数控机床应用技术.ppt

数控机床应用技术,汇报人：周宝庆,大连机床集团数控技术应用试验研究所,大连机床集团数控技术应用试验研究所周宝庆2011.08.02,机床制造商对高端数控系统的需求,1)、硬件的需求2)、高速切削功能3)、五轴加工能力4)、简易编程（对话式、可视化编程）5)、误差补偿;6)、调试工具（简化调试工作）7)、过程干预和监控技术;8)、智能化技术9)、网络技术,一、机、电、液、机械调试、NC调试和加工编程集成技术是关键,GMXlinear系列车铣中心主要要特点：Z1轴采用直线电机正负主轴采用内置电机其它直线轴采用滚珠丝杠,1）、大连机床集团六年前开发的CHD系列九轴五联动车铣复合中心,CHD系列车铣中心：主要要特点：正负主轴采用异步内置电机直线轴全部采用滚珠丝杠,X1轴滑架质量轻：位置增益可以设置高；Z1轴滑架质量重：位置增益设置低。为了保证机床的同步精度位置增益必须设置相同值，按最低增益值设置（按Z1轴位置增益设置），这就降低了机床精度。Z轴采用直线电机：1、减少了屑对屑换刀时间；2、提高了位置增益、提高了机床精度；3、加速度提高，提高了切削效率；4、提高了机床伺服刚度和动态刚度。,2）、CHD系列车铣复合中心基础件,3）、加工工件对数控系统的要求,产品件加工,五轴产品件加工,五轴产品件加工对系统要求：1、高性能处理板2、正付主轴必须是同步内置电机3、Z1轴最好是直线电机,五轴定向产品件加工对系统要求：1、不需要高性能处理板2、正付主轴可以使用异步内置电机3、直线轴可以使用滚珠丝杠,我们把数控系统选型和配置交给数控系统生产商，影响我国数控机床的发展*！,高速、高精度、高表面加工机床动态性能好,高效、高精度、高表面质量加工机床刚性好,高性能钢、钛合金、高温合金和硬切削等,4）、高速机床和重型机床都需要高端数控系统,重型机床更需要高端数控系统支持！,数控系统框架设计师和型号设计师:一定要对机床设计技术、机械调试技术、伺服优化技术、加工工艺、NC编程、数控系统试验方法和试验策略进行深入集成研究。才能开发出市场需求的数控系统,不然数控系统成长太慢，最终将被市场抛弃。,二、数控系统硬件是根本,机床制造商关心的系统硬件主要技术指标：1、电流环控制周期2、系统控制周期3、插补周期4、程序段预读能力5、内存和外存容量6、程序传送速度,系统系能对机床精度的影响：1、伺服刚度2、动态刚度*3、反向跃冲精度（象限误差、摩擦误差）*4、周期误差*5、动态响应误差*,N0001X-110.343N0002X-110.551N0003X-110.705N0004X-110.911N0005X-111.059N0006X-111.162N0007X-111.298N0008X-111.469.N0009X-111.564N0010X-111.614.N7497X-111.6N7497X-111.559,程序段处理能力：CNC每分钟能够计算的程序段数,1）、程序段处理能对切削速度影响程序段处理能力试验,NC程序步长越小，程序段量越大，因此对数控系统字节的处理能力要求越高。,*1步长越小，例如0.07mm时，使用AIAPC功能时，机床进给率只能达到F500，如果希望达到F2000，需要使用AInanoCC功能。,1）、程序段处理能对切削速度影响步长、字节处理能力和切削速度之间关系,步长集中在1mm以上,0.10.30.50.70.91,建议使用AIAPC（F3500）,1）、程序段处理能对切削速度影响试验1,0.10.30.50.70.91,建议使用AInanoHPCC（F3500）,1）、程序段处理能对切削速度影响试验2,步长集中在0.1mm,2）、计算精度对加工质量的影响-FANUC指令倍乘比(CMR)优化,指令倍乘比（CMR）最小移动单位检测单位FANUC系统指令倍率比（CMR），出厂默认值是2倍，国内都是使用默认值，但国外进口机床指令倍比都设置10倍以上，最多达到40倍。