸移動速度：1000mm/Min 增

14、益：1,無前饋,有前饋,高自然頻率和良好的阻尼參數(shù)的高動態(tài)性能機床，在高速情況下能顯著地降低跟蹤誤差,大型機床的軸的固有頻率很低，阻尼也較差，因此各軸所能達到的Kv因子值也很低（0.1.2）。在這種情況下，使用前饋控制能使機床達到一個合適的輪廓精度。,前饋控制方式： 速度前饋：工作臺移動機床 電流/扭矩前饋：工作臺不動機床,跟隨誤差=設(shè)定速度/伺服增益,9、加加速（Jeck）限制,激活前饋功能后，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，必須使用加加速限制,通過加加速限制，光順加速度的變化率以優(yōu)化輪廓軌跡: 減少輪廓偏差 在保證表面質(zhì)量情況下以最大進給率加工,無加加速控制, 振動造成表面凹坑,加加速控制,避免由于振動造

15、成的表面質(zhì)量問題,10、五軸加工刀具方向平滑-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 N170 X

16、25 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 X

17、75 A3=0 B3=0.62 C3=0.77 N280 X80 A3=0 B3=0.62 C3=0.77 ,采用平滑技術(shù),沒采用平滑技術(shù),10、五軸加工刀具方向平滑-棱角平滑,采用棱角平滑技術(shù),OST $SC_ORI_SMOOTH_TOL=20 N90 X10 A3=0 B3=0 C3=1 N100 X15 A3=0 B3=1 C3=1 N110 X20 A3=0 B3=0 C3=1 N120 X25 A3=0 B3=1 C3=1 N130 X30 A3=0 B3=0 C3=1 N140 X35 A3=0 B3=1 C3=1 N150 X40 A3=0 B3=0 C3=1,沒采用棱角平滑技術(shù)

18、,三、誤差補償, 西門子和FANUC提供了以下誤差補償功能 直線度補償- 大型機床; 重力補償（撓度補償）- 滑枕; 摩擦力補償 沒臺機床都需要補償; 三維誤差補償 - 高精度機床; 體積誤差補償（機床21項精度補償）- 西門子VCS ，五軸機床誤差補償; 熱補償。,Volumetric Error Compensation,1、一個典型的5軸加工中心誤差梯度,在機床運動空間采用誤差梯度補償,Volumetric Error Compensation,2、VCS 基本原理,Measurements,Kinematical machine model,3、VCS使用例子-Zimmermann （

19、大連機床控股公司）FZ 37,4、關(guān)于螺距誤差補償,我國機床生產(chǎn)廠，都按國標進行螺距補償，技術(shù)發(fā)展到今天滾珠絲杠的精度很高，如果有螺距誤差，都是機床裝配有問題。 激光干涉儀對溫度很敏感，不同溫度測量結(jié)果是不一樣。 我廠售后維修人員經(jīng)常問我，為什么有螺距補償，加工的工件就不合格，螺距補償取消就合格。 國外的一些廠家使用激光干涉儀對機床抽檢。國外的一些機床根本沒有螺距補償。國內(nèi)也有外資機床采用抽檢方式。,現(xiàn)階段對機床進行螺距是在破壞機床精度，越補精度越差！ 1、 絲杠精度已高于機床精度，已不需要補償，如果螺距誤差是機床裝配質(zhì)量有問題，特別是運動總成裝配有問題，激光干涉儀是裝配質(zhì)量的診斷工具*。 2

20、、激光干涉儀檢查出的反向間隙誤差根本不準* ； 3、光柵尺安裝不合格，產(chǎn)生阿貝誤差。,4、五軸機床標定,五軸機床標定*,根據(jù)運動模型，確定哪些誤差可以補償，數(shù)控系統(tǒng)要有這些誤差補償功能,5、五軸機床標定檢查循環(huán),西門子、海德漢都提供五軸機床定標檢查循環(huán),6、雙驅(qū)動機床零點的標定,雙驅(qū)動零點標定 西門子：跟隨功能 FANUC：串聯(lián)控制,四、伺服優(yōu)化,1、頻率響應(yīng),使用電流環(huán)濾波技術(shù)抑制振動； 通過頻率響應(yīng)曲線和其它儀器可以建立一個車間級裝配精度診斷系統(tǒng)； 在機床和數(shù)控系統(tǒng)一定的情況下， 伺服優(yōu)化只能做到錦上添花，不能做到雪中送炭，但通過伺服優(yōu)化可以對機械設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)選型和配置提出改進方案。,2

21、、伺服響應(yīng)誤差-伺服響應(yīng)不足,摘自MAKINO資料,電流環(huán)濾波 參考模型 速度濾波,伺服響應(yīng)誤差*,合格品,3、伺服響應(yīng)誤差-頻寬響應(yīng)不足,4、反向躍沖誤差（摩擦誤差、象限誤差）補償,工件質(zhì)量、速度、加速度、潤滑狀況等影響摩擦力，特別是防護罩質(zhì)量部好，摩擦誤差不穩(wěn)定，每次檢查結(jié)果不一樣，建議摩擦誤差補償使用人工智能算法。,5、進給速度對反向躍沖（摩擦誤差、象限誤差）的影響,加速度=,一般以用戶使用程序進給量及半徑來調(diào)試，此例子加速度相差“36”倍,6、非常重要的OEM循環(huán)（工件重量、加工條件、精度要求）,基本原理： 根據(jù)所加工工件重量、加工條件、精度要求加工，自動設(shè)定驅(qū)動和NC參數(shù)，以保證機床

22、良好的動態(tài)性能和精度. 機床經(jīng)過三個月運行后，機床磨合基本穩(wěn)定，這是出廠優(yōu)化的參數(shù)已不適應(yīng)，需要重新調(diào)整，機床才能達到最優(yōu)狀態(tài)。,7、APC 高級位置控制（西門子）,APC requires 611D Performance 2 control boards. Due to APC control characteristic amplitude of certain resonant frequencies can be damped down actively hence a higher servo gain factor is adjustable,機床加速時，根據(jù)牛頓第二定律F=m*a2，這時產(chǎn)生很大的力，床身微動、軸承座變形、絲杠扭曲，結(jié)果是光柵尺反饋回的信號噪聲很大、,西門子：高級位置控制 FANUC：減振控制功能、雙重位置反饋 功 能、機床速度反饋功能,速度環(huán)優(yōu)化： 可以實現(xiàn)自動優(yōu)化，F(xiàn)ANUC、西門子都有速度環(huán)自動優(yōu)化功能， 我研究所對西