縮短數(shù)控機(jī)床加工周期時(shí)間方法的研究與探索 (下)

北京發(fā)格自動(dòng)化設(shè)備有限公司 (100015) 張 彬

2.PLC和宏程序的優(yōu)化

(1)對(duì)PLC的優(yōu)化:①縮短PLC的掃描間隔可以提高PLC的響應(yīng)速度，從而縮短機(jī)床輔助動(dòng)作時(shí)間。本次研發(fā)機(jī)床的PLC程序長(zhǎng)達(dá)330 kb，借助于CNC8065 Power系統(tǒng)強(qiáng)大的PLC處理能力，PLC的掃描時(shí)間僅為0.4 ms。設(shè)置通用機(jī)床參數(shù)LOOPTIME=3 ms，PRGFREQ=1，即每3 ms掃描一次PLC，保證了對(duì)機(jī)床輔助動(dòng)作的快速處理。②縮短M代碼的執(zhí)行時(shí)間，設(shè)置通用機(jī)床參數(shù)MINAENDW=3 ms，即等待確認(rèn)M功能結(jié)束的時(shí)間由10 ms縮短為3 ms，由于加工過(guò)程中執(zhí)行了大量的M功能，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，此措施縮短CT時(shí)間的效果十分顯著。③改進(jìn)機(jī)床輔助動(dòng)作的PLC編程，縮短輔助動(dòng)作時(shí)間。例如對(duì)刀庫(kù)實(shí)行就近找刀，縮短了尋找目標(biāo)刀具的時(shí)間。就近找刀的流程圖如圖2所示。

圖2 就近換刀的流程圖

(2)輔助動(dòng)作相關(guān)宏程序的優(yōu)化:①規(guī)劃?rùn)C(jī)床在執(zhí)行輔助動(dòng)作時(shí)軸的運(yùn)行軌跡，減少軸的空行程移動(dòng)距離。②優(yōu)化輔助動(dòng)作的時(shí)序，使軸快速定位到加工起點(diǎn)位置與換刀、轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、主軸加減速等輔助動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)軸到達(dá)加工起點(diǎn)位置后，確認(rèn)輔助動(dòng)作已經(jīng)結(jié)束，然后立即開(kāi)始加工，從而縮短等待時(shí)間。

3.進(jìn)給軸的特性調(diào)整

(1)軸動(dòng)態(tài)特性的精確調(diào)整。為了滿足高速加工對(duì)進(jìn)給軸動(dòng)態(tài)特性的要求，有必要對(duì)軸的特性進(jìn)行精確調(diào)整，一般步驟如下:①電動(dòng)機(jī)編碼器信號(hào)波形的校正，使A/B信號(hào)逼近正弦波和余弦波，從而使電動(dòng)機(jī)的反饋更加精確。②軸的負(fù)載慣量比的測(cè)量，它是加速度前饋控制的前提條件;動(dòng)靜態(tài)摩擦力矩的測(cè)量和補(bǔ)償，它可改善軸換向時(shí)的響應(yīng)。③精確調(diào)整驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)PI參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)速度正確精確跟蹤速度指令的變化。④精確調(diào)整位置環(huán)PI控制和前饋控制參數(shù)，使動(dòng)態(tài)跟隨誤差接近于0，從而保證高速切削時(shí)的輪廓精度。

得益于CNC8065系統(tǒng)內(nèi)部集成的Finetune自動(dòng)調(diào)試軟件，以上調(diào)整均能自動(dòng)完成。圖3為Finetune軟件的界面。

該自動(dòng)調(diào)試軟件能向機(jī)床發(fā)出特定的激勵(lì)信號(hào)，并根據(jù)機(jī)床的實(shí)際響應(yīng)情況自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到電氣參數(shù)與機(jī)械特性的最佳匹配。

圖3 Finetune軟件的界面

(2)抑制機(jī)床振動(dòng)。在高速加工過(guò)程中進(jìn)給軸頻繁地加減速會(huì)引起機(jī)床振動(dòng)，影響工件表面質(zhì)量，因此抑制振動(dòng)對(duì)于高速加工是一個(gè)重要課題，為此我們采取了如下措施:①對(duì)加速度的變化率進(jìn)行限制，即采用正弦－梯形加減速。是否采用加速度變化率限制對(duì)速度的影響如圖4所示。從圖4可以看出采用加速度變化率限制后軸加減速時(shí)速度更平滑，從而降低了振動(dòng)。②對(duì)機(jī)床共振頻率使用帶阻濾波器 (陷波器)，消除機(jī)床共振。③對(duì)于在執(zhí)行某些程序段時(shí)發(fā)生機(jī)床振動(dòng)，而又不能通過(guò)修改加工程序來(lái)解決時(shí)，可以使用系統(tǒng)提供的加速度控制 (G130/G131)指令和加速度變化率控制 (G132/G133)指令來(lái)人為地修改加速度和加速度變化率，達(dá)到抑制振動(dòng)的目的。

圖4 加速度變化率限制對(duì)速度的影響

4.電主軸的特性調(diào)整

本次研發(fā)的機(jī)床在加工過(guò)程中會(huì)使用15把不同刀具，每次換刀之前會(huì)進(jìn)行一次主軸降速，每次換完刀要把主軸升速至加工轉(zhuǎn)速，即加工循環(huán)中主軸要進(jìn)行30次加減速，如主軸電動(dòng)機(jī)每次加減速時(shí)間能縮短1 s，則CT時(shí)間就能縮短30 s，所以盡量降低主軸加減速時(shí)間是降低CT時(shí)間的重要手段。我們?cè)谡{(diào)試過(guò)程中采取了如下2條措施:

