用于復雜銑削加工的最新工藝包——涵蓋 3軸、3+2 軸和5軸銑削等中高端應用

西門子股份公司工業業務領域驅動技術集團運動控制系統部 Wolfgang Reichart

現代數控系統如何使銑床發揮出其最大性能，即以最佳生產效率和表面加工質量進行銑削加工？除具備高性能運動控制功能外，數控系統還應操作簡單、界面直觀，工藝循環技術先進，不但加工時間縮短，而且設置和編程時間也降至最低。即使配備普通銑床，也可實現此前僅有高檔銑床才能達到的技術指標。

帶有 Sinumerik MDynamics 銑削工藝包的西門子數控系統即是為此應運而生的，采用了新的“精優曲面”智能運動控制技術：創新性的“預讀”算法，以及程序段壓縮和加加速度控制等功能。Sinumerik MDynamics 銑削工藝包適用于所有西門子數控系統，包括Sinumerik 840D sl 和 828D，以及最近推出的 Sinumerik 828D BASIC M（見圖1）。

1.“精優曲面”技術——完美加工自由曲面

不但新的“預讀”功能顯著提高了進給精度和速度，而且相鄰銑削路徑的速度屬性還獨立于數控系統（見圖2）。

圖2

更快的加工速度，更優的表面質量：“精優曲面”技術是 Sinumerik MDynamics 工藝包的核心功能之一，可以一勞永逸地提高模具制造效率和產品質量。無需針對具體零件調整加工數據，與傳統、費時的數據調整方法相比，可以在更短時間內獲得同樣或者更好的加工效果。

尤其是對于加工自由曲面時的往復切削路徑，可以控制刀具在相鄰銑削路徑上具有高度一致的速度和動態響應特性，從而確保完美的表面加工質量（見圖3、圖4）。

圖3

圖4

通過“精優曲面”技術，相鄰加工路徑可實現高度一致的速度屬性，從而顯著提高表面質量。

新的程序段壓縮功能使路徑過渡極為圓滑，從而提高了工件精度。

憑借通過優化的程序段在線壓縮功能，由于后處理寫入的直線段和圓弧段可連續轉換為 NURBS曲線，即使是在執行既包含 G0/G1 程序段、又包含 G2/G3 程序段的 NC 程序時，也能實現執行程序段變化時的圓滑過渡（見圖5）。這樣，不僅顯著提高了輪廓加工精度，還可大大縮短了加工時間。

圖5

程序段壓縮功能可將多個 G1 或 G2/G3 程序段連續轉換為數控系統可以直接處理的多項式，從而顯著提高機床動態響應性能和生產效率。

新的智能加速度控制功能可確保所有軸都可平穩地加減速，以保證機床的整體動態性能，有助于保護機床的機械系統，延長其使用壽命，降低維護成本，從而顯著提高機床帶來的經濟效益。

“精優曲面”技術的主要優勢在于該技術可確保表面精加工獨立于數控系統的插補循環之外。這也意味著，即使用入門級的 Sinumerik 828D BASIC M 數控系統，也能夠在實際應用中加工出一流的表面質量。再輔以 Sinumerik 系統的強大計算能力，加工時間顯著縮短，機床效率顯著提高，并可支持更加復雜的機床運動空間坐標變換功能。例如，Sinumerik 828D 中的“精優曲面”技術可以控制靜止旋轉表面的 3 軸加工（3+2 軸），而Sinumerik 840D sl 可實現 5 軸聯動。

2.“高速設定”——即使加工任務極其復雜，也能輕松完成參數設置

最終產品的加工質量和加工效率，是機械加工效益的兩個決定性指標。當然，機床動態性能與工步間的完美協調也至關重要。由于高速加工應用中關鍵參數的數量非常龐大，因此，調整加工數據不僅費時耗力，而且通常不能完成全部調整。

為此，Sinumerik MDynamics 提供了一種極為簡便、快速的“高速設定”循環：Cycle832。該循環能夠自動設定所有相關的機床參數、NC 參數和驅動參數，用戶只需在 NC 程序中指定所需精度（公差值）、以及最大切削速度（粗切削）、最大精度和表面質量即可。

