要加工出高質量的模具，必須有適于模具加工特性且具有高效率的數(shù)控機床。
隨著中國模具工業(yè)的發(fā)展，模具加工所要求的加工精度、表面質量和加工效率也越來越高。要加工出高質量的模具，必須有適于模具加工特性且具有高效率的數(shù)控機床。而卓越的高速加工功能、五軸聯(lián)動加工功能和友好的人機界面是該類機床所追求的目標。
機床要滿足高的性能要求，需要從下列各個方面入手：(1)機床機械設計：機械高剛性，運動部件低質量；(2)進給設計：高的加速能力和大的速度控制范圍能力；(3)主軸系統(tǒng)設計：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)高精密測量元件和數(shù)控系統(tǒng)的跨國集團公司。所生產(chǎn)的高性能數(shù)控系統(tǒng)和測量反饋元件在模具加工和高精密加工領域中得到了廣泛的應用。圖1為海德漢公司提供的在高性能機床上使用的整套數(shù)控系統(tǒng)和測量反饋元件。本文對在模具行業(yè)得到廣泛認同的海德漢的iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)進行簡單介紹。
iTNC 530系統(tǒng)的硬件設計
硬件設計的好壞決定控制系統(tǒng)能否適合于高速、高精以及高表面質量加工。iTNC 530采用全新的微處理器結構，具有非常強大的計算能力。iTNC 530控制系統(tǒng)具有可控制達12軸，控制器本身包含了主機單元(MC)和控制單元(CC)兩個部分。
主機單元(MC)采用了奔騰III-800芯片、133MHz總線頻率，這是進行所有計算、屏幕顯示和數(shù)據(jù)通信的保證。iTNC530所有的實時任務均在自己開發(fā)的實時操作系統(tǒng)(HEROS)下完成，而且也可提供帶雙處理器的主計算機，它既可以保證系統(tǒng)的實時計算和穩(wěn)定性能，同時又能滿足用戶對Windows應用程序的需求。同時主機單元中的存儲是通過容量達30G的硬盤實現(xiàn)的，這對復雜模具加工提供了充足的存儲空間。主機單元帶有各類數(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)最新的設計中集成了控制系統(tǒng)的所有伺服控制回路(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))，所有的伺服計算都在DSP(數(shù)字信號處理器)中完成。從而測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)勢在于：保證伺服計算快速和實時要求，減小各伺服回路周期，減少各個回路間的通信延遲，可在位置回路實現(xiàn)高增益，實現(xiàn)高速和高表面質量加工，并可很好地控制直接驅動(直線電機和力矩電機)。
驅動配套：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及主軸電機。同時，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，組成全套數(shù)字系統(tǒng)。由于iTNC 530特殊的控制單元設計，所有的伺服運動控制均在控制單元中實現(xiàn)，其輸出為數(shù)字PWM信號，因而后續(xù)的變頻器主要為運算放大功能。
好的伺服控制和高速控制能力
針對復雜的曲面，如果要實現(xiàn)高速、高精和高表面質量加工，在具備好的硬件基礎上控制系統(tǒng)軟件也必須具有好的伺服性能及高速控制能力，圖2為高速加工機床所加工的典型零件。以下幾點為高性能加工機床控制系統(tǒng)所需的一些特性：
在強大硬件的支持下，iTNC 530采用了全數(shù)字化驅動技術。其位置控制器、速度控制器和電流控制器全部實現(xiàn)數(shù)字控制。數(shù)字電機控制技術能獲得非常高的進給速率。iTNC 530在同時插補多達5軸時，還能使轉速高達40000 r/min的數(shù)控主軸達到要求的切削速度。
先進的前饋伺服技術越來越多地將程序段處理放在后臺執(zhí)行。即使如此，對有些加工任務，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，實現(xiàn)短的程序段處理時間(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(直線/圓弧/螺旋線/樣條)。
iTNC 530還具有1024段(可通過機床參數(shù)設置)預讀功能?！邦A讀”功能能預測方向的未來變化，來調整運動速度使之符合編程表面要求。當?shù)毒咔腥牍ぜr，iTNC 530可以根據(jù)需要自動降低進給速率，因此在編程進給速率時只需用最高加工速度，iTNC 530能自動根據(jù)工件輪廓調整實際速度，節(jié)省加工時間。內(nèi)置的過濾器能顯著抑制各機床的固有頻率，同時保證所需的表面精度。同時，iTNC 530可實現(xiàn)各種誤差補償，包括線性和非線性軸誤差、反向間隙、圓周運動的方向尖角、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。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將自動按所要求的偏差調整加工而且它能保證不損壞輪廓。
要機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)，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)加速，但同時會造成機床的振動，從而使所加工的表面出現(xiàn)條紋，降低了表面加工質量；如果加加速過小，可以實現(xiàn)高的表面質量，但很難實現(xiàn)快加速功能。因此，如何保證高速和高表面質量非常重要。iTNC 530系統(tǒng)采用限制加加速值并利用過濾器對加加速度進行了光滑處理來實現(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)生的機床振動而實現(xiàn)高表面質量加工，同時又能達到機床良好的加減速性能。
在控制系統(tǒng)執(zhí)行完插補功能以后，產(chǎn)生名義位置值提供給后續(xù)的位置回路。大家知道，實現(xiàn)高速、高精和高表面質量要求與很多因素相關，尤其是機床本身的動態(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床本身的動態(tài)性能確定采用哪種過濾器，它可通過設置不同的參數(shù)完成。當然，為盡可能地充分發(fā)揮機床本身的動態(tài)性能，海德漢公司提供了一系列的調試工具，可以方便各機床制造商進行調試。
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