,提高指令倍率：提高了系统计算精度(指令脉冲精度），计算精度的提高影响加工效果*，试验证明：提高了小线段处理的效果，加工速度变快，光洁度，亮度高，刀纹的细腻程度比之前有提高。,1、动态响应试验测试条件：测试结果对动态响应曲线影响不大动态频率响应曲线CMR=2CMR=20,2）、计算精度对加工质量的影响改变指令倍乘比(CMR)试验,测试条件：FANUC0IMD，空载。在提高CMR前后，使用一样的环路增益，加减速时间常数。,2、圆弧插补试验周期误差*变小，刀路细腻CMR=2时，XY圆弧插补CMR=20时，XY圆弧插补,2）、计算精度对加工质量的影响改变指令倍乘比(CMR)试验,3、方形带四分之一圆弧试验：动态刚度*提高，周期误差*变小，刀路细腻CMR=2时，XY方带四分之一圆弧CMR=20时，XY方带四分之一圆弧,2）、计算精度对加工质量的影响改变指令倍乘比(CMR)试验,POSC,CMR=20，1802#7=1,POSF,4、反馈试验：FANUC0i-C反馈更加的均匀，平滑,2）、计算精度对加工质量的影响改变指令倍乘比(CMR)试验,CMR=20,POSF,5、反馈试验：FANUC31i纳米级插补反馈更加的均匀，平滑,2）、计算精度对加工质量的影响改变指令倍乘比(CMR)试验,HEIDENHAIN、SIEMENS、FANUC高端数控系统都采用纳米级插补；SIEMENS828D计算精度是80位；FANUC0iMD系统使用了纳米级插补，试验证明FANUC0iMateD模具加工能力与FANUC0iMC相同，台湾和国内一些机床厂为了降低成本，使用FANUC0iMateD取代FANUC0iMD。,2）、计算精度对加工质量的影响纳米级插补,三、驱动软件算法是灵魂,高速加工指令HEIDENHAIN：CYCLE32SIEMEN：高速加工循环：CYCLE832FANUC:AI轮廓控制G05.1,三种系统加工效果比较：FANUC系统加工曲面表面质量好；SIEMEN系统加工曲面加工精度高HEIDENHAIN系统加工曲面加工精度高、曲面表面质量好*,曲面加工质量四个主要指标：1、加工精度2、表面粗糙度；3、相邻路径的一致度（或正反向加工的重复性）-俗称光亮度4、加工速度,1、影响曲面加工质量因素,相邻路径的一致性度在国内没用引起重视！,2、相邻路径的一致性-虚拟仿真-1,没有相邻路径控制功能,有相邻路径控制功能,3、相邻路径的一致性-虚拟仿真-2,相邻路径的一致度好,相邻路径的一致度差,4、相邻路径的一致性切削试验,没有相邻轨迹控制功能，表面质量差,有相邻轨迹控制功能，表面质量好,5、路径预读功能,解决相邻路径的一致性的策略：1、增加路径预读能力，缩短段处理时间；2、使用3D光顺算法控制路径公差和相邻路径公差*；3、路径速度平滑,iTNC530：程序段预读：1024段，程序段处理时间：0.5msFANUC31i：采用高速处理器：程序段预读：1000段（600），程序段处理时间：0.4ms西门子840D：程序段预读：默认设置38段插补周期=MD10050秒*MD10070*1.11,小线段处理技术发展方向：数控系统处理原因：1、速度平滑2、能够根据系统的动态特性平滑处理；3、数控系统能够对根据轨迹、轨迹间、动态特性轨迹公差实时控制；4、能够使用速度滤波技术；5、根据加工情况更改公差(使用方便）；6、CAM后置处理简单*。,使用数控系统处理小线段，尽管有占用大量系统资源，计算时间长等缺点。