高質量的模具高效率的機床

隨著中國模具工業的發展，模具加工所要求的加工精度、表面質量和加工效率也越來越高。要加工出高質量的模具，必須有適於模具加工特性且具有高效率的數控機床。而卓越的高速加工功能、五軸聯動加工功能和友好的人機界面是該類機床所追求的目標。
機床要滿足高的性能要求，需要從下列各個方面入手：(1)機床機械設計：機械高剛性，運動部件低質量；(2)進給設計：高的加速能力和大的速度控制範圍能力；(3)主軸系統設計：高軸速度、低得不均勻性和好的速度穩定性；(4)刀具：適於高速加工要求；(5)數控系統和測量反饋等。
海德漢公司是一家擁有100多年歷史的專門生產高精密測量元件和數控系統的跨國集團公司。所生產的高性能數控系統和測量反饋元件在模具加工和高精密加工領域中得到了廣泛的應用。圖1為海德漢公司提供的在高性能機床上使用的整套數控系統和測量反饋元件。本文對在模具行業得到廣泛認同的海德漢的iTNC 530數控系統進行簡單介紹。
iTNC 530系統的硬體設計

圖1 海德漢iTNC 530控制系統
硬體設計的好壞決定控制系統能否適合於高速、高精以及高表面質量加工。iTNC 530採用全新的微處理器結構，具有非常強大的計算能力。iTNC 530控制系統具有可控制達12軸，控制器本身包含了主機單元(MC)和控制單元(CC)兩個部分。
主機單元(MC)採用了奔騰III-800晶元、133MHz匯流排頻率，這是進行所有計算、屏幕顯示和數據通信的保證。iTNC530所有的實時任務均在自己開發的實時操作系統(HEROS)下完成，而且也可提供帶雙處理器的主計算機，它既可以保證系統的實時計算和穩定性能，同時又能滿足用戶對Windows應用程序的需求。同時主機單元中的存儲是通過容量達30G的硬碟實現的，這對複雜模具加工提供了充足的存儲空間。主機單元帶有各類數據通信介面(Ethernet/RS232/RS422/USB等)，所配備的快速乙太網通信介面能以100Mb/s的速率傳輸程序數據。
控制單元(CC)最新的設計中集成了控制系統的所有伺服控制迴路(位置環/速度環/電流環)，所有的伺服計算都在DSP(數字信號處理器)中完成。從而測量元件的反饋均集成在控制單元上，包含位置反饋和速度反饋。其優勢在於：保證伺服計算快速和實時要求，減小各伺服迴路周期，減少各個迴路間的通信延遲，可在位置迴路實現高增益，實現高速和高表面質量加工，並可很好地控制直接驅動(直線電機和力矩電機)。
驅動配套：可以根據需要提供全套的iTNC 530數控系統，包括變頻器模塊、電源模塊和伺服電機及主軸電機。同時，數控系統還具有很好的開放性能，能夠連接第三方的變頻器或電機，組成全套數字系統。由於iTNC 530特殊的控制單元設計，所有的伺服運動控制均在控制單元中實現，其輸出為數字PWM信號，因而後續的變頻器主要為運算放大功能。
好的伺服控制和高速控制能力
針對複雜的曲面，如果要實現高速、高精和高表面質量加工，在具備好的硬體基礎上控制系統軟體也必須具有好的伺服性能及高速控制能力，圖2為高速加工機床所加工的典型零件。以下幾點為高性能加工機床控制系統所需的一些特性：
在強大硬體的支持下，iTNC 530採用了全數字化驅動技術。其位置控制器、速度控制器和電流控制器全部實現數字控制。數字電機控制技術能獲得非常高的進給速率。iTNC 530在同時插補多達5軸時，還能使轉速高達40000 r/min的數控主軸達到要求的切削速度。
先進的前饋伺服技術越來越多地將程序段處理放在後台執行。即使如此，對有些加工任務，快速處理程序段仍是獲得理想加工效果的最佳方法，例如進行高精度輪廓加工。
iTNC 530具有理想的程序段處理速度性能，實現短的程序段處理時間(0.5ms)和短的各控制迴路周期(位置環周期為100ms)以及各類插補(直線/圓弧/螺旋線/樣條)。
iTNC 530還具有1024段(可通過機床參數設置)預讀功能。「預讀」功能能預測方向的未來變化，來調整運動速度使之符合編程表面要求。當刀具切入工件時，iTNC 530可以根據需要自動降低進給速率，因此在編程進給速率時只需用最高加工速度，iTNC 530能自動根據工件輪廓調整實際速度，節省加工時間。內置的過濾器能顯著抑制各機床的固有頻率，同時保證所需的表面精度。同時，iTNC 530可實現各種誤差補償，包括線性和非線性軸誤差、反向間隙、圓周運動的方向尖角、熱膨脹及粘滯摩擦。
高速切削代表著快速和高效地銑輪廓。數控系統必須能快速傳輸大量數據，允許高效編輯長程序並使加工出的工件具有理想輪廓，這都是iTNC 530所具備的優點。除了NC程序外，最終用戶也可以通過固定循環指定輪廓加工的精度。只需用循環向數控系統輸入最大允許的與理想輪廓的偏差。iTNC 530將自動按所要求的偏差調整加工而且它能保證不損壞輪廓。

圖2 高速加工機床加工的零件樣例
要機床具備良好的加減速功能，必須要保持合理的加加速。如果加加速過大(突變)，可在短時間內實現加速，但同時會造成機床的振動，從而使所加工的表面出現條紋，降低了表面加工質量；如果加加速過小，可以實現高的表面質量，但很難實現快加速功能。因此，如何保證高速和高表面質量非常重要。iTNC 530系統採用限制加加速值並利用過濾器對加加速度進行了光滑處理來實現上述功能。通過該功能的使用既可以減少加工中由於加加速突變而產生的機床振動而實現高表面質量加工，同時又能達到機床良好的加減速性能。
在控制系統執行完插補功能以後，產生名義位置值提供給後續的位置迴路。大家知道，實現高速、高精和高表面質量要求與很多因素相關，尤其是機床本身的動態性能。iTNC 530系統提供了不同類型的內置的名義位置過濾器，比如單過濾器(Standard filter)、雙過濾器(Expanded filter)和高速過濾器(HSC filter)。系統可根據用戶的不同需求和機床本身的動態性能確定採用哪種過濾器，它可通過設置不同的參數完成。當然，為儘可能地充分發揮機床本身的動態性能，海德漢公司提供了一系列的調試工具，可以方便各機床製造商進行調試。