高速加工性能

要加工出高质量的模具，必须有适于模具加工特性且具有高效率的数控机床。

在iTNC 530系统控制下的轮廓高速加工实例


随着中国模具工业的发展，模具加工所要求的加工精度、表面质量和加工效率也越来越高。要加工出高质量的模具，必须有适于模具加工特性且具有高效率的数控机床。而卓越的高速加工功能、五轴联动加工功能和友好的人机界面是该类机床所追求的目标。

机床要满足高的性能要求，需要从下列各个方面入手：（1）机床机械设计：机械高刚性，运动部件低质量；（2）进给设计：高的加速能力和大的速度控制范围能力；（3）主轴系统设计：高轴速度、低得不均匀性和好的速度稳定性；（4）刀具：适于高速加工要求；（5）数控系统和测量反馈等。

海德汉公司是一家拥有100多年历史的专门生产高精密测量元件和数控系统的跨国集团公司。所生产的高性能数控系统和测量反馈元件在模具加工和高精密加工领域中得到了广泛的应用。图1为海德汉公司提供的在高性能机床上使用的整套数控系统和测量反馈元件。本文对在模具行业得到广泛认同的海德汉的iTNC 530数控系统进行简单介绍。

iTNC 530系统的硬件设计 

硬件设计的好坏决定控制系统能否适合于高速、高精以及高表面质量加工。iTNC 530采用全新的微处理器结构，具有非常强大的计算能力。iTNC 530控制系统具有可控制达12轴，控制器本身包含了主机单元（MC）和控制单元（CC）两个部分。

 图1  海德汉iTNC 530控制系统

主机单元（MC）采用了奔腾III-800芯片、133MHz总线频率，这是进行所有计算、屏幕显示和数据通信的保证。iTNC530所有的实时任务均在自己开发的实时操作系统（HEROS）下完成，而且也可提供带双处理器的主计算机，它既可以保证系统的实时计算和稳定性能，同时又能满足用户对Windows应用程序的需求。同时主机单元中的存储是通过容量达30G的硬盘实现的，这对复杂模具加工提供了充足的存储空间。主机单元带有各类数据通信接口（Ethernet/RS232/RS422/USB等），所配备的快速以太网通信接口能以100Mb/s的速率传输程序数据。

控制单元（CC）最新的设计中集成了控制系统的所有伺服控制回路（位置环/速度环/电流环），所有的伺服计算都在DSP（数字信号处理器）中完成。从而测量元件的反馈均集成在控制单元上，包含位置反馈和速度反馈。其优势在于：保证伺服计算快速和实时要求，减小各伺服回路周期，减少各个回路间的通信延迟，可在位置回路实现高增益，实现高速和高表面质量加工，并可很好地控制直接驱动（直线电机和力矩电机）。

驱动配套：可以根据需要提供全套的iTNC 530数控系统，包括变频器模块、电源模块和伺服电机及主轴电机。同时，数控系统还具有很好的开放性能，能够连接第三方的变频器或电机，组成全套数字系统。由于iTNC 530特殊的控制单元设计，所有的伺服运动控制均在控制单元中实现，其输出为数字PWM信号，因而后续的变频器主要为运算放大功能。
  
好的伺服控制和高速控制能力

针对复杂的曲面，如果要实现高速、高精和高表面质量加工，在具备好的硬件基础上控制系统软件也必须具有好的伺服性能及高速控制能力，图2为高速加工机床所加工的典型零件。以下几点为高性能加工机床控制系统所需的一些特性：

 图2  高速加工机床加工的零件样例

在强大硬件的支持下，iTNC 530采用了全数字化驱动技术。其位置控制器、速度控制器和电流控制器全部实现数字控制。数字电机控制技术能获得非常高的进给速率。iTNC 530在同时插补多达5轴时，还能使转速高达40000 r/min的数控主轴达到要求的切削速度。

先进的前馈伺服技术越来越多地将程序段处理放在后台执行。即使如此，对有些加工任务，快速处理程序段仍是获得理想加工效果的最佳方法，例如进行高精度轮廓加工。

iTNC 530具有理想的程序段处理速度性能，实现短的程序段处理时间（0.5ms）和短的各控制回路周期（位置环周期为100ms）以及各类插补（直线/圆弧/螺旋线/样条）。

iTNC 530还具有1024段（可通过机床参数设置）预读功能。“预读”功能能预测方向的未来变化，来调整运动速度使之符合编程表面要求。当刀具切入工件时，iTNC 530可以根据需要自动降低进给速率，因此在编程进给速率时只需用最高加工速度，iTNC 530能自动根据工件轮廓调整实际速度，节省加工时间。内置的过滤器能显著抑制各机床的固有频率，同时保证所需的表面精度。同时，iTNC 530可实现各种误差补偿，包括线性和非线性轴误差、反向间隙、圆周运动的方向尖角、热膨胀及粘滞摩擦。

高速切削代表着快速和高效地铣轮廓。数控系统必须能快速传输大量数据，允许高效编辑长程序并使加工出的工件具有理想轮廓，这都是iTNC 530所具备的优点。除了NC程序外，最终用户也可以通过固定循环指定轮廓加工的精度。只需用循环向数控系统输入最大允许的与理想轮廓的偏差。iTNC 530将自动按所要求的偏差调整加工而且它能保证不损坏轮廓。

要机床具备良好的加减速功能，必须要保持合理的加加速。如果加加速过大（突变），可在短时间内实现加速，但同时会造成机床的振动，从而使所加工的表面出现条纹，降低了表面加工质量；如果加加速过小，可以实现高的表面质量，但很难实现快加速功能。因此，如何保证高速和高表面质量非常重要。iTNC 530系统采用限制加加速值并利用过滤器对加加速度进行了光滑处理来实现上述功能。通过该功能的使用既可以减少加工中由于加加速突变而产生的机床振动而实现高表面质量加工，同时又能达到机床良好的加减速性能。

在控制系统执行完插补功能以后，产生名义位置值提供给后续的位置回路。大家知道，实现高速、高精和高表面质量要求与很多因素相关，尤其是机床本身的动态性能。iTNC 530系统提供了不同类型的内置的名义位置过滤器，比如单过滤器（Standard filter）、双过滤器（Expanded filter）和高速过滤器（HSC filter）。系统可根据用户的不同需求和机床本身的动态性能确定采用哪种过滤器，它可通过设置不同的参数完成。当然，为尽可能地充分发挥机床本身的动态性能，海德汉公司提供了一系列的调试工具，可以方便各机床制造商进行调试。

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