縮短數(shù)控機床加工周期時間方法的研究與探索 (上)

北京發(fā)格自動化設備有限公司 (100015) 張 彬

隨著智能手機和平板電腦等消費電子產(chǎn)品的大量普及，加工此類產(chǎn)品金屬外殼的數(shù)控機床需求量也大幅增加。這類數(shù)控機床要求具備高效快速的大批量加工能力，所以在保證加工質(zhì)量的前提下盡量縮短加工周期時間CT(Cycle Time)具有重要的技術經(jīng)濟意義，不但能縮短生產(chǎn)周期提高產(chǎn)品產(chǎn)量，而且能減少機床臺數(shù)從而降低生產(chǎn)成本。產(chǎn)品的批量越大，降低CT的意義也越重要，CT時間的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 CT時間的構(gòu)成

從圖1可以清楚地看到縮短輔助時間和切削時間即可達到縮短CT時間的目的。縮短切削時間要求數(shù)控機床具備高速加工的能力，而高速加工過程與加工工藝 (包括加工路徑規(guī)劃、切削進給速度、刀具轉(zhuǎn)速等)、機床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)性能、機床部件特性 (包括冷卻性能、排屑性能等)、工件材料和形狀、刀具材料等因素相關，其中機床電氣控制系統(tǒng)的性能和特性調(diào)整是影響切削時間的重要因素。縮短輔助時間可以從優(yōu)化PLC程序和宏程序、優(yōu)化加工程序等方面著手。

2011年，我公司與某機床廠共同為某手機廠商研發(fā)了用于加工手機的鋁合金外殼的專用機床，該機床采用雙通道雙主軸雙刀庫、臥式對稱結(jié)構(gòu)，每個通道有一個刀庫、一個主軸和X/Y/Z三個進給軸。機床正中裝有轉(zhuǎn)臺，每次可裝夾2片工件，左右2個通道分別加工上片和下片工件，加工完一面，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動90°再加工另一面。這種雙通道的加工方式可保證一次裝夾同時加工2個工件，生產(chǎn)能力相當于2臺單通道機床，大幅提高了生產(chǎn)效率。

本文著重從電氣控制系統(tǒng)的硬件選型、數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試、加工程序的優(yōu)化3方面探討縮短數(shù)控機床CT時間的方法。

一、機床電氣控制系統(tǒng)的硬件選型

1.數(shù)控系統(tǒng)的選型

高性能的數(shù)控系統(tǒng)是高速數(shù)控加工的基礎，要求數(shù)控系統(tǒng)具有高精度的插補運算能力、快速程序段處理、對編程輪廓的多段前瞻處理、高速高精加工指令及高速PLC等，所以選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)對降低CT時間非常重要。

該機床選用 FAGOR公司 CNC8065數(shù)控系統(tǒng)。CNC8065采用增強型高速CPU，內(nèi)部插補運算精度達到0.001 μm，程序段處理時間為0.25 ms，具有1000段的前瞻處理能力，PLC執(zhí)行速度為≤1 ms/k。CNC8065最多能控制28個進給軸、4個主軸、4個獨立運行的通道和4個刀庫。由于CNC8065在嵌入式WindowsXP操作系統(tǒng)平臺上運行，可以方便地定制用戶專用界面，并且能運行第三方軟件，以滿足用戶的特殊要求。CNC8065與伺服驅(qū)動系統(tǒng)以SERCOS光纜連接，能以高達16 Mbit/s的速率通信，以控制進給軸高速高精度地運動。它與遠程I/O模塊以CAN總線連接，最高1 Mbit/s的通信速率保證了PLC的I/O點的高速響應。

2.伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選型

本次研發(fā)的機床，我們選用了FAGOR公司生產(chǎn)的高性能交流數(shù)字式AXD系列伺服驅(qū)動器。這種驅(qū)動系統(tǒng)采用專用運動控制芯片，對電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)進行全閉環(huán)控制，位置控制方式時的控制周期為 250 μs。調(diào)速范圍達1∶8192，電流環(huán)帶寬為800 Hz，速度環(huán)帶寬可達100 Hz。采用高速SERCOS光纜與CNC通信，同時具有完善的保護功能。它具有自動慣量測量功能和非線性補償功能，能夠補償機械的動態(tài)和靜態(tài)摩擦及伺服響應的滯后，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

