高效加工控制技術(shù)研究*

徐秀玲 王紅亮 張 陳

（①沈陽工程學(xué)院機(jī)械系，遼寧沈陽110041;②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧沈陽110819;③中捷機(jī)床有限公司，遼寧沈陽 110141）

在航空航天、模具等行業(yè)，經(jīng)常需要加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁零件等，例如飛機(jī)的機(jī)翼肋板、葉片葉輪等，這些零件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大、薄壁，采用整體結(jié)構(gòu)，即由整體厚板料鏤空加工制成，材料的去除率通常可達(dá)到80% ～90%［1］，從粗加工—半精加工—精加工過程中，工時消耗非常大，有些零件可能需要1～2個月才能完成一件，生產(chǎn)效率低，直接影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

目前，對于高效加工技術(shù)的研究主要從切削機(jī)理、加工過程檢測與監(jiān)控、加工用刀具磨具、加工裝備設(shè)計制造技術(shù)以及優(yōu)化加工工藝等方面進(jìn)行研究。卻鮮有從預(yù)設(shè)的CNC控制系統(tǒng)（Siemens、Fidia等）快速反應(yīng)能力的角度解決高效加工問題，如不能有效控制與加工相關(guān)的技術(shù)，將會導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)過切、振紋等質(zhì)量問題，因此，通常以犧牲速度來提高加工質(zhì)量，極大地限制了數(shù)控機(jī)床潛能。

高效加工的主要目的就是提高生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和降低成本［1］。本文以菲迪亞數(shù)控系統(tǒng)為例，從控制技術(shù)方面入手，分析高效加工控制原理，通過大量的切削試驗(yàn)，建立粗加工、半精加工、精加工的參數(shù)庫，在不影響機(jī)床穩(wěn)定性的前提下，將加工工藝選擇程序集成于數(shù)控系統(tǒng)。直接調(diào)用參數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)加工速度、切削質(zhì)量及表面精度參數(shù)的優(yōu)化匹配。在Fidia C20五軸數(shù)控機(jī)床上試切“S”件，驗(yàn)證了該控制技術(shù)的有效性。

1 控制原理

1．1 前瞻控制

前瞻控制是實(shí)現(xiàn)高效加工的有利保證。所謂前瞻，是對要插補(bǔ)的參數(shù)曲線進(jìn)行預(yù)插補(bǔ)處理，通過預(yù)插補(bǔ)找出插補(bǔ)路徑上的速度敏感點(diǎn)及其對應(yīng)的進(jìn)給速度和插補(bǔ)距離，然后對進(jìn)給速度進(jìn)行規(guī)劃，以便提前進(jìn)行加減速處理［2－3］。通過設(shè)置相應(yīng)的控制參數(shù)，改變前瞻控制的處理模式，在粗加工、半精加工、精加工階段，使得精度要求、表面質(zhì)量和執(zhí)行時間（生產(chǎn)率）之間達(dá)到最佳匹配。

（1）壓縮技術(shù)

復(fù)雜參數(shù)曲線輪廓的加工，通常由計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）/計算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)以大量的連續(xù)短直線逼近加工對象，產(chǎn)生數(shù)控加工程序交給數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。如圖1所示，如果采用常規(guī)的每線段加減速，勢必使得機(jī)床運(yùn)動速度頻繁啟停，直接導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降以及加工效率低等問題。采用壓縮技術(shù)［2］對速度進(jìn)行規(guī)劃，其基本原理如圖2所示，通過設(shè)定的相應(yīng)的閾值范圍，將G1指令序列組合在一起，產(chǎn)生一個新輪廓曲線，可直接被控制系統(tǒng)執(zhí)行。該曲線為多項式程序段，具有連續(xù)加速、相互交叉的特點(diǎn)，因此在高速運(yùn)行時，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加速的過渡，減少沖擊，避免機(jī)床振動，大大提高了表面質(zhì)量和速度，通過閾值參數(shù)的動態(tài)修改，實(shí)現(xiàn)對粗、精加工的最佳匹配。

（2）拐角控制技術(shù)

拐角控制技術(shù)的目的是減少在過大的角狀路徑上的執(zhí)行時間，提高連續(xù)路徑的運(yùn)行速度、并協(xié)調(diào)運(yùn)行性能［3］。其控制原理如圖3所示，當(dāng)兩個線段之間的角度超過一個被確定的閾值P時，該兩線段之間的角將被拋物線圓角化，如果角度小于P，該角將不被圓角化。L是最大的弦向誤差，也就是涉及該角處的實(shí)際路徑（拋物線曲線）對被編程的路徑的最大偏離。該L值越大，拋物線曲線就越長，最合適的值取決于要得到的精度。該技術(shù)的應(yīng)用可使程序段過渡處曲率連續(xù)，角將被自動地以拋物線曲線圓角化，從而減小機(jī)械沖擊，使速度變化更加平滑，提高表面質(zhì)量，減少加工時間。

1．2 加減速控制技術(shù)

加工過程中，一方面要求加工過程運(yùn)動平穩(wěn)，減小柔性沖擊;另一方面要求數(shù)控機(jī)床反應(yīng)快，各坐標(biāo)運(yùn)動部件能在極短的時間內(nèi)達(dá)到給定的速度，縮短準(zhǔn)備時間［4］。因此，根據(jù)不同的加工特征，在保證機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行和加工質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)加減速的動態(tài)匹配，以達(dá)到最優(yōu)加減速控制，滿足高速加工要求。

