高質(zhì)量的模具 高效率的機(jī)床
時(shí)間:2011-06-03 08:29:57 來源:未知
要加工出高質(zhì)量的模具，必須有適于模具加工特性且具有高效率的數(shù)控機(jī)床。
在iTNC 530系統(tǒng)控制下的輪廓高速加工實(shí)例
隨著中國(guó)模具工業(yè)的發(fā)展，模具加工所要求的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率也越來越高。要加工出高質(zhì)量的模具，必須有適于模具加工特性且具有高效率的數(shù)控機(jī)床。而卓越的高速加工功能、五軸聯(lián)動(dòng)加工功能和友好的人機(jī)界面是該類機(jī)床所追求的目標(biāo)。
機(jī)床要滿足高的性能要求，需要從下列各個(gè)方面入手：(1)機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)：機(jī)械高剛性，運(yùn)動(dòng)部件低質(zhì)量；(2)進(jìn)給設(shè)計(jì)：高的加速能力和大的速度控制范圍能力；(3)主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)：高軸速度、低得不均勻性和好的速度穩(wěn)定性；(4)刀具：適于高速加工要求；(5)數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)量反饋等。
海德漢公司是一家擁有100多年歷史的專門生產(chǎn)高精密測(cè)量元件和數(shù)控系統(tǒng)的跨國(guó)集團(tuán)公司。所生產(chǎn)的高性能數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)量反饋元件在模具加工和高精密加工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。圖1為海德漢公司提供的在高性能機(jī)床上使用的整套數(shù)控系統(tǒng)和測(cè)量反饋元件。本文對(duì)在模具行業(yè)得到廣泛認(rèn)同的海德漢的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
圖1 海德漢iTNC 530控制系統(tǒng)
iTNC 530系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)的好壞決定控制系統(tǒng)能否適合于高速、高精以及高表面質(zhì)量加工。iTNC 530采用全新的微處理器結(jié)構(gòu)，具有非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。iTNC 530控制系統(tǒng)具有可控制達(dá)12軸，控制器本身包含了主機(jī)單元(MC)和控制單元(CC)兩個(gè)部分。
主機(jī)單元(MC)采用了奔騰III-800芯片、133MHz總線頻率，這是進(jìn)行所有計(jì)算、屏幕顯示和數(shù)據(jù)通信的保證。iTNC530所有的實(shí)時(shí)任務(wù)均在自己開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(HEROS)下完成，而且也可提供帶雙處理器的主計(jì)算機(jī)，它既可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算和穩(wěn)定性能，同時(shí)又能滿足用戶對(duì)Windows應(yīng)用程序的需求。同時(shí)主機(jī)單元中的存儲(chǔ)是通過容量達(dá)30G的硬盤實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)復(fù)雜模具加工提供了充足的存儲(chǔ)空間。主機(jī)單元帶有各類數(shù)據(jù)通信接口(Ethernet/RS232/RS422/USB等)，所配備的快速以太網(wǎng)通信接口能以100Mb/s的速率傳輸程序數(shù)據(jù)。
控制單元(CC)最新的設(shè)計(jì)中集成了控制系統(tǒng)的所有伺服控制回路(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))，所有的伺服計(jì)算都在DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)中完成。從而測(cè)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(yōu)勢(shì)在于：保證伺服計(jì)算快速和實(shí)時(shí)要求，減小各伺服回路周期，減少各個(gè)回路間的通信延遲，可在位置回路實(shí)現(xiàn)高增益，實(shí)現(xiàn)高速和高表面質(zhì)量加工，并可很好地控制直接驅(qū)動(dòng)(直線電機(jī)和力矩電機(jī))。
驅(qū)動(dòng)配套：可以根據(jù)需要提供全套的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)，包括變頻器模塊、電源模塊和伺服電機(jī)及主軸電機(jī)。同時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)還具有很好的開放性能，能夠連接第三方的變頻器或電機(jī)，組成全套數(shù)字系統(tǒng)。由于iTNC 530特殊的控制單元設(shè)計(jì)，所有的伺服運(yùn)動(dòng)控制均在控制單元中實(shí)現(xiàn)，其輸出為數(shù)字PWM信號(hào)，因而后續(xù)的變頻器主要為運(yùn)算放大功能。
