數(shù)控機(jī)床應(yīng)用技術(shù)課件

1、數(shù)控機(jī)床應(yīng)用技術(shù)匯報(bào)人：周寶慶大連機(jī)床集團(tuán)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究所 大連機(jī)床集團(tuán)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)研究所周寶慶2011.08.02機(jī)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(bǔ)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(jī)、電、液、機(jī)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(diǎn)：Z1軸采用直線電機(jī) 正負(fù)主軸采用內(nèi)置電機(jī) 其它直線軸采用滾珠絲杠1）、大連機(jī)床集團(tuán)六年前開發(fā)的CHD系列九軸五聯(lián)動車銑復(fù)合中心CHD 系列車銑中心：

2、主要要特點(diǎn)：正負(fù)主軸采用異步內(nèi)置電機(jī) 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(jī)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(jī)床精度。Z軸采用直線電機(jī)：1、減少了屑對屑換刀時間；2、提高了位置增益、提高了機(jī)床精度；3、加速度提高，提高了切削效率；4、提高了機(jī)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)件高速、高精度、高表面加工機(jī)床動態(tài)性能好高效、高精度、高表面質(zhì)量加工機(jī)床剛性好高性能鋼、鈦合金、高溫合金和硬切削等4）、高速機(jī)床和重型機(jī)床都需要高端數(shù)控系統(tǒng)重型機(jī)床更需要高端數(shù)控系統(tǒng)

3、支持！數(shù)控系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)師和型號設(shè)計(jì)師: 一定要對機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)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(yàn)方法和試驗(yàn)策略進(jìn)行深入集成研究。才能開發(fā)出市場需求的數(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。N0001 X- 110.343N0002 X- 110.551N0003 X- 110.705N0004 X- 110.911N0005 X- 111.059N0006 X- 111.162N0007 X- 111.298N0008 X-111.469.N0009 X- 111.564N0010 X- 111.614. . . N7497 X-111.6 N7497 X-

4、 111.559程序段處理能力：CNC每分鐘能夠計(jì)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(yàn) 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(jī)床進(jìn)給率只能達(dá)到F500，如果希望達(dá)到F2000，需要使用AI nano CC功能。給量mm/min理論上可以處理的步距*1AI APCAICCAI nano CCAI nano HPCC5000.070.030.02010000.130.070.030.0120000.270.130.070.0130000.400.200.200.0250000.

5、670.330.170.03100001.330.670.330.071）、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 0.3 0.5 0.7 0.9 1 建議使用AI APC（F3500） 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1步長集中在0.4mm 建議使用AICC 或AInano CC（F3500）1）、程序段處理能對切削速度影響 試驗(yàn)1 2）、計(jì)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(rèn)值是2倍，國內(nèi)都是使用默認(rèn)值，但國外進(jìn)口

6、機(jī)床指令倍比都設(shè)置10倍以上，最多達(dá)到40倍。 提高指令倍率： 提高了系統(tǒng)計(jì)算精度(指令脈沖精度），計(jì)算精度的提高影響加工效果*，試驗(yàn)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(xì)膩程度比之前有提高。 1、動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn) 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=202）、計(jì)算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗(yàn) 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)。 3、方形帶四分之一圓弧試驗(yàn)： 動態(tài)剛度*提高，周期誤差*變小，刀路細(xì)膩 CMR=2時，XY方帶四分之一圓弧 CMR=2

7、0時，XY方帶四分之一圓弧 2）、計(jì)算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗(yàn)POSCPOSFCMR=20，1802#7=1POSF4、反饋試驗(yàn)： FANUC0i-C反饋更加的均勻，平滑2）、計(jì)算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗(yàn)POSCPOSF CMR=20POSF5、反饋試驗(yàn)：FANUC31i納米級插補(bǔ)反饋更加的均勻，平滑2）、計(jì)算精度對加工質(zhì)量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗(yàn) HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端數(shù)控系統(tǒng)都采用納米級插補(bǔ)； SIEMENS828D計(jì)算精度是80位； FANUC0iMD系統(tǒng)使用了納米級插補(bǔ)，試驗(yàn)證明FANUC0

8、iMate D模具加工能力與FANUC0iMC相同，臺灣和國內(nèi)一些機(jī)床廠為了降低成本，使用FANUC0iMate D取代FANUC0iMD。2）、計(jì)算精度對加工質(zhì)量的影響 納米級插補(bǔ)三、驅(qū)動軟件算法是靈魂高速加工指令HEIDENHAIN：CYCLE32SIEMEN：高速加工循環(huán)：CYCLE832FANUC: 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(biāo)：1、加工精度2、表面粗糙度；3、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

9、速度1、影響曲面加工質(zhì)量因素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(yàn)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(shí)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(jì)算時間長等缺點(diǎn)。6、軌跡特性控制 程序段過渡處控制 動態(tài)剛度差:動態(tài)剛度誤差大*FANUC：減速處理SI

10、EMEN：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(jì)算 圓角誤差計(jì)算 拐角誤差計(jì)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:rR :圓弧半徑（mm） ：30mmT1:加減速時間常數(shù)（s) :0.1sT2:伺服時間常數(shù)（s） :0.033s =1/KpKp:伺服環(huán)增益 ：30s-1F(m/min)r(mm)5000.012810000.051450001.28 選擇合理的切削參數(shù)

