数控系统促高端机床发展

　　如何利用先进的硬件、软件技术保证高档数控机床性能的稳定发挥已经成为数控系统领域的热点。本文将从以下几个方面，介绍适用于高性能机床的数控系统的最新发展情况。

    第一，高速加工。高速加工进给速度大，进给驱动加速度增加，必然使机床结构承受更大加速力，也容易造成机床振动，恶化表面质量。数控系统必须与机床紧密配合以确保任何加工任务都具有高动态性能。因此，在具备优良、稳定可靠的硬件基础上，控制系统软件也必须具有好的伺服性能及高速控制能力。除了需要程度段处理速度快和预读功能强外，以下功能对高速加工也非常重要：

    1.有效监测轮廓公差。复杂曲面的NC程序都是通过CAM(计算机辅助制造)系统生成，它由大量简单线段组成。例如，数控系统自动平滑处理过渡形状，同时保持刀具在工件表面连续运动。最终用户可以通过固定循环CYCLE32，根据需要自定义轮廓偏差。在加工中有过渡点时，数控系统的路径控制功能可以平滑处理加加速(Jerk)避免机床剧烈振动，并满足所要求的轮廓公差。

    2.往复加工时相邻路径的高重复性。要在高速高精加工的同时保证加工表面质量，在往复加工时保证相邻路径的重复性很重要。图(见文末)为一个局部工件及相应的TCP(刀具中心点)轨迹图(往复运动的多道轨迹)，各轨迹由长度很短的直线组成。在高精密加工时，数控系统可采用小线段插补，在往复多道铣削运动时可保证高重复性，从而实现高表面加工质量。

    3.高速运动时有效避免振动。HSC(高速切削)铣削技术要求的进给速度对机床数控系统是巨大挑战。只有达到更高的轮廓加工平均速度才能缩短加工时间。但是如果遇到小半径轨迹，就必须大大降低运动速度，以保证路径偏差在允许的公差内。此外，加速和减速运动会造成机床结构振动，损害工件表面质量。加加速和加速度的平滑控制是海德汉数控系统的突出特点，它能非常有效地抑制机床振动。根据需要，数控系统还可以自动降低编程进给速度使振动的危险性降到最低，从而有效预防振动，使零件程序以更高的运动速度执行。

    第二，五轴加工。在精密模具、航空/航天及船舶等行业的关键零件加工方面，五轴机床的加工效率非常高。实现五轴加工不仅需要数控系统具有强大的硬件基础，而且控制软件也需要具备一些使五轴机床操作简易和正常运行的功能，比如3D刀长/刀径补偿、倾斜面/圆柱面简易编程、TCPM(刀具中心管理)等。由于五轴机床结构复杂、运行速度快，提高机床的精密性和保证安全性对提高整个机床的使用效率非常重要。以下的系统特点已经越来越受到重视：

    1.动态碰撞监控功能(DCM)。五轴加工中的复杂运动和高速运动使其轴向运动难以预测，因此动态碰撞监控能减轻操作人员的劳动强度，确保机床不发生碰损。虽然CAD/CAM系统创建的NC程序可以避免刀具与工件的碰撞，但机床加工区域内的机床部件碰撞情况却未被考虑。

    数控系统的动态碰撞监控功能应该为操作人员提供全面支持，一旦有碰撞危险，数控系统将立即中断加工，因此能提高机床和操作人员的安全性，还能防止机床损坏，避免代价昂贵的停机。DCM可以在自动模式和手动模式下使用。有的数控系统，如海德汉数控系统iTNC530的DCM在数控系统中对机床相应的机构部件进行建模，并在需要监控的模块间建立关系。在机床运行时，数控系统将实时监测所有建立关系的模块间的相互位置关系，一旦有碰撞危险，系统将发出警报或急停，从而避免碰撞的发生。

    2.五轴机床的校验和优化补偿。如何获取较高的加工精度是数控机床永恒的热点话题，特别是五轴加工。复杂工件的加工意味着刀具运动复杂，定位精度要求高。海德汉iTNC530系统新增的动力学模型优化功能(KinematicsOpt)能够确保精度在长时间内有很好的可重复性，从而保证大批量生产时产品的高质量。

    其基本原理为：KinematicsOpt通过测头循环全自动地测量机床任何类型(旋转工作台或摆头)的旋转轴，测试时刚性检测球固定在工作台的任何位置，操作者可定义测试所检测的轴及测试分辨率等。测试完成后，iTNC530系统将数据转换为机床的空间误差并存储，同时根据该值补偿旋转轴在装配时带来的系统误差，从而提高五轴机床的整体精度。而最终用户利用该功能可方便地将运行一段时间的五轴机床恢复至出厂精度，从而保证机床精密可靠地运行。

    3.虚拟轴功能。五轴加工机床在运行过程中，经常会碰到断电或加工中断的情况，如何将刀具方便地从工件中取出而不对零件有任何损伤是经常遇到的问题。“虚拟轴”功能可以帮助五轴机床用户轻松地解决此问题。虚拟轴功能通过数控系统将任何位置的刀具轴方向定义为虚拟的轴。在任何中断恢复后，只需通过电子手轮或机床键盘的某一个键，机床就能沿着虚拟轴方向退出而不对零件造成损坏。该功能的设置和操作均很简单。

    第三，智能化。数控机床的智能化随着机床精密度和复杂程度的增加变得越来越重要。欧洲的一些高端机床已经融入了一些智能化的功能，比如Mikron的Smart机床。当然对于智能化的作用可谓“仁者见仁，智者见智”。我们可以为机床制造商提供实现自适应智能型功能的平台，比如：集成的防碰撞功能—动态碰撞监控、高速情况下抑制振荡功能—加加速平滑处理、特殊的监控人机界面、电子ID和机床故障远程诊断等。另外，根据市场需要，我们最新开发了以下两个功能：

    1. 动力学模型补偿(KinematicsComp)。精密复杂机床无论在设计还是制造过程中均有误差，包括每个轴的自由度误差和热误差。如何在各误差间建立相互关系并通过数控系统进行补偿是提高机床精密度的重要手段 。

    在KinematicsComp模型中，机床制造商可以定义机床所有轴的自由度和旋转轴的位置，并且该模型可以定义与位置相关的温度补偿信息，温度数值通过置于不同位置的温度传感器获取。该模型对精密、大型机床提高制造和轮廓精度非常有益。

    2.集成的自适应控制。集成自适应控制功能(AFC)可以根据刀具轴性能和其他工艺参数优化进给速度，从而达到提高生产效率、避免刀具破损、延长刀具寿命、防止主轴过载等目的。

    第四，操作简易。将复杂的操作简易化是数控系统追求的目标。首先。数控系统的硬件设计应该考虑人机工程学，方便人员操作。其次，在人机界面方面，一方面，应当不断提升对话式编程的境界；另一方面，在系统中集成部分CAD/CAM功能，引入DXF(一种文件格式)输入，提高手动编程的效率。