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高速加工对数控系统的要求

作者：南京四开电子企业有限公司陆启建刘明灯

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1、前言

高速加工技术的飞速发展得到了学术界和工业界的广泛关注，现在高速数控机床正逐渐取代普通数控机床，成为数控技术发展的主流。一般讨论高速数控机床时都提到高主轴转速、以及高的快移速度，对实际加工有关的指标很少提到，特别是高的加速度对加工精度的重要作用的讨论较少，例如在复杂曲面的高速加工中，对大量微小线段（0.1~0.5mm）构成的NC代码，在保证加工轮廓精度的条件下，机床的进给速度究竟能达到多少？高速高精度加工对床结构、功能部件、进给系统、刀具等都有相当的要求，由于这些方面的文献和介绍比较多，在此我们不多讨论。本文主要针对高速数控机床对数控系统的基本要求以及高速数控系统在实际高速加工中的作用及特点、要求作一些有关的探讨。

2、足够高的进给加速度是高速加工精度的保证

高速加工主要是指主轴的高转速和高的进给速度以及高的进给加速度，前两者的关系有下面的公式来表达：

主轴转速：N=Vc/dπ；
进给速度：Vt=fzZN；

fz ——— 每一刀刃在一转中所切削的厚度，单位：mm；
Z ——— 铣刀的刃数；
Vc ——— 刀具的线速度，单位：mm/min；
d ——— 刀具的直径

将N代入上式，得出进给速度：Vt＝fzZVc/dπ

即在选定了刀具和切削用量的情况下，进给速度与主轴的转速成正比，因此，高速加工机床不仅要有高的主轴转速，也应具备与主轴转速相匹配的高的进给速度（不仅仅是高的空行程速度）。此外，为了保证加工轮廓的高精度，机床还必须具备高的进给加速度，如果一台高速机床没有足够高的进给加速度，那么它是无法高速地进行高精度复杂曲面轮廓的加工的，因为它无法胜任加工复杂曲面时根据不同的曲率半径在最短的时间内不断地调整进给速度的需要。

3、高精度插补是数控系统高速、高精度化的基础

CNC的伺服系统执行的是NC代码经数控系统离散后的数据，高速、高精度的加工首先要求的是极短的插补周期和高的计算精度，如FANU16i采用纳米级的位置指令进行计算和数据交换。

插补周期 △T=△L/F

如△L不变，F提高一倍，插补周期△T减少一倍，在高精度轮廓加工中，要减少弦高误差ε，还需要减小△L，这样更需要短的插补周期△T(图1)。

而当采样周期△T变小后如果计算精度不足够高，就会产生误差，而且还会影响伺服速度的平稳性和连续性。例如在XY平面上插补一直线（图2），插补周期0.5ms，进给速度6m/min，Vy=6×sin2=0.209m/min; 每插补周期Y轴位置增量△LY=Vy×△T=1.74μm，显然如果系统插补计算精度为1μm，不仅影响轮廓误差，还造成Y轴运行中理论速度不平稳和不连续。

四开公司的SKY2003N型数控系统中插补精度为1纳米（0.001μm，），采样周期和插补周期为0.4ms～0.1ms。

4、前馈控制减少伺服系统滞后，补前加减速消除插补后加减速输出理论差

CNC的伺服系统是复杂的控制系统，传统伺服控制系统主要是对伺服位置偏差、速度偏差进行PID调节控制，由于没有利用已知的后继插补输出条件、机床移动部件的惯性、摩擦阻尼滞后等信息，在高速加工中的动态跟随误差会比较大。在现代数控系统中，一般采用前馈控制减少伺服系统滞后，如SIEMENS840Di数控系统采用的速度前馈及转矩前馈跟踪误差补偿等技术。

4.1 伺服前馈控制减小摩擦、系统惯性等引入的跟随误差

由于复杂曲面高速加工中各轴的速度都是高速变化的，为了减小复杂曲面机床系统动态过程的误差，可通过有效的摩擦前馈和加速度前馈改善动态特性。一般伺服驱动系统对扭矩或推力指令的响应较快而速度环和位置环响应滞后，因此在现代数控系统（如SKY2000 型数控系统）中为了加快伺服驱动器速度环、位置环响应速度，用控制系统来完成电机的速度、位置闭环（见图3），伺服驱动器只控制电流环。图3为SKY2000型数控系统的速度环、位置环控制框图，摩擦前馈Fc可对机械系统摩擦阻力、垂向重量不平衡提前补偿，加速度前馈Kaff可对机械运动惯量提前补偿，在实际应用中可使机床动态响应误差接近为零。