梯形加減速原理如圖4所示，從圖中可以看出，在加速度的起點(diǎn)、終點(diǎn)處存在跳變，由于加速度不連續(xù)，容易引起驅(qū)動力突變，對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊振蕩［5］。但軸的突變加速使得運(yùn)動部件以最大加速度運(yùn)行達(dá)到最大進(jìn)給速度，并能在高速運(yùn)行中快速準(zhǔn)確地停止在預(yù)定位置，可以最大限度地節(jié)省時間。因此，該控制方法具有計算簡單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，多用于啟停、進(jìn)退刀等輔助運(yùn)動以及粗加工中，縮短準(zhǔn)備時間。

S形加減速控制原理圖如圖5所示，其終端速度在加、減速段都呈S形曲線（拋物線）變化，加速度曲線在整個運(yùn)動過程中不完全可導(dǎo)，但保持連續(xù)變化，不發(fā)生跳躍，因此電動機(jī)的驅(qū)動力不會發(fā)生突變，大大降低機(jī)床的共振，保證工件表面加工質(zhì)量。作為一種數(shù)控柔性加減速方法，該方法能夠有效地避免速度和加速度的突變，使得加工速度穩(wěn)定、柔性沖擊較小，加工精度高，適合高速插補(bǔ)精加工中使用。

通過以上分析，不同控制因素對加工表面質(zhì)量、精度和速度產(chǎn)生不同的影響，因此高效的加工中，必須綜合考慮各項制約因素，對控制參數(shù)靈活調(diào)整，根據(jù)粗、精加工的特點(diǎn)，在粗加工中，主要關(guān)注速度;而在精加工中，重點(diǎn)則放在精度和表面質(zhì)量上。在不影響表面加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率，實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量和速度的優(yōu)化。

2 建立參數(shù)庫

在FIDIA C系列數(shù)控系統(tǒng)中，相關(guān)高效加工控制參數(shù)如表1所述。通過大量的切削試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，優(yōu)選高效加工控制參數(shù)設(shè)置值，建立基于粗、精加工的參數(shù)庫。

表1 優(yōu)化控制參數(shù)

3 參數(shù)庫與數(shù)控系統(tǒng)的集成

利用FIDIA C系列數(shù)控系統(tǒng)AUCOL編程語言提供的WRITEP功能指令，采用模塊化編程的思想，將參數(shù)庫集成于數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際加工需求，采用操作性強(qiáng)、便于應(yīng)用的M代碼調(diào)用參數(shù)庫的方案。以下將以M156調(diào)用粗加工參數(shù)庫為例，闡述具體實(shí)施過程。

（1）將參數(shù)庫以文件（PLCBLK．SET）的形式存放于數(shù)控系統(tǒng)用戶目錄下，與系統(tǒng)PLC程序分離，便于參數(shù)庫的維護(hù)，參數(shù)及指令格式如下。

（2）在PLC中定義與參數(shù)庫對應(yīng)的參數(shù)變量，格式如下。

（3）通過AUCOL編程語言提供的WRITEP指令更改控制參數(shù)，在PLC子進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)M代碼調(diào)用相應(yīng)參數(shù)庫，格式如下。

（4）在PLC中定義M代碼:

4 高效加工實(shí)驗(yàn)

五軸高速橋梁式加工中心，其數(shù)控系統(tǒng)為Fidia C20，旋轉(zhuǎn)軸A、C軸均在主軸頭上，屬于雙擺頭五軸聯(lián)動機(jī)床。工件毛坯尺寸為540 mm×400 mm×85 mm方料，材料為7050T7451，檢驗(yàn)機(jī)床精度通用加工要求［6］，如表2 所示。

表2 加工要求

加工后“S”件［6］形狀尺寸如圖6，從圖中可以看出，材料去除量很大，可達(dá)整個毛坯的80% ～85%，通過調(diào)用粗加工、半精加工、精加工參數(shù)庫，并應(yīng)用到該機(jī)床中，不僅保證加工精度要求，而且加工時間縮短為21 min。

5 結(jié)語

通過對高效加工控制技術(shù)的理論研究，結(jié)合粗、精加工的特點(diǎn)，建立了基于粗加工、半精加工、精加工的參數(shù)庫，通過M代碼調(diào)用的方式，將參數(shù)庫與加工程序完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了加工速度、切削質(zhì)量及表面精度優(yōu)化匹配。

將高效加工控制技術(shù)集成于fidia C20數(shù)控系統(tǒng)，通過在實(shí)際機(jī)床應(yīng)用，試切“S”件的結(jié)果表明，在保證加工精度的前提下，加工效率提高30%，證明了該控制技術(shù)的有效性。

［1］鄧朝暉，劉戰(zhàn)強(qiáng)，張曉紅．高速高效加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2010（12）:106－117．

［2］Fidia S．p．A．Fidia C Class software installation［Z］．San Mauro Torinese Italy，2010（6）．

［3］Siemens AG．Sinumerik模具及模型制造［Z］．the Federal Republic Germany，2007．

［4］李曉輝．?dāng)?shù)控系統(tǒng)柔性加減速控制方法研究及軟件開發(fā)［D］．杭州:浙江大學(xué)，2007．

［5］游有鵬，張禮兵，何均．高速高精度數(shù)控系統(tǒng)若干控制技術(shù)的原理分析和應(yīng)用進(jìn)展［J］．航空制造技術(shù)，2010（11）:60－63．

［6］沈陽機(jī)床有限公司．產(chǎn)品檢驗(yàn)合格證［Z］．2005．