高速切削加工的計算機數控(二)

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高速切削加工    時間:2014-03-11 23:31:30
高速切削加工的計算機數控(二)簡介
    CNC對每一進給軸都需要傳遞NURBS三次多項式的係數,例如對於x軸有x(t)=a·t3+b·t2+c·t+d。這些樣條數據必須能夠減少數據總量,同時為……
高速切削加工的計算機數控(二)正文
  CNC對每一進給軸都需要傳遞NURBS三次多項式的係數,例如對於x軸有x(t)=a·t3+b·t2+c·t+d。這些樣條數據必須能夠減少數據總量,同時為流暢的加工提供必需的切線和曲率連續的程序段過渡。要求CNC能夠通過指定精修多邊形程序段的途徑,自動光滑處理運動軌跡以獲得光滑的零件表面。

2計算機數控的其它功能

現代數控系統建立在數字信號處理和匯流排聯繫各部件的基礎之上,並且使用高度集成的電子元器件。用於HSC的CNC最重要的功能之一是精確地控制進給驅動和滾珠絲桿,它們之間傳統的模擬式連接現在為數字化調節和數字化匯流排并行聯繫的驅動所替代。

用於HSC技術的數字化匯流排并行聯繫驅動介面具有一系列優點,如可以大大提高CNC的解析度從而提高精度,可以削弱消除網路中的干擾,消除漂移及其不利作用,避免模擬量雜訊在工件表面產生圖形花紋,能夠對眾多的驅動功能作詳細的診斷分析,便於投入運行和在CNC中實現驅動的參數化。

通過補償機床剛度和軌跡誤差例如限制反轉和預控制轉速和轉矩,有多種多樣的調節結構可以提高生產率和零件加工精度。採用數字化驅動調節可以實現高解析度的數字化轉速和位置檢測,可以實現更高階的調節演算法,尤其是通過預控制轉速和轉矩來補償由慣性運動導致的軌跡誤差,這在軌跡進給速度高、產生拖動誤差時意義尤為重大。此外,它能夠自動完成例如頻率和圓度等多種檢測,能夠自動優化補償例如藉助神經網路進行象限誤差補償,可以連接直接直線驅動裝置如直線電動機,可以用CNC處理器和驅動處理器來雙重保障機床的安全性。

用於HSC的CNC功能

軌跡運動速度很高時,只有通過無拖動誤差的調節策略才能滿足加工精度的要求,並且速度增益在通常的Kv=1~4(m/min)/mm時沒有阻尼存在,所以進給軸的插補控制意義重大。為了滿足HSC的特殊要求,必需研究開發新的軌跡插補、速度控制以及幾何變換方法。

上節說明了精確描述加工軌跡的高次插補方法和快速插補技術。除此之外,用於HSC的CNC必須滿足以下要求:即超過100條程序段的速度預控制(前瞻功能),補償機械誤差;可進行幾何變換(如夾緊時的修正或5軸變換);進給軸無拖動誤差的調節以確保高的軌跡精度;在軌跡方向和軸向限制反向以保護機床,刀具長度、半徑、類型不同時的補償;在機床工作空間內能夠安全操作。

速度預控制

速度預控制(前瞻)的任務,是識別速度不連續的程序段過渡和由軌跡彎曲所引起的進給軸過高的加速度。數控程序段的執行時間,比對切削加工速度必需的加速和制動梯度時間還要短。連續處理數控程序段的前提是具備一個處於預先監視下的程序緩衝區。需要注意的是,在軌跡進給速度高和程序段短的時候,技術上必需的低加速度會使速度預控制需要的前瞻距離增加到50至150條程序段。如果只有較小的前瞻緩衝區,就必須限制軌跡進給速度,以便使程序任何位置上的制動梯度時間都能得到遵守。

多軸變換與坐標變換實現刀具補償

在旋轉坐標系中的三維加工例如加工斜面,需要增加離線計算的程序中必需的數據量。同時需要在CNC程序中計算確定刀具參數如刀具類型、半徑和長度。通過CNC內的幾何變換,可以直接在機床上進行刀具補償而省略后處理過程。

用球頭銑刀作3軸加工,只能利用5軸銑床生產能力的一小部分。只有使用圓柱和圓環銑刀,才能發揮達到高的切削效率。為了在高質量加工任意輪廓表面的同時達到最大切削效率,要求它們相對銑刀軌跡有確定的空間方向。為保證刀具接觸點落在軌跡上,在傳統的用旋轉軸確定刀具方向的5軸編程中必須插入許多中間步驟。

4軸和5軸變換承擔在刀具方向改變時保持刀尖的空間位置不變的任務。編程的進給參數只涉及刀尖的空間軌跡。刀具的方向可以通過旋轉軸位置、刀具方向矢量或歐拉角等編程確定。直接由CNC完成的對不同類型(如圓柱、圓環以及錐環)銑刀的空間幾何參數的修正更具有補充作用,結果可以對相同的NC程序應用不同的刀具。

極坐標變換主要用於車削加工中心、非圓磨削以及高速銑削圓形或螺旋形零件。把旋轉軸與直線移動軸相結合,可以避免改變直角坐標系各坐標軸方向以及引起理論軌跡的偏差。這種變換的一個重要優點,是進給的編程只與刀具軌跡有關,而不是象在旋轉軸編程中那樣與角速度有關。在這種變換中可以應用所有的插補方法(直線、圓弧、樣條)編程。由CNC負責刀具補償計算並監視軌跡方向和進給軸方向上的全部限制。

圓柱面變換使編程人員能夠把圓柱表面的刀具軌跡視為虛擬的X-Y平面。此時所有幾何表述和進給以零件表面為基準,與圓柱半徑大小無關。

誤差補償

只要費用許可,就應當要求CNC系統補償機床的靜態誤差、熱誤差以及進給軸調節的動態誤差。這樣能夠達到零件的加工精度,過去機械補償時需要花費高昂代價才能夠達到。

對HSC技術的應用具有重要意義的誤差補償有:補償由於絲桿轉速高和進給軸速度高引起它們溫度上升導致的熱誤差,補償進給軸換向點處的摩擦誤差(象限誤差),補償絲桿導程誤差和測量系統誤差,藉助於插補技術補償機床的角度和撓度變形誤差,補償間接測量的軸的鬆弛之處。

人員、機床和零件的安全

目前生效的安全保護條例,對幾乎所有類型的機床都規定用罩殼封閉機床工作空間。這妨礙操作者在許多場合下必要地介入數控程序的運行。特別是在模型和模具製造中的大型機床上,操作者或機床安裝調試人員在程序自動運行中熟練地進行鑒別或許還有校正是非常重要的。出於安全原因,這一要求只能通過CNC中規模龐大的限制和監視系統來實現。除了硬體監視的機床功能以外,首先包括對絲桿轉速和進給運動進行的可靠的雙通道監控。

3結束語

在高速切削加工的計算機數控中採用NURBS樣條插補,可以克服直線插補時控制精度和速度的不足。通過高速計算機數控的速度預控制,多軸變換與坐標變換實現刀具補償、誤差補償、勞動安全保護等其它功能,不僅能夠提高進給速度和切削效率,而且能夠提高複雜輪廓表面的加工精度和人員設備的安全性。高速切削加工對計算機數控系統提出的高新技術要求,只有應用數字化驅動調節和匯流排技術才能夠實現。

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