,6、轨迹特性控制程序段过渡处控制,动态刚度差:动态刚度误差大*,FANUC：减速处理SIEMEN：加减速或插入图素（G642、G643、G644指令,G645)HEIDENHAIN：滤波技术,程序段过渡处理技术影响加工效率、加工质量。,7、轨迹特性控制海德汉拐角滤技术,圆角、拐角-轨迹误差计算,圆角误差计算,拐角误差计算,指数型：=.1直线型：=.1钟形：=1,圆角误差R,拐角误差E,指数型:,直线型:,钟形:,圆弧切削时的路径误差:,r,R:圆弧半径（mm）：30mmT1:加减速时间常数（s):0.1sT2:伺服时间常数（s）:0.033s=1/KpKp:伺服环增益：30s-1,选择合理的切削参数非常重要，从表中可以看出，速度相差5倍，精度相差25倍（平方关系）,圆弧-轨迹误差计算,红色：全闭环蓝色：半闭环进给速度：1000mm/min,圆角、拐角误差实测,卧式加工中心：电主轴、丝杠中空冷却、主轴有热补偿功能数控系统：FANUC18iM，没有采用纳米高性能板,7、加速度控制-动态刚度,FANUC：精细加减速SIEMEN：动态刚度控制,激励能够通过高动态设置的速度控制器引起控制系统采样时间和驱动产生不同的结果，引起控制系统采样时间变化几ms，引起驱动系统变化多达几百个s，根据系统的优化优化情况，这些激励会导致机械振动。,8、前馈,实验条件：X轴移动速度：1000mm/Min增益：1,无前馈,有前馈,高自然频率和良好的阻尼参数的高动态性能机床，在高速情况下能显著地降低跟踪误差,大型机床的轴的固有频率很低，阻尼也较差，因此各轴所能达到的Kv因子值也很低（0.1.2）。在这种情况下，使用前馈控制能使机床达到一个合适的轮廓精度。,前馈控制方式：速度前馈：工作台移动机床电流/扭矩前馈：工作台不动机床,跟随误差=设定速度/伺服增益,9、加加速（Jeck）限制,激活前馈功能后，系统变得不稳定，必须使用加加速限制,通过加加速限制，光顺加速度的变化率以优化轮廓轨迹:减少轮廓偏差在保证表面质量情况下以最大进给率加工,无加加速控制,振动造成表面凹坑,加加速控制,避免由于振动造成的表面质量问题,10、五轴加工刀具方向平滑-刀具方向平滑,程序例子：例子N40TRAORIN50ORIVECTN60G1F10000N90COMPCADN90$SC_ORISON_TOL=15.0N95$SC_ORISON_DIST=20N97orisonN110X0A3=0B3=0C3=0.1N130X5A3=0B3=0.10C3=0.0.99N140X10A3=0B3=0.10C3=0.99N150X15A3=0B3=0.19C3=0.98N160X20A3=0B3=0.19C3=0.98N170X25A3=0B3=0.28C3=0.95N180X30A3=0B3=0.28C3=0.95N190X35A3=0B3=0.37C3=0.92N200X40A3=0B3=0.37C3=0.92N210X45A3=0B3=0.44C3=0.89N220X50A3=0B3=0.44C3=0.89N230X55A3=0B3=0.51C3=0.85N240X60A3=0B3=0.51C3=0.85N250X65A3=0B3=0.57C3=0.81N260X70A3=0B3=0.57C3=0.81N270X75A3=0B3=0.62C3=0.77N280X80A3=0B3=0.62C3=0.77,采用平滑技术,没采用平滑技术,10、五轴加工刀具方向平滑-棱角平滑,采用棱角平滑技术,OST$SC_ORI_SMOOTH_TOL=20N90X10A3=0B3=0C3=1N100X15A3=0B3=1C3=1N110X20A3=0B3=0C3=1N120X25A3=0B3=1C3=1N130X30A3=0B3=0C3=1N140X35A3=0B3=1C3=1N150X40A3=0B3=0C3=1,没采用棱角平滑技术,三、误差补偿,西门子和FANUC提供了以下误差补偿功能直线度补偿-大型机床;重力补偿（挠度补偿）-滑枕;摩擦力补偿没台机床都需要补偿;三维误差补偿-高精度机床;体积误差补偿（机床21项精度补偿）-西门子VCS，五轴机床误差补偿;热补偿。