海德汉系统的多种加工模式软件包开发与应用

0 引言

　　按材料切除率和加工精度，切削加工主要分为粗加工、精加工、半精加工三类，由于三类加工方法，在实际加工过程中追求的侧重点不同，对于数控系统的加工参数的要求也不同。在提高机床的加工效率的同时，满足不同零部件的加工要求，在机床调试过程中尽可能的将系统的加工参数细化。数控加工的目的是实现高效率高精度加工，如何在尽可能减小效率损失的前提下实现速度连续、平滑过渡，是加减速研究中的关键问题。S曲线加减速方法对减小机床冲击有一定作用和效果，但由于加加速的阶跃变化，会使加速度在加减速阶段的起点、终点处有突变，而引起机床的柔性冲击。

　　为了克服加加速的阶跃变化引起的柔性冲击，本文采用合理设置加加速值的同时利用滤波器对加加速进行平滑处理的方式保证高速高效的加工。并以海德汉iTNC530系统为例进行二次开发，按照工件不同的加工要求，分成四种加工模式，设计研发能满足不同加工模式的软件包，对加速度、加加速控制及滤波器类型等系统的参数进行优化设计。

1 海德汉iTNC530系统加工模式的分类

　　在加工过程中，根据不同零部件的加工要求，大致可分成粗加工，精加工，半精加工三类，其中精加工又可以分成表面质量精加工和轮廓精加工。粗加工是一种对工件进行简单加工的过程，追求的是单位时间内的材料去除率，对工件的表面质量和轮廓精度要求不高；相反，精加工是指对几何形状复杂的工件进行精密加工，追求的是工件的表面质量或轮廓精度；半精加工是介于粗加工和精加工之间，需要兼顾加工的速度和精度。上述几种不同的加工方法，在实际加工过程中追求的侧重点是不同的，则需要设置的系统参数也有所不同。为了适应不同的加工要求需要，系统加工参数优化在通用型(标准加工模式)的基础上，根据各加工模式的特点可以扩展成三种加工模式，如图1所示。

　　(1)光滑表面加工模式：侧重于表面光洁度，主要应用于精加工，主要特点是要求表面的光洁度高，避免各加工轴的振荡，跟踪误差控制在1微米以内，公差(Cycle32)可设为0.02mm，允许有略微的超差。

　　(2)粗加工模式：侧重于速度，主要特点是追求单位时间的金属去除率，对表面质量的要求次之，最大公差(Cycle32)范围可设为0.2mm。

　　(3)精加工模式：侧重于精度，主要用于非常精密且尺寸较小的工件加工，主要特点是不允许超差，但是允许表面有轻微振荡，典型公差(Cycle32)范围可设为0.01mm。

　　在调试过程中将系统加工参数按照标准加工模式、光滑表面加工模式、粗加工模式、精加工模式分别进行参数的优化，尽可能减小效率损失的前提下保证加工的要求，以取得良好的加工效果。

　　在参数优化的过程中为了克服加加速的阶跃变化造成机床的柔性冲击，需在充分了解加加速原理，下面以水平运动伺服轴的加加速为例，对基本原理进行阐述和说明。

2 加加速的基本原理

　　加加速是描述加速度变化快慢的物理量。数控机床在切削加工时，水平运动伺服轴的简图如图2所示，F与加速度之间的关系如下：

　　对式(1)进行求导得：

　　其中j为加加速，反映的是机床的响应速度与运动平稳性之间的关系，因此瞬时的加加速j反映了F的瞬时变化量，由于j是阶跃变化的，因此引起F的瞬时变化量也是阶跃变化的。在阶跃变化处，导致机床系统的较大振动和冲击。由于机床的振动和冲击不但影响工件的加工质量，而且还会使数控机床和刀具在动载荷下工作，加速了两者的磨损和精度的丧失，从而降低了数控机床的使用寿命和刀具的耐用度，因此避免振动和冲击非常关键。

　　在数控加工中会出现直线与圆弧的过渡过程，节点处的加速度会由零突然增至v2/R(R为圆弧半径)，则其惯性离心力将由外侧导轨突然受到压力mv2/R，因此节点处的冲击载荷会产生剧烈的振动和冲击。要避免加加速的阶跃变化对机床的冲击，可以对加加速进行平滑处理。经过处理后使曲率由零逐渐过渡到1/R，其法向加速度会由零均匀的增加到v2/R，从而避免了柔性冲击。下面就以海德汉iTNC530系统具体介绍如何通过限制加加速同时利用滤波器进行加加速的平滑处理。