用于制造城市公交電車空中電纜線夾緊用絕緣零件的鍛模，現(xiàn)在直接用淬火鋼(硬度52HRC)通過(guò)高速銑削加工制造。與先制造石墨電極然后采用電火花加工的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法比較，這種硬銑加工能夠節(jié)省大量時(shí)間，但要求應(yīng)用專門的刀具和適當(dāng)?shù)母咚巽娤鞑呗?。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造過(guò)程中，首先根據(jù)產(chǎn)品的功能與設(shè)計(jì)要求用CAD系統(tǒng)畫出其型面草圖，然后按HSC銑削策略用CAM系統(tǒng)把粗精加工的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡精確計(jì)算出來(lái)，并編入計(jì)算機(jī)數(shù)控加工程序。其中零件表面的復(fù)雜輪廓曲線，采用一段段直線或圓弧、拋物線等二次曲線乃至其它高次曲線去逼近。數(shù)控加工程序按逼近線段的交點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)劃分程序段。在允許誤差范圍內(nèi)，逼近線段跨越的近似區(qū)間愈大則節(jié)點(diǎn)數(shù)愈少，相應(yīng)地程序段就愈少。
CNC系統(tǒng)的基本任務(wù)，是根據(jù)已編制的零件加工程序，計(jì)算出沿機(jī)床各坐標(biāo)軸的進(jìn)給指令，分別驅(qū)動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)以獲得所需的刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中需要進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算處理。此時(shí)CNC的簡(jiǎn)單軌跡描述，與CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述有本質(zhì)區(qū)別。對(duì)高速切削(HSC)的主要要求有能夠加工三維復(fù)雜曲線和曲面，切削速度、效率和加工質(zhì)量高。所謂復(fù)雜曲線和曲面，是指它們形狀比較復(fù)雜、不能用二次方程來(lái)描述，也稱為自由曲線和自由曲面。
一、計(jì)算機(jī)數(shù)控插補(bǔ)
插補(bǔ)的任務(wù)是根據(jù)要求的進(jìn)給速度和允許誤差，在每一逼近線段指定的軌跡運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值。由于計(jì)算每個(gè)中間點(diǎn)坐標(biāo)所需的時(shí)間直接影響CNC的控制速度，計(jì)算精度又影響控制精度，因此插補(bǔ)算法對(duì)CNC系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
1、直線插補(bǔ)
直線和圓弧是構(gòu)成零件輪廓的基本線條，一般CNC系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能?，F(xiàn)今占主導(dǎo)地位的直線插補(bǔ)計(jì)算簡(jiǎn)便，應(yīng)用最廣泛，但存在一系列問(wèn)題需要克服解決。常規(guī)CNC系統(tǒng)在直線插補(bǔ)時(shí)，必需采用高精度的表面描述來(lái)作出近似，即要求選取小的弦線誤差。零件表面輪廓復(fù)雜、曲線曲率變化較大時(shí)，就需要增加中間計(jì)算點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)致數(shù)控程序擴(kuò)大和執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)好幾十MB規(guī)模的局部程序。CNC系統(tǒng)有一定的工作節(jié)奏即插補(bǔ)周期T，通常為1～10ms。它與插補(bǔ)周期運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)L(mm)和最大進(jìn)給速度Fmax(m/min)的關(guān)系是Fmax=60(L/T)。
直線插補(bǔ)形成一條多邊形導(dǎo)線。嚴(yán)格沿這條導(dǎo)線進(jìn)行軌跡加工，在直線段的轉(zhuǎn)折過(guò)渡之處會(huì)產(chǎn)生高的軸向加速度。理論上這種加速度趨于無(wú)窮大。數(shù)控系統(tǒng)必須確保不超越各坐標(biāo)軸的動(dòng)力特性即最大允許加速度。這只能通過(guò)在尖角處大大降低軌跡運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)果是降低機(jī)床生產(chǎn)率。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒(méi)有隨動(dòng)功能，加速度的跳躍還可引起機(jī)床振動(dòng)，并且造成機(jī)床各進(jìn)給軸極大的負(fù)荷?？偠灾?，直線插補(bǔ)在工件表面不僅產(chǎn)生棱面，也產(chǎn)生振動(dòng)圖形。
2、樣條插補(bǔ)