3.80位浮點數納米級計算精度

為充分利用 Sinumerik MDynamics 的智能加工策略，數控系統和驅動系統中的所有算法和閉環控制結構均必須能夠準確地傳輸所有設定值和實際值，而不會產生任何明顯舍入誤差。雖然在整個工藝鏈中舍入誤差不可避免，但必須盡量將其降至最低，以使其對運動控制的影響遠遠小于機床機械系統的精度。為達到這一目標，Sinumerik MDynamics 采用了 80 位浮點數的納米級計算精度：從 NC 程序編譯器直到驅動層，計算精度和數據傳輸都具有足夠高的精度，從而避免了舍入誤差對加工精度的影響。另一方面：只有具備 80 位浮點數納米級計算精度，才能在各種加工場合下都能真正發揮數控機床加工精度的優勢——尤其對于加工精度和表面質量要求均較高的加工任務而言，優勢將更為明顯。

4.Sinumerik Operate 操作極為簡便

加工過程的高效率不僅要求切削時間短，而且還要求數控系統的操作需直觀、省時。Sinumerik Operate 數控系統采用了全新的圖形化交互式用戶界面：界面布局和菜單樹結構清晰，一目了然。Sinumerik Operate 可謂當前市場中操作最先進、最直觀的數控系統操作界面。“動畫元素”是Sinumerik Operate 中的一個獨特功能，編程和操作參數輸入不再使用靜態幫助畫面進行解釋，而是通過播放簡短的動畫圖片。由于大多數輸入參數均代表機床的某項動作，因此，通過簡短的動畫播放，可使操作步驟（如工件測頭或加工循環進刀和退刀路徑的含義）更加清晰易懂，用戶甚至無需查看相關文檔即可明白（見圖6）。

圖6 動畫元素

編程向導（ProgramGuide）為工藝循環提供了具備良好自解釋性的交互式輸入對話框。各個參數的含義和更改某個值時的效果可立即顯示出來 ，從而可快速、直觀地對復雜的機械加工任務進行控制，甚至無需查看使用手冊。

5.設定和編程

只有配用 Sinumerik MDynamics，Sinumerik Operate 操作界面中的機床設置和刀具管理才能完全符合銑床要求。Sinumerik MDynamics 中提供有豐富的測頭功能，可用于測定工件零點或刀具長度和直徑等。整合銑削和鉆削循環型式的 Sinumerik MDynamics 工藝包還提供有輪廓型腔銑削循環和自動剩余材料檢測功能，以及工藝測量循環包。當然，也支持編程向導（ProgramGuide）功能，可以按照銑床編程要求自動調整軟鍵定義。最后，同時也是最重要的一點是，Sinumerik MDynamics 還包括 ShopMill 工步編程功能，以用于小批量銑削零件的加工等特殊的加工需求。

6.Sinumerik MDynamics ——完美銑削

Sinumerik MDynamics 工藝包括以下幾個方面

（1）Sinumerik Operate 交互式圖形化用戶操作和編程界面 動畫元素輔助參數設定；全圖形化文本關聯幫助系統；支持采用開關量和連續測量系統測量工件和刀具直觀的刀具管理功能，包括使用壽命控制和替換刀管理；模具制造程序存儲在用戶CF 卡上。

（2）面向全球的數控編程方式 Sinumerik 高級語言編程，支持編程向導（programGuide）功能，適于大中批量零件加工；ShopMill 工步編程，適于小批量零件加工 ；標準 ISO 代碼編程。

（3）工藝循環包 標準鉆削和銑削工藝循環；輪廓型腔銑削循環，支持多達12 個島；自動剩余材料檢測；靜止 3+2 軸旋轉平面加工；高速設定循環，用于模具制造程序的參數設置；連續測量循環，用于標定 5 軸加工坐標系。

（4）加工程序模擬 全圖形化三維加工程序模擬， 模具制造快速視圖。

（5）速度控制和空間坐標轉換 “精優曲面”速度控制；縱面加工轉換，用于加工圓柱形工件；樣條插補；五軸聯動轉換（僅適用于 Sinumerik 840D sl）；三維刀具半徑補償功能（僅適用于 Sinumerik 840D sl）。

Sinumerik 家族在供貨時進行了如下區分：Sinumerik 828D在發貨時定制為銑削應用的軟件包，供貨時 Sinumerik Mdynamics 僅包含“精優曲面”功能和 Sinumerik Operate基本配置版（銑削用）。而如 ShopMill 圖形化工步編程或測量循環等具體功能則需單獨選購。對于不分工藝的通用Sinumerik 840D sl 數控系統，Sinumerik Mdynamics有全功能的 3 軸包和 5 軸包供選擇。

但無論是何種 Sinumerik Mdynamics工藝包，都能令 Sinumerik 數控系統完美適用于所有銑削應用，并帶來無與倫比的銑削性能。憑借簡單友好的操作、編程和設置功能，強大的銑削循環和高效的速度控制，Sinumerik MDynamics 可使各種復雜銑削應用顯著受益。