1、數控機床應用技術,匯報人：周寶慶,大連機床集團數控技術應用試驗研究所,大連機床集團數控技術應用試驗研究所 周寶慶 2011.08.02,機床制造商對高端數控系統的需求,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)、調試工具 （簡化調試工作） 7)、過程干預和監控技術; 8)、智能化技術 9)、網絡技術,一、機、電、液、機械調試、NC調試和加工編程集成技術是關鍵,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的CHD系列九軸五聯

2、動車銑復合中心,CHD 系列車銑中心： 主要要特點：正負主軸采用異步內置電機 直線軸全部采用滾珠絲杠,X1軸滑架質量輕：位置增益可以設置高； Z1軸滑架質量重：位置增益設置低。 為了保證機床的同步精度位置增益必須設置相同值，按最低增益值設置（按Z1軸位置增益設置），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剛度。,2）、CHD系列車銑復合中心基礎件,3）、加工工件對數控系統的要求,產品件加工,五軸產品件加工,五軸產品件加工對系統要求： 1、高性能處理板 2、正付主軸必

3、須是同步內置電機 3、Z1軸最好是直線電機,五軸定向產品件加工對系統要求： 1、不需要高性能處理板 2、正付主軸可以使用異步內置電機 3、直線軸可以使用滾珠絲杠,我們把數控系統選型和配置交給數控系統生產商，影響我國數控機床的發展*！,高速、高精度、高表面加工機床 動態性能好,高效、高精度、高表面質量加工機床 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控系統,重型機床更需要高端數控系統支持！,數控系統框架設計師和型號設計師: 一定要對機床設計技術、機械調試技術、伺服優化技術、加工工藝、NC編程、數控系統試驗方法和試驗策略進行深入集成研究。才能開發出市場需求

4、的數控系統,不然數控系統成長太慢，最終將被市場拋棄。,二、數控系統硬件是根本,機床制造商關心的系統硬件主要技術指標： 1、電流環控制周期 2、系統控制周期 3、插補周期 4、程序段預讀能力 5、內存和外存容量 6、程序傳送速度,系統系能對機床精度的影響： 1、伺服剛度 2、動態剛度* 3、反向躍沖精度（象限誤差、摩擦誤差）* 4、周期誤差* 5、動態響應誤差*,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,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，因此對數控系統字節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、字節處理能力和切削速度之間關系,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）、計算精度對加工質量的影響 - FANUC指令倍乘比(CMR)優化,指令倍乘比（CMR）最小移動單位檢測單位 FANUC系統指令倍率比（CMR），出廠默認值是2倍，國內都是使用默認值，但國外進口機床指令倍比都設置10倍以上，最多達到40倍。,提高指令倍率： 提高了系統計算精度(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、動態響應試驗 測試條件：測試結果對動態響應曲線影響不大 動態頻率響應曲線 CMR=2 CMR=20,2）、計算精度對加工質量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,測試條件：FANUC0IMD，空載。在提高CMR前后，使用一樣的環路增益，加減速時 間常數。,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）、計算精度對加工質量的影響 改變指令倍乘比(CMR)試驗,HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端數控系統都采用納米級插補； SIEMENS828D計算精度是80位； FANUC0iMD系統使用了

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）、計算精度對加工質量的影響 納米級插補,三、驅動軟件算法是靈魂,高速加工指令 HEIDENHAIN：CYCLE32 SIEMEN：高速加工循環：CYCLE832 FANUC: AI輪廓控制G05.1,三種系統加工效果比較： FANUC系統加工曲面表面質量好； SIEMEN系統加工曲面加工精度高 HEIDENHAIN系統加工曲面加工精度高、曲面表面質量好*,曲面加工質量四個主要指標： 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性）-俗稱光亮度 4、加工速度,1、影響曲面加工質量因素,相鄰路徑的一致性度在國內沒用引起重視！,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，表面質量差,有相鄰軌跡控制功能，表面質量好,5、路徑預讀功能,解決相鄰路徑的一致性的策略： 1、增加路徑預讀能力，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： 程序段預讀：1000段（600），程序段處理時間：0.4ms 西門子840D： 程序段預讀：默認設置38段 插補周期=MD10050秒 * MD10070 * 1.11,小線段處理技術發展方向：數控系統處理 原因： 1、速度平滑 2、能夠根據系統的動態特性平滑處理； 3、數控系統能夠對根據軌跡、軌跡間、動態特性軌跡公差實時控制； 4、能夠使用速度濾波技術； 5、根據加工情況更改公差(使用方便）； 6、CAM后置處理簡單* 。,使用數控系統處理小線段，盡管有占用大量系統資源，計算時間長等缺點。,6、軌跡特性控制 程序段過渡處控制,動態剛度