與直線插補(bǔ)相比，圓弧、拋物線、橢圓、雙曲線等二次曲線插補(bǔ)較精確，其中圓弧插補(bǔ)最為常用。而直接處理樣條程序段的NURBS(非均勻有理B樣條)插補(bǔ)方法有許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在同樣精度下一條樣條程序段能替代5至10條直線程序段。迄今為止流行的多邊形的編程，將為直接從CAM系統(tǒng)傳遞樣條軌跡描述的方法，或者通過(guò)CNC內(nèi)部的幾何轉(zhuǎn)換即壓縮直線程序段所替代。
二、 計(jì)算機(jī)數(shù)控的其它功能
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)建立在數(shù)字信號(hào)處理和總線聯(lián)系各部件的基礎(chǔ)之上，并且使用高度集成的電子元器件。用于HSC的CNC最重要的功能之一是精確地控制進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和滾珠絲桿，它們之間傳統(tǒng)的模擬式連接現(xiàn)在為數(shù)字化調(diào)節(jié)和數(shù)字化總線并行聯(lián)系的驅(qū)動(dòng)所替代。用于HSC技術(shù)的數(shù)字化總線并行聯(lián)系驅(qū)動(dòng)接口具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如可以大大提高CNC的分辨率從而提高精度，可以削弱消除網(wǎng)絡(luò)中的干擾，消除漂移及其不利作用，避免模擬量噪聲在工件表面產(chǎn)生圖形花紋，能夠?qū)Ρ姸嗟尿?qū)動(dòng)功能作詳細(xì)的診斷分析，便于投入運(yùn)行和在CNC中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化。
通過(guò)補(bǔ)償機(jī)床剛度和軌跡誤差例如限制反轉(zhuǎn)和預(yù)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，有多種多樣的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可以提高生產(chǎn)率和零件加工精度。采用數(shù)字化驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的數(shù)字化轉(zhuǎn)速和位置檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)更高階的調(diào)節(jié)算法，尤其是通過(guò)預(yù)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來(lái)補(bǔ)償由慣性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的軌跡誤差，這在軌跡進(jìn)給速度高、產(chǎn)生拖動(dòng)誤差時(shí)意義尤為重大。此外，它能夠自動(dòng)完成例如頻率和圓度等多種檢測(cè)，能夠自動(dòng)優(yōu)化補(bǔ)償例如借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行象限誤差補(bǔ)償，可以連接直接直線驅(qū)動(dòng)裝置如直線電動(dòng)機(jī)，可以用CNC處理器和驅(qū)動(dòng)處理器來(lái)雙重保障機(jī)床的安全性。
1、用于HSC的CNC功能
軌跡運(yùn)動(dòng)速度很高時(shí)，只有通過(guò)無(wú)拖動(dòng)誤差的調(diào)節(jié)策略才能滿足加工精度的要求，并且速度增益在通常的Kv=1～4(m/min)/mm 時(shí)沒(méi)有阻尼存在，所以進(jìn)給軸的插補(bǔ)控制意義重大。為了滿足HSC的特殊要求，必需研究開(kāi)發(fā)新的軌跡插補(bǔ)、速度控制以及幾何變換方法。
上節(jié)說(shuō)明了精確描述加工軌跡的高次插補(bǔ)方法和快速插補(bǔ)技術(shù)。除此之外，用于HSC的CNC必須滿足以下要求：即超過(guò)100條程序段的速度預(yù)控制(前瞻功能)，補(bǔ)償機(jī)械誤差；可進(jìn)行幾何變換(如夾緊時(shí)的修正或5軸變換)；進(jìn)給軸無(wú)拖動(dòng)誤差的調(diào)節(jié)以確保高的軌跡精度；在軌跡方向和軸向限制反向以保護(hù)機(jī)床，刀具長(zhǎng)度、半徑、類型不同時(shí)的補(bǔ)償；在機(jī)床工作空間內(nèi)能夠安全操作。
2、速度預(yù)控制
速度預(yù)控制(前瞻)的任務(wù)，是識(shí)別速度不連續(xù)的程序段過(guò)渡和由軌跡彎曲所引起的進(jìn)給軸過(guò)高的加速度。數(shù)控程序段的執(zhí)行時(shí)間，比對(duì)切削加工速度必需的加速和制動(dòng)梯度時(shí)間還要短。連續(xù)處理數(shù)控程序段的前提是具備一個(gè)處于預(yù)先監(jiān)視下的程序緩沖區(qū)。需要注意的是，在軌跡進(jìn)給速度高和程序段短的時(shí)候，技術(shù)上必需的低加速度會(huì)使速度預(yù)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沖區(qū)，就必須限制軌跡進(jìn)給速度，以便使程序任何位置上的制動(dòng)梯度時(shí)間都能得到遵守。
3、多軸變換與坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償
