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數控系統智能加工功能在大型精密模具制造中的應用

2014-12-20 來源：約翰內斯·海德漢博士（中國）有限公司作者：徐新平

摘要：介紹了海德漢iTNC 530數控系統的智能加工功能，闡述了系統在大型精密模具制造中的應用，系統可提高模具制造效率和精度，在許多企業的實際應用中取得了良好的效果。

1 、引言

獨特的造型和優美的線條是汽車制造業車型日益多樣化的突出特點。設計師希望滿足駕車人的愿望，但在將這些愿望化為現實的過程中面臨著許多問題，例如技術復雜性的提高與成本和時間壓力不斷增加間的矛盾，因此改善生產方法比以往任何時候都更重要。約翰內斯·海德漢博士（中國）有限公司（以下簡稱海德漢）創新的解決方案，在模具制造領域能幫助用戶提高效率和簡化操作，使模具達到更高的加工速度和更好的表面質量。

海德漢iTNC 530數控系統是一種適用于銑、鉆、鏜床和加工中心的多功能輪廓加工數控系統，被廣泛應用于高精密、高速、多軸型復合機床，此類機床正是大型精密模具加工的需求所在。

2 、iTNC530數控系統的智能加工功能

2.1 DXF轉換工具

模具加工中精確的曲面加工是保證輪廓準確的關鍵，大型模具的加工過程基本都是自動進行，但也常常需要編程部門重新編制局部加工程序，這就需要長時間中斷加工。在修復輪廓的過程中，常常需要用另一把刀具修復輪廓的特定部位，這就需要調整CAD/CAM系統生成的相應程序，再生成一個較短的新程序。

使用海德漢iTNC 530 系統中的DXF 轉換工具，能有效避免停機等待程序的現象，如圖1所示，通過圖形顯示，用戶能交互選擇CAD/CAM系統生成的刀具路徑。所選的輪廓部位可在數控系統中被快速保存為一個單獨加工的程序。該功能可為用戶節省大量的程序等待時間，還可以對程序進行

局部修改。

圖1 通過DXF導入功能自動生成程序

2.2 全局有效參數設置

工件局部加工涉及很多環節，為提高工件質量和加工速度，需要對程序修改一些參數，例如進給速率、坐標偏移量等。由于數控系統難以重新啟動加工程序，必須從起點開始檢查全部已執行的程序。在數控系統中，編輯大型工件加工程序會受到系統處理能力的限制而消耗寶貴時間。對全局有效參數的設置，可以快速調整NC數控程序，使其符合機床配置情況，有效避免不必要的差錯和縮短中斷時間，如圖2所示。

圖2 全局有效參數設置

2.3 手輪疊加運動

在大型精密模具加工中，操作人員有時需要直接控制自動加工過程。圖3所示為使用HR550FS無線式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行的照片。開始前，首先在全局程序參數設置中定義所需的軸和疊加運動的范圍。在傾斜系統中，手輪疊加運動也同樣安全和易于使用。

圖3 使用HR550FS無線式手輪在傾斜工作平面上干預程序運行

2.4 運動控制

模具加工中曲面加工多采用CAD/CAM軟件生成曲面加工程序，大量的直線插補程序段間的過渡是個棘手的問題，iTNC 530數控系統能自動實現程序段間的平滑過渡，使刀具盡可能以恒定的進給速度在工件表面上運動。該數控系統能保持較高的進給速度與精確的刀具方向控制間的協調，并允許用戶通過簡單的循環直接影響加工速度與輪廓公差的比例關系，如圖4所示。

圖4 輪廓公差控制

該數控系統的程序段平滑過渡功能，可滿足CAD/CAM系統生成的NC數控程序的工件表面質量要求。刀具沿輪廓運動時，iTNC 530數控系統會考慮實際刀具長度和半徑與定義值間的偏差，這就避免了后處理器的二次計算，這個功能在夜班中編程部門無人上班時便比較有用。刀具快速反向運動會導致機床振動，使刀具與工件間的路徑偏差加大，iTNC 530數控系統的運動控制功能可有效避免這種偏差，確保其不超過所設置的輪廓公差（包括運動路徑突然變化時），圖5所示為典型的模具類短直線段插補程序。

圖5 典型的模具類短直線段插補程序

2.5 動態碰撞監控

多軸機床的復雜運動、快移速度和加速度的日益提高使機床操作人員很難預測軸的運動。動態碰撞監控（DCM）能將機床運動部件的幾何尺寸和運動關系集成入iTNC 530數控系統，實時監測機床測量反饋原件的位置，具有避免刀具與機床運動部件間或刀具與夾具碰撞的功能。iTNC 530數控系統檢測到刀具可能發生碰撞危險時，將停止軸運動并顯示報警信息，如圖6所示，有利于避免機床損壞及浪費停機等待時間，使無人值守換班生產更安全、更可靠。