11、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(jì)算紅色：全閉環(huán)藍(lán)色：半閉環(huán)進(jìn)給速度：1000mm/min 圓角、拐角誤差實(shí)測臥式加工中心：電主軸、絲杠中空冷卻、主軸有熱補(bǔ)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(xì)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(dá)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(jī)械振動。8、前饋實(shí)驗(yàn)條件：X軸移動速度：1000mm/Min增益：1無前饋有前饋 高自

12、然頻率和良好的阻尼參數(shù)的高動態(tài)性能機(jī)床，在高速情況下能顯著地降低跟蹤誤差 大型機(jī)床的軸的固有頻率很低，阻尼也較差，因此各軸所能達(dá)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(jī)床達(dá)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(jī)床電流/扭矩前饋：工作臺不動機(jī)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(jìn)給率加工 無加加速控制, 振動造成表面凹坑加加速控制,避免由于振動造成的表面質(zhì)量問題10、五軸加工刀具方向平滑-

13、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=20N97 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 X25 A3=0 B3=0.28 C3=0.95 N18

14、0 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 X75 A3=0 B3=0.62 C3=0.77 N28

15、0 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=20N90 X10 A3=0 B3=0 C3=1N100 X15 A3=0 B3=1 C3=1N110 X20 A3=0 B3=0 C3=1N120 X25 A3=0 B3=1 C3=1N130 X30 A3=0 B3=0 C3=1N140 X35 A3=0 B3=1 C3=1N150 X40 A3=0 B3=0 C3=1沒采用棱角平滑技術(shù)三、誤差補(bǔ)償 西門子和FANUC提供了以下誤差補(bǔ)償功能 直線度補(bǔ)償- 大型機(jī)床;

16、重力補(bǔ)償（撓度補(bǔ)償）- 滑枕; 摩擦力補(bǔ)償 沒臺機(jī)床都需要補(bǔ)償; 三維誤差補(bǔ)償 - 高精度機(jī)床; 體積誤差補(bǔ)償（機(jī)床21項(xiàng)精度補(bǔ)償）- 西門子VCS ，五軸機(jī)床誤差補(bǔ)償; 熱補(bǔ)償。Volumetric Error Compensation1、一個典型的5軸加工中心誤差梯度在機(jī)床運(yùn)動空間采用誤差梯度補(bǔ)償Volumetric Error Compensation2、VCS 基本原理MeasurementsKinematical machine model3、VCS使用例子-Zimmermann （大連機(jī)床控股公司）FZ 374、關(guān)于螺距誤差補(bǔ)償 我國機(jī)床生產(chǎn)廠，都按國標(biāo)進(jìn)行螺距補(bǔ)償，技術(shù)發(fā)展到今天

17、滾珠絲杠的精度很高，如果有螺距誤差，都是機(jī)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(bǔ)償，加工的工件就不合格，螺距補(bǔ)償取消就合格。 國外的一些廠家使用激光干涉儀對機(jī)床抽檢。國外的一些機(jī)床根本沒有螺距補(bǔ)償。國內(nèi)也有外資機(jī)床采用抽檢方式。 現(xiàn)階段對機(jī)床進(jìn)行螺距是在破壞機(jī)床精度，越補(bǔ)精度越差！ 1、 絲杠精度已高于機(jī)床精度，已不需要補(bǔ)償，如果螺距誤差是機(jī)床裝配質(zhì)量有問題，特別是運(yùn)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、激光干涉儀檢查出的反向間隙誤差根本不準(zhǔn)* ； 3、光柵尺安裝不合格，產(chǎn)生阿貝誤差。 4、五軸機(jī)床標(biāo)定五

18、軸機(jī)床標(biāo)定*根據(jù)運(yùn)動模型，確定哪些誤差可以補(bǔ)償，數(shù)控系統(tǒng)要有這些誤差補(bǔ)償功能5、五軸機(jī)床標(biāo)定檢查循環(huán)西門子、海德漢都提供五軸機(jī)床定標(biāo)檢查循環(huán)6、雙驅(qū)動機(jī)床零點(diǎn)的標(biāo)定雙驅(qū)動零點(diǎn)標(biāo)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(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)選型和配置提出改進(jìn)方案。2、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

19、、反向躍沖誤差（摩擦誤差、象限誤差）補(bǔ)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(hù)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(bǔ)償使用人工智能算法。5、進(jìn)給速度對反向躍沖（摩擦誤差、象限誤差）的影響加速度=F3000反向越?jīng)_補(bǔ)償合適 F500 反向越?jīng)_補(bǔ)償大（內(nèi)凹）一般以用戶使用程序進(jìn)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(jī)床良好的動態(tài)性能和精度. 機(jī)床經(jīng)過三個月運(yùn)行后，機(jī)床磨合基本穩(wěn)定，這是出廠優(yōu)化的參數(shù)已不適應(yīng)

20、，需要重新調(diào)整，機(jī)床才能達(dá)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沒有使用APC使用APC 機(jī)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(jī)床速度反饋功能速度環(huán)優(yōu)化：可以實(shí)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， 我研究所對西門子自動優(yōu)化實(shí)驗(yàn)證明，比較準(zhǔn)確。FANUC不推薦自動優(yōu)化。伺服優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)： 位置環(huán)