在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的三維加工例如加工斜面，需要增加離線計(jì)算的程序中必需的數(shù)據(jù)量。同時(shí)需要在CNC程序中計(jì)算確定刀具參數(shù)如刀具類型、半徑和長(zhǎng)度。通過(guò)CNC內(nèi)的幾何變換，可以直接在機(jī)床上進(jìn)行刀具補(bǔ)償而省略后處理過(guò)程。
用球頭銑刀作3軸加工，只能利用5軸銑床生產(chǎn)能力的一小部分。只有使用圓柱和圓環(huán)銑刀，才能發(fā)揮達(dá)到高的切削效率。為了在高質(zhì)量加工任意輪廓表面的同時(shí)達(dá)到最大切削效率，要求它們相對(duì)銑刀軌跡有確定的空間方向。為保證刀具接觸點(diǎn)落在軌跡上，在傳統(tǒng)的用旋轉(zhuǎn)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(dān)在刀具方向改變時(shí)保持刀尖的空間位置不變的任務(wù)。編程的進(jìn)給參數(shù)只涉及刀尖的空間軌跡。刀具的方向可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)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(duì)不同類型(如圓柱、圓環(huán)以及錐環(huán))銑刀的空間幾何參數(shù)的修正更具有補(bǔ)充作用，結(jié)果可以對(duì)相同的NC程序應(yīng)用不同的刀具。
極坐標(biāo)變換主要用于車削加工中心、非圓磨削以及高速銑削圓形或螺旋形零件。把旋轉(zhuǎn)軸與直線移動(dòng)軸相結(jié)合，可以避免改變直角坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向以及引起理論軌跡的偏差。這種變換的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)給的編程只與刀具軌跡有關(guān)，而不是象在旋轉(zhuǎn)軸編程中那樣與角速度有關(guān)。在這種變換中可以應(yīng)用所有的插補(bǔ)方法(直線、圓弧、樣條)編程。由CNC負(fù)責(zé)刀具補(bǔ)償計(jì)算并監(jiān)視軌跡方向和進(jìn)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(shí)所有幾何表述和進(jìn)給以零件表面為基準(zhǔn)，與圓柱半徑大小無(wú)關(guān)。
4、誤差補(bǔ)償
只要費(fèi)用許可，就應(yīng)當(dāng)要求CNC系統(tǒng)補(bǔ)償機(jī)床的靜態(tài)誤差、熱誤差以及進(jìn)給軸調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)誤差。這樣能夠達(dá)到零件的加工精度，過(guò)去機(jī)械補(bǔ)償時(shí)需要花費(fèi)高昂代價(jià)才能夠達(dá)到。對(duì)HSC技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義的誤差補(bǔ)償有：補(bǔ)償由于絲桿轉(zhuǎn)速高和進(jìn)給軸速度高引起它們溫度上升導(dǎo)致的熱誤差，補(bǔ)償進(jìn)給軸換向點(diǎn)處的摩擦誤差(象限誤差)，補(bǔ)償絲桿導(dǎo)程誤差和測(cè)量系統(tǒng)誤差，借助于插補(bǔ)技術(shù)補(bǔ)償機(jī)床的角度和撓度變形誤差，補(bǔ)償間接測(cè)量的軸的松弛之處。
在高速切削加工的計(jì)算機(jī)數(shù)控中采用NURBS樣條插補(bǔ)，可以克服直線插補(bǔ)時(shí)控制精度和速度的不足。通過(guò)高速計(jì)算機(jī)數(shù)控的速度預(yù)控制，多軸變換與坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償、誤差補(bǔ)償、勞動(dòng)安全保護(hù)等其它功能，不僅能夠提高進(jìn)給速度和切削效率，而且能夠提高復(fù)雜輪廓表面的加工精度和人員設(shè)備的安全性。高速切削加工對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)提出的高新技術(shù)要求，只有應(yīng)用數(shù)字化驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)和總線技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)。
目前生效的安全保護(hù)條例，對(duì)幾乎所有類型的機(jī)床都規(guī)定用罩殼封閉機(jī)床工作空間。這妨礙操作者在許多場(chǎng)合下必要地介入數(shù)控程序的運(yùn)行。特別是在模型和模具制造中的大型機(jī)床上，操作者或機(jī)床安裝調(diào)試人員在程序自動(dòng)運(yùn)行中熟練地進(jìn)行鑒別或許還有校正是非常重要的。出于安全原因，這一要求只能通過(guò)CNC中規(guī)模龐大的限制和監(jiān)視系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了硬件監(jiān)視的機(jī)床功能以外，首先包括對(duì)絲桿轉(zhuǎn)速和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的可靠的雙通道監(jiān)控。