圖6 機床動態碰撞模型與碰撞報警信息界面

3 、加工精度智能控制

3.1 KinematicsComp補償機床幾何誤差

由于工件公差要求日趨嚴格，對機床的要求也越來越高。但在機床生產和機床結構設計中不可避免地存在很多誤差，例如根據ISO230-1標準，直線軸有6類誤差，回轉軸的誤差種類更多，而且機床軸越多，誤差源就越多。解決這些問題涉及的工作量龐大，特別是五軸加工或有平行軸的大型機床加工。

機床制造商通過運動特性模型描述的機床自由度和回轉軸位置，過去只能用機床幾何名義尺寸確定，現在通過KinematicsComp功能，能將所有軸的實際特性全部整合在運動特性模型中，甚至可以定義與位置相關的溫度補償。補償這些誤差所需的測量方法已用于機床測量的校準過程中，例如通過機床掃描系統執行這種任務，可高精度地測量刀尖的空間位置誤差。

3.2 KinematicsOpt校準旋轉軸定位誤差和空間漂移

機床只有準確地控制旋轉軸運動導致的坐標變化，才能保證加工工件的高精度。用四軸或四軸以上機床進行編程時，傾斜面加工是編程人員的重點。iTNC 530數控系統的PLANE功能可滿足這種需求。編程人員難以預測機床各軸的實際運動，而數控系統能計算工件坐標系的相應變換，并要求軸進行相應運動。圖7所示為系統控制旋轉中心與實際旋轉中心的偏差導致的傾斜位置誤差。

KinematisOpt功能的基本原理為：采用海德漢TS740高精度3-D觸發式測頭，準確測量多個旋轉軸位置處的高精度標準球的球心位置，如圖8 所示。根據需要，KinematicsOpt能自動優化被測軸，自動進行機床參數的修改。KinematicsOpt測量時間需要數分鐘，操作人員可以重新校準機床，如果基準球永久固定在機床工作臺中，它甚至可以在2個獨立的加工步驟間自動執行這個測量任務，因此能確保大批量和單件生產產品質量的高度穩定。

圖7 系統控制旋轉中心與實際旋轉中心的偏差導致傾斜位置誤差

a.數控系統的控制中心b.旋轉軸的實際回轉中心c.傾斜導致的位置誤差

圖8 海德漢TS740高精度測頭與標準球

大型銑床根據不同的加工任務，需要經常更換不同的銑頭，由于每個銑頭的尺寸不同，數控系統計算時必須考慮機床運動結構鏈的差異及銑頭間的相互位置關系。iTNC 530數控系統可以保存多套運動尺寸差異數據，如果銑頭尺寸改變（如銑頭發生碰撞或受溫度影響），操作人員可自行用Kine?maticsOpt功能校準銑頭。KinematicsOpt還能測量機床部件的漂移，并將數據保存在數控系統中，可簡單地補償漂移，而無需對加工程序做任何改動。

4 、加工過程自適應控制

機床用戶為提高機床生產效率，需要更快的進給速率和更大的加速度，這種高速運動使機床結構易于發生機械振動，所產生的共振效應又通過位置

和速度控制單元進入系統，嚴重影響數控系統正常工作。機床結構的共振特性與許多因素有關，例如機床軸在加工區域內的位置，機床工作臺的靜止負

荷或機床軸的機械連接方式。

4.1 受力自適應控制（LAC）

旋轉工作臺機床的動態特性與負載的工件質量或慣性矩有關。受力自適應控制（LAC）功能用于使數控系統自動確定工件的當前質量、慣性矩和摩擦力。自適應前饋控制功能可檢測加速度，保持扭矩、靜摩擦和高軸速時的摩擦力數據。工件加工期間，數控系統還能連續調整自適應前饋控制參數，以適應工件的當前質量。

4.2 關聯機床軸的位置誤差補償（CTC）

在模具類零件高速加工過程中，短直線段的插補使機床處于頻繁的大加速度加工過程，機床結構因受力加大而產生彈性變形，導致刀具中心點（TCP）偏移。除軸向變形外，機械軸的大加速運動也導致機床軸在與加速度垂直的方向變形。如果機床軸的受力點不在重心線上，在制動和加速期間將造成機床軸傾斜，這時該問題將更加突出，導致刀具中心點（TCP）在加速軸和橫向軸方向的位置誤差與加速度大小成正比。若通過刀具中心點（TCP）測量找到動態位置誤差與機床軸加速度的函數關系，CTC伺服控制功能便可補償這個與加速度有關的誤差，避免對工件表面質量和精度造成負面影響。圖9顯示了無CTC和有CTC的情況下，機床震動對工件表面的影響。