好的伺服控制和高速控制能力
針對(duì)復(fù)雜的曲面，如果要實(shí)現(xiàn)高速、高精和高表面質(zhì)量加工，在具備好的硬件基礎(chǔ)上控制系統(tǒng)軟件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(jī)床所加工的典型零件。以下幾點(diǎn)為高性能加工機(jī)床控制系統(tǒng)所需的一些特性：
在強(qiáng)大硬件的支持下，iTNC 530采用了全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其位置控制器、速度控制器和電流控制器全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。數(shù)字電機(jī)控制技術(shù)能獲得非常高的進(jìn)給速率。iTNC 530在同時(shí)插補(bǔ)多達(dá)5軸時(shí)，還能使轉(zhuǎn)速高達(dá)40000 r/min的數(shù)控主軸達(dá)到要求的切削速度。
#p#分頁標(biāo)題#e#先進(jìn)的前饋伺服技術(shù)越來越多地將程序段處理放在后臺(tái)執(zhí)行。即使如此，對(duì)有些加工任務(wù)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)短的程序段處理時(shí)間(0.5ms)和短的各控制回路周期(位置環(huán)周期為100ms)以及各類插補(bǔ)(直線/圓弧/螺旋線/樣條)。
iTNC 530還具有1024段(可通過機(jī)床參數(shù)設(shè)置)預(yù)讀功能。“預(yù)讀”功能能預(yù)測(cè)方向的未來變化，來調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度使之符合編程表面要求。當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，iTNC 530可以根據(jù)需要自動(dòng)降低進(jìn)給速率，因此在編程進(jìn)給速率時(shí)只需用最高加工速度，iTNC 530能自動(dòng)根據(jù)工件輪廓調(diào)整實(shí)際速度，節(jié)省加工時(shí)間。內(nèi)置的過濾器能顯著抑制各機(jī)床的固有頻率，同時(shí)保證所需的表面精度。同時(shí)，iTNC 530可實(shí)現(xiàn)各種誤差補(bǔ)償，包括線性和非線性軸誤差、反向間隙、圓周運(yùn)動(dòng)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(shù)控系統(tǒng)必須能快速傳輸大量數(shù)據(jù)，允許高效編輯長(zhǎng)程序并使加工出的工件具有理想輪廓，這都是iTNC 530所具備的優(yōu)點(diǎn)。除了NC程序外，最終用戶也可以通過固定循環(huán)指定輪廓加工的精度。只需用循環(huán)向數(shù)控系統(tǒng)輸入最大允許的與理想輪廓的偏差。iTNC 530將自動(dòng)按所要求的偏差調(diào)整加工而且它能保證不損壞輪廓。
圖2 高速加工機(jī)床加工的零件樣例
要機(jī)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)加速，但同時(shí)會(huì)造成機(jī)床的振動(dòng)，從而使所加工的表面出現(xiàn)條紋，降低了表面加工質(zhì)量；如果加加速過小，可以實(shí)現(xiàn)高的表面質(zhì)量，但很難實(shí)現(xiàn)快加速功能。因此，如何保證高速和高表面質(zhì)量非常重要。iTNC 530系統(tǒng)采用限制加加速值并利用過濾器對(duì)加加速度進(jìn)行了光滑處理來實(shí)現(xiàn)上述功能。通過該功能的使用既可以減少加工中由于加加速突變而產(chǎn)生的機(jī)床振動(dòng)而實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量加工，同時(shí)又能達(dá)到機(jī)床良好的加減速性能。
在控制系統(tǒng)執(zhí)行完插補(bǔ)功能以后，產(chǎn)生名義位置值提供給后續(xù)的位置回路。大家知道，實(shí)現(xiàn)高速、高精和高表面質(zhì)量要求與很多因素相關(guān)，尤其是機(jī)床本身的動(dòng)態(tài)性能。iTNC 530系統(tǒng)提供了不同類型的內(nèi)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(tǒng)可根據(jù)用戶的不同需求和機(jī)床本身的動(dòng)態(tài)性能確定采用哪種過濾器，它可通過設(shè)置不同的參數(shù)完成。當(dāng)然，為盡可能地充分發(fā)揮機(jī)床本身的動(dòng)態(tài)性能，海德漢公司提供了一系列的調(diào)試工具，可以方便各機(jī)床制造商進(jìn)行調(diào)試。