,VolumetricErrorCompensation,1、一个典型的5轴加工中心误差梯度,在机床运动空间采用误差梯度补偿,VolumetricErrorCompensation,2、VCS基本原理,Measurements,Kinematicalmachinemodel,3、VCS使用例子-Zimmermann（大连机床控股公司）FZ37,4、关于螺距误差补偿,我国机床生产厂，都按国标进行螺距补偿，技术发展到今天滚珠丝杠的精度很高，如果有螺距误差，都是机床装配有问题。激光干涉仪对温度很敏感，不同温度测量结果是不一样。我厂售后维修人员经常问我，为什么有螺距补偿，加工的工件就不合格，螺距补偿取消就合格。国外的一些厂家使用激光干涉仪对机床抽检。国外的一些机床根本没有螺距补偿。国内也有外资机床采用抽检方式。,现阶段对机床进行螺距是在破坏机床精度，越补精度越差！1、丝杠精度已高于机床精度，已不需要补偿，如果螺距误差是机床装配质量有问题，特别是运动总成装配有问题，激光干涉仪是装配质量的诊断工具*。2、激光干涉仪检查出的反向间隙误差根本不准*；3、光栅尺安装不合格，产生阿贝误差。,4、五轴机床标定,五轴机床标定*,根据运动模型，确定哪些误差可以补偿，数控系统要有这些误差补偿功能,5、五轴机床标定检查循环,西门子、海德汉都提供五轴机床定标检查循环,6、双驱动机床零点的标定,双驱动零点标定西门子：跟随功能FANUC：串联控制,四、伺服优化,1、频率响应,使用电流环滤波技术抑制振动；通过频率响应曲线和其它仪器可以建立一个车间级装配精度诊断系统；在机床和数控系统一定的情况下，伺服优化只能做到锦上添花，不能做到雪中送炭，但通过伺服优化可以对机械设计、数控系统选型和配置提出改进方案。,2、伺服响应误差-伺服响应不足,摘自MAKINO资料,电流环滤波参考模型速度滤波,伺服响应误差*,合格品,3、伺服响应误差-频宽响应不足,4、反向跃冲误差（摩擦误差、象限误差）补偿,工件质量、速度、加速度、润滑状况等影响摩擦力，特别是防护罩质量部好，摩擦误差不稳定，每次检查结果不一样，建议摩擦误差补偿使用人工智能算法。,5、进给速度对反向跃冲（摩擦误差、象限误差）的影响,加速度=,一般以用户使用程序进给量及半径来调试，此例子加速度相差“36”倍,6、非常重要的OEM循环（工件重量、加工条件、精度要求）,基本原理：根据所加工工件重量、加工条件、精度要求加工，自动设定驱动和NC参数，以保证机床良好的动态性能和精度.机床经过三个月运行后，机床磨合基本稳定，这是出厂优化的参数已不适应，需要重新调整，机床才能达到最优状态。,7、APC高级位置控制（西门子）,APCrequires611DPerformance2controlboards.DuetoAPCcontrolcharacteristicamplitudeofcertainresonantfrequenciescanbedampeddownactivelyhenceahigherservogainfactorisadjustable,机床加速时，根据牛顿第二定律F=m*a2，这时产生很大的力，床身微动、轴承座变形、丝杠扭曲，结果是光栅尺反馈回的信号噪声很大、,西门子：高级位置控制FANUC：减振控制功能、双重位置反馈功能、机床速度反馈功能,速度环优化：可以实现自动优化，FANUC、西门子都有速度环自动优化功能，我研究所对西门子自动优化实验证明，比较准确。FANUC不推