12、差:動態剛度誤差大*,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,程序段過渡處理技術 影響加工效率、加工質量。,7、軌跡特性控制 海德漢拐角濾技術,圓角、拐角-軌跡誤差計算,圓角誤差計算,拐角誤差計算,指數型：=.1 直線型：=.1 鐘形：=1,圓角誤差R,拐角誤差E,指數型:,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（s) :0.1s T2:伺服時間常數（s） :0.033s =1/Kp Kp:伺服環增益 ：30s-1,選擇合理的切削參數

13、非常重要，從表中可以看出，速度相差5倍，精度相差25倍（平方關系）,圓弧-軌跡誤差計算,紅色：全閉環 藍色：半閉環 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 數控系統：FANUC18iM，沒有采用納米高性能板,7、加速度控制-動態剛度,FANUC：精細加減速 SIEMEN：動態剛度控制,激勵能夠通過高動態設置的速度控制器引起控制系統采樣時間和驅動產生不同的結果，引起控制系統采樣時間變化幾ms，引起驅動系統變化多達幾百個s，根據系統的優化優化情況，這些激勵會導致機械振動。,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的高動態性能機床，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=設定速度/伺服增益,9、加加速（Jeck）限制,激活前饋功能后，系統變得不穩定，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化輪廓軌跡: 減少輪廓偏差 在保證表面質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,沒采用平滑技術,10、五軸加工刀具方向平滑-棱角平滑,采用棱角平滑技術,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

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、關于螺距誤差補償,我國機床生產廠，都按國標進行螺距補償，技術發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，不同溫度測量結果是不一樣。 我廠售后維修人員經常問我，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。國內也有外資機床采用抽檢方式。,現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，產生阿貝誤差。,4、五軸機床標定,五軸機床標定*,根據運動模型，確定哪些誤差可以補償，數控系統要有這些誤差補償功能,5、五軸機床標定檢查循環,西門子、海德漢都提供五軸機床定標檢查循環,6、雙驅動機床零點的標定,雙驅動零點標定 西門子：跟隨功能 FANUC：串聯控制,四、伺服優化,1、頻率響應,使用電流環濾波技術抑制振動； 通過頻率響應曲線和其它儀器可以建立一個車間級裝配精度診斷系統； 在機床和數控系統一定的情況下， 伺服優化只能做到錦上添花，不能做到雪中送炭，但通過伺服優化可以對機械設計、數控系統選型和配置提出改進方案。,2

21、、伺服響應誤差-伺服響應不足,摘自MAKINO資料,電流環濾波 參考模型 速度濾波,伺服響應誤差*,合格品,3、伺服響應誤差-頻寬響應不足,4、反向躍沖誤差（摩擦誤差、象限誤差）補償,工件質量、速度、加速度、潤滑狀況等影響摩擦力，特別是防護罩質量部好，摩擦誤差不穩定，每次檢查結果不一樣，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試，此例子加速度相差“36”倍,6、非常重要的OEM循環（工件重量、加工條件、精度要求）,基本原理： 根據所加工工件重量、加工條件、精度要求加工，自動設定驅動和NC參數，以保證機床

22、良好的動態性能和精度. 機床經過三個月運行后，機床磨合基本穩定，這是出廠優化的參數已不適應，需要重新調整，機床才能達到最優狀態。,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，根據牛頓第二定律F=m*a2，這時產生很大的力，床身微動、軸承座變形、絲杠扭曲，結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,速度環優化： 可以實現自動優化，FANUC、西門子都有速度環自動優化功能， 我研究所對西