图3
Fc——摩擦前馈Kaff——加速度前馈 Kp 比例增益 T 电机扭矩或推力指令
Kvff——速度前馈 Ki——误差积分 Kd 微分增益

4.2 插补前加减速处理使加减速输出合成轨迹不变

插补后各轴分别加减速使实际输出轨迹偏离插补轨迹（图4b），高速加工中插补后不论采用哪种模式加减速（指数、直线形加减速）都会产生更大轮廓误差，由于计算机CPU的运算速度和能力大大提高，在现代数控系统中一般都由软件实现补前加减速计算预测处理（图4c），使加减速后输出的空间合成轨迹与理论轨迹基本不变。

图4

5、续轮廓前瞻控制（Look ahead）

高速加工中超前路径加减速优化预处理就象在各种路面开汽车一样，路面好，前面没有急转弯你可以油门加大开快一些，如果前面有拐弯你得提前减小油门开慢一些。在高速加工中G代码就是路面，电机就是你的汽车，为了保证机床在高速运动条件下的精度和平稳性，系统必须看到将要执行的一系列空间待加工路径，并根据速度看得足够远。在多轴联动控制时可根据程序预处理缓冲区里G代码（SKY2000高速加工系统提前处理程序段允许2500行）,由各轴的理论加减速与各轴实际允许加减速对比决定是否降低当前速度或提高到理论速度，也就是根据园弧曲率半径的大小，动态地调节进给速度，其工作原理是：首先为不同半径的园弧设定一个最大允许进给速度，当数控系统发现待加工的某段园弧的最大允许进给速度小于其编程速度时，它将自动把进给速度降低到该段园弧的最大允许进给速度。如果数控系统发现待加工的路径比较平直，则立刻将进给速度提高到所允许的最大理论允许进给速度，由机床数控系统在保证加工精度的条件下使机床尽可能在最大理论速度下进行工作，它可以在每秒钟内2000～10000次的改变进给速度来达到上述目的。

数控机床在复杂曲面的高速加工中，由于NC数据密集、数据段矢量距离短，只处理两段数据间的补前加减速会产生过大的减速度，仅采取冲击平滑处理将有较大的轮廓误差。

如图5a所示轨迹，高速加工时理论速度为V，在拐角处Pi的速度与机床动态加减速特性有关，即与机床主轴允许的加速度a，加减速允许变化率J=da/dt有关（即运动作用力变化率减小冲击）。要保证高的轮廓精度，必需根据速度V、各轴允许加速度a及加速度变化率j提前确立减速点Pk及Pi至Pk各段的加速度及速度保证各点的轮廓精度，而一般系统只提前计算Pi-1至Pi的加减速，在高速加工中误差较大（图5b）。

5.1 预测合理加减速程序段

在运动质量一定的条件下推力与加速度成正比即F=ma。对于直线电机驱动的机床所能达到的加速度amax与机床运动部件的质量和直线电机的推力有关，对于回转伺服驱动的机床与折算到电机轴的转动惯量和电机扭矩有关。

数控系统在加减速预处理时必须考虑机床所能达到的最大加速度，同时必须考虑机床平稳运行的加速度变化率，才能机床的保证动态精度。在SKY2000型数控系统中，多段NC代码连续轮廓的前瞻处理步骤如下：

(1) 调试时确定各轴在保证跟踪精度的前提下其最大加速度aimax及机床运行平稳的最大加速度变化率 jimax（j=da/dt）。

(2) 由各轴的aimax 及jimax确定大小圆弧最大速度。

(3) 由各轴的aimax 及jimax确定微线段连续运行时各程序段间允许速度及加速度，并递推预测合理减速程序段（多段程序缓冲器要足够大，保证向前搜索范围满足要求）。

图5c是通过多段NC代码前瞻优化处理后的实际轮廓轨迹，在SKY2000数控系统中高速高精度轮廓控制方式见图6。

图6

5.2 高速加工前瞻处理的一般要求

(1) 由于多段预测计算复杂，插补和预处理最好二个CPU并列处理，保证数据连续性、实时性。
(2) 插补时前馈控制减小加速度、摩擦变化等引起的误差。
(3) 机床结构设计中工件最好不动，各轴惯量一定，使控制简化，参数最优。
(4) 合理采用新传动元件（如直线电机）增大各轴允许加速度及加速度变化率，可减小预测程序段数，提高运行效率。
(5) 采用大容量NC代码储存器(40G以上)或高速传输方式（如速度大于10M的以太网，采用TCP/IP通讯协议）避免一般传输引起的数据饥饿现象。