(1)調(diào)高RPS電源模塊的直流母線輸出電壓，當(dāng)母線電壓為575 V dc時(shí)，電主軸的加減速時(shí)間(0～36000 r/min)為5 s，調(diào)高母線電壓至625 V dc時(shí)，加減速時(shí)間縮短至2.5 s。

(2)優(yōu)化主軸驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，主要是磁通組、電動(dòng)機(jī)組、速度組的參數(shù)。此措施使主軸加減速時(shí)間由2.5 s降至1.5 s。

5.刀具壽命管理

在高速加工中隨著切削量的增大，刀具壽命下降，因此為了保證在大批量生產(chǎn)中加工的連續(xù)性，刀具的壽命管理變得十分重要。數(shù)控系統(tǒng)要能夠記憶每把刀具已經(jīng)使用的次數(shù)或時(shí)間，并在刀具壽命到達(dá)前提示操作者更換新刀具，還要方便操作者設(shè)定每把刀具的預(yù)期壽命。另外在高速加工過(guò)程中刀具過(guò)度磨損或折斷時(shí)，必須立即停止加工并提示操作者更換刀具。對(duì)于本次研發(fā)的機(jī)床，我們采取了如下2條措施確保刀具的安全高效的使用:

(1)開(kāi)發(fā)刀具壽命管理專用界面，如圖5所示。

圖5 刀具管理界面

用戶可以在上述界面中設(shè)定每把刀具的預(yù)期使用次數(shù)，并且可以監(jiān)視刀具已經(jīng)使用的次數(shù)。在PLC程序中對(duì)刀具使用次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)壽命次數(shù)時(shí)會(huì)提示更換新刀。

(2)在加工過(guò)程中，當(dāng)交換到下一把刀具，并且在這把刀具投入加工前，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行刀具磨損值的測(cè)量，如果磨損值大于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值則認(rèn)為刀具過(guò)度磨損或已折斷，系統(tǒng)給出報(bào)警并提示更換新刀具。

三、加工程序的優(yōu)化

1.采用高速高精加工指令#HSC

FAGOR的#HSC指令采用獨(dú)特的高速高精控制算法，當(dāng)加工程序是CAM生成的由微小線段組成的程序時(shí)，能夠在保證輪廓精度的前提下自適應(yīng)地調(diào)節(jié)加工進(jìn)給率和加速度，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)更加平滑，有效抑制了機(jī)床振動(dòng)，保證了加工質(zhì)量，縮短了加工時(shí)間。

指令的格式為#HSC ON［FAST，E數(shù)值］，其中“FAST”表示工作在高速模式下，“數(shù)值”用于指定輪廓誤差，正確設(shè)定該值即可在保證輪廓精度的前提下進(jìn)行高速平滑的加工。要使該指令能夠取得最佳效果，還要設(shè)定高速加工相關(guān)的機(jī)床參數(shù)。

2.運(yùn)用CAM軟件優(yōu)化加工程序

CAM軟件對(duì)于高速數(shù)控加工的影響是顯而易見(jiàn)的，正確靈活地運(yùn)用CAM軟件生成準(zhǔn)確高效的NC加工程序可以顯著縮短數(shù)控加工的CT時(shí)間。主要方法如下:

(1)刀具軌跡應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，有利于加工時(shí)能夠達(dá)到最大進(jìn)給速度。例如輪廓中的圓弧應(yīng)盡量使用圓弧插補(bǔ)代替用很多微小直線段來(lái)逼近圓弧，因?yàn)楹笳咴贑NC執(zhí)行時(shí)會(huì)在線段拐角處減速?gòu)亩辜庸r(shí)間變長(zhǎng)。

(2)分析工件輪廓特點(diǎn)，優(yōu)化刀具軌跡盡量減少空走刀。

(3)充分利用CAM軟件的刀具專家系統(tǒng)和刀具載荷分析功能，選擇合適的刀具并優(yōu)化刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率。

(4)現(xiàn)在很多CAM軟件針對(duì)縮短CT時(shí)間開(kāi)發(fā)了新功能，例如CAPSmill軟件是一款專門(mén)用于優(yōu)化加工過(guò)程縮短CT的CAM軟件，有CT時(shí)間預(yù)估和分析功能，它不但考慮每個(gè)加工步驟的時(shí)間，還考慮軸加減速時(shí)、主軸加減速、換刀、M代碼執(zhí)行等時(shí)間。充分利用這些功能可以線下估計(jì)CT時(shí)間、合理地調(diào)整和安排各個(gè)加工步驟，并且能直觀的看到調(diào)整后的結(jié)果，使加工程序在投入試加工之前即已得到優(yōu)化。

(5)合理規(guī)劃粗加工和精加工的切削量和進(jìn)給率，提高粗加工的速度，并且使精加工之前留在工件表面的余量盡量少而均勻。圖6是CAPSmill軟件的粗精加工切削速度和切削量的優(yōu)化。

圖6 粗精加工的優(yōu)化

四、結(jié)語(yǔ)

如何縮短加工周期時(shí)間是進(jìn)行大批量產(chǎn)品加工的數(shù)控機(jī)床面臨的一個(gè)重要課題，要從機(jī)床、工件、刀具、加工工藝等多方面綜合考慮。本文提出的從電氣控制系統(tǒng)的硬件選型、數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試、加工程序的優(yōu)化三方面縮短數(shù)控機(jī)床CT時(shí)間的方法，在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)正。 (全文完)