6、要求系统对高速采样截尾误差的精确预估以保证系统运行的平稳性

在多坐标高速采样插补中，由于采样插补周期很短（SKY2000数控系统中，速度环、位置环采样周期为0.1ms），而反馈光栅的分辨率有限，因此在低速运行时有的坐标轴可能几十个采样周期才有一个位置脉冲，不管运行速度如何，在高速采样的任何时刻，脉冲的采样截尾误差相对于实时采样速度、位置的变化量都比较大，不能忽略。例如：系统的采样周期0.1ms，系统在当前采样周期计数器的脉冲数为1002，上一采样周期为1000,一般认为电机在0.1ms内移动2个脉冲，但电机的实际移动量可能是2到3 个脉冲之间，所以在控制系统中根据采样历史数据对当前采样截尾误差的精确估算，对高速采样系统运行的动态平稳性、精确性具有重要的意义。

7、案例

(1) 如图所示的SKDK5060新型雕铣机床

配有SKY2000型数控系统和高精度直线滚动导轨以及转速达24000转/min的电主轴。该机器以3～5米/min的进给速度插补铣削直径100mm的圆，其不圆度小于0.005～ 0.008mm。

(2) SKY—N系列数控系统

SKY2000N型网络数控系统是南京四开公司在2001年推出的具有中国自主知识产权的当今世界上最顶尖的CNC系统，硬件全部为国际化采购，软件的核心部分在美国开发，其功能和性能与FANUC160i、西门子840Di以及德国海德汉iTNC530数控系统相当或更高。它控制核心采用DSP高速数字处理器，管理核心采用奔腾III处理器，操作平台采用Windows2000系统,除了具有一般高档数控系统所具有的功能以外，还具有世界领先水平的3—D刀具补偿功能（5轴联动机床加工的关键功能）；高达2500～ 5000程序段的满足高速加工的提前预处理功能（所谓前瞻控制）；它还具有很强的抑制外部扰动力的能力，适合控制高速高精度的直线电机；具有标准以太网（TCP/IP）接口的网络功能等等。该系统可以满足各种机床（包括数控铣床、加工中心、数控车床、各种磨床等等）的高速高精度的控制。

轴数 6轴（联动）＋主轴（可以选择8轴或16轴）；
内部运算及交换数据分辩率：0.001微米（1纳米，即所谓的纳米插补）；
系统最小指令增量0.1微米；
段处理时间BPT 0.1ms；
5轴加工功能（三维空间刀具半径和长度补偿）；
斜加工平面；
对倾斜轴的空间机械几何精度自动补偿；
双端驱动功能；
各种误差补偿：全行程直线补偿、非线性弯曲补偿、双向螺距补偿、间隙补偿、过象限补偿、刀具偏置和热膨胀、静摩擦、动摩擦补偿等；
提前预处理（前瞻控制）2500～ 5000程序段；（FANUC16i数控系统为600程序段）；
粗插补周期 2ms；
细插补周期 0.1ms；
加工动态轨迹显示功能；
进给轴或主轴的功率显示及控制功能；
加工时间的显示。

8、结束语

对于高速高精度的运动控制，缩短采样周期，提高插补精度是前提。同样，由于机床允许的加速度及加速度变化率的限制，要保证机床运行的平稳性及动态的精度，足够数量程序段的前瞻处理优化也是必不可少的。同时，在密集数据处理中不能有数据传输瓶颈，预处理时间要短，从而保证机床连续地高速运行。有了这些基础，通过伺服前馈控制才能减小跟踪误差，在保证高精度的前提下实现高速加工。

参考文献
[1] 张伯霖《高速切削技术及应用》机械工业出版社
[2] 陈烨《超高速数控机床控制系统的发展》制造技术与机床 2002（5）
[3] J.H.绍克《高速切削在模具加工中的应用与发展趋势》航空制造技术 2000（3）
[4] 梁彦学《我国高速加工系统工程技术现状及发展趋势》CAD/CAM与制造业信息化2004（6）
[5] KaKinoY, Mstsubara A High speed and hig(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/23/2005)


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