另外，伺服電源也是影響伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的重要因素，我們選用了FAGOR公司的RPS回饋穩(wěn)壓型電源模塊。這種伺服電源模塊采用了AFE(Active Front End)技術，在進給軸和主軸快速減速時能把剎車的能量轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，保證了機床能以較大加速度快速停止;同時在電網(wǎng)電壓波動時能夠使直流母線輸出電壓不變，保證了伺服電動機在電網(wǎng)波動時的輸出力矩;它還具有輸出電壓可編程特性，可以把直流母線輸出電壓設定成最合適的值，以保證高速電主軸能夠轉(zhuǎn)至最高轉(zhuǎn)速，并發(fā)揮優(yōu)良的加減速性能。

3.高速電主軸及其驅(qū)動器的選型

高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。本次研發(fā)的機床使用了第三方的電主軸，最高轉(zhuǎn)速為36000 r/min，切削轉(zhuǎn)速最大為30000 r/min。它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應特性好，具有高的角加 (減)速度，能實現(xiàn)主軸的瞬時升降速與起停。它使用高速高剛度軸承，保證了主軸前端徑向剛度，即使在高速較大負荷切削時仍能保持較高回轉(zhuǎn)精度;精密的加工和裝配工藝使得它在高速運轉(zhuǎn)時振動較小，噪聲較低。它采用獨立的自動油冷循環(huán)系統(tǒng)和軸承油氣潤滑系統(tǒng)，保證了主軸高速運轉(zhuǎn)時不至溫升過高。

對于主軸驅(qū)動器我們選用了FAGOR公司生產(chǎn)的交流數(shù)字式SPD主軸驅(qū)動器，為了保證主軸驅(qū)動器在電主軸加減速時能提供足夠的轉(zhuǎn)矩，主軸驅(qū)動器的功率要經(jīng)過驗算，公式如下

式中，P為主軸驅(qū)動器的功率，單位：kW;J為主軸系統(tǒng)的總慣量，單位：kg·m2;Nmax為主軸最高轉(zhuǎn)速，單位：r/min;Nbase為主軸基速，單位：r/min;t為主軸從0加速到最高轉(zhuǎn)速的時間，單位：s。

4.進給軸伺服電動機的選型

為了實現(xiàn)高速加工，機床不但要有高速主軸，還要有高速的進給系統(tǒng)，這不僅是為了提高生產(chǎn)效率，也是維持高速切削中刀具正常工作的必要條件。本次研發(fā)的機床的各進給軸伺服電動機使用FAGOR公司生產(chǎn)的FKM系列交流同步伺服電動機，3000 r/min的額定轉(zhuǎn)速配合螺距為12 mm的滾珠絲杠使機床G00快速移動速度達到36 m/min。這種電動機使用多轉(zhuǎn)絕對值編碼器，無需回零;獨特的表面散熱設計使得它能長期以高速重負荷運轉(zhuǎn)而無需風扇;它具有較高扭矩/尺寸比，重量輕、慣量小、動態(tài)響應好。

高速進給系統(tǒng)除要求進給速度高以外，還必須有足夠高的進給加/減速度，這是由于大多數(shù)高速機床加工的工作行程范圍只有幾十到幾百毫米，在這樣短的行程中要提供極大的加/減速度來保證在瞬間達到高速和在高速行程中瞬間準停，以實現(xiàn)平穩(wěn)切削。

為了保證電動機加減速時的動態(tài)特性，需要滿足如下條件 (由于通常情況下高速數(shù)控機床的進給軸無減速器，故以下計算中均以減速比=1∶1的情況為例)：

(1)Jload/Jmotor≤3，即負載慣量與電動機慣量之比應小于等于3倍。其中的電動機慣量Jmotor可由電動機使用手冊查到，負載的慣量可按下式計算

其中各部件的轉(zhuǎn)動慣量分別為

以上各式中，m為工作臺質(zhì)量，單位為kg;h為滾珠絲桿螺距，單位為m;D為滾珠絲桿直徑，單位為m;L為滾珠絲桿長度，單位為m;d為聯(lián)軸器的直徑，單位為m;l為聯(lián)軸器的長度，單位為m;α為材料密度，鋼鐵7700 kg/m3，鋁2700 kg/m3。

(2)電動機的轉(zhuǎn)矩應滿足軸在加減速時的需要：

式中，Jload為負載慣量，單位：kg·m2，計算方法同公式 (1);m為工作臺質(zhì)量，單位為kg;h為滾珠絲桿螺距，單位為m;a為加速度，單位為m/s2;g為重力加速度，單位為m/s2;μ為工作臺與導軌之間的摩擦因數(shù)。

根據(jù)公式 (2)，如已知軸要達到的加速度，可計算出需要電動機提供的加減速轉(zhuǎn)矩，反之如已知電動機的轉(zhuǎn)矩，也可計算出軸可以達到的最大加速度。

二、機床數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試

機床電氣控制系統(tǒng)設計及安裝完畢后要對其進行調(diào)試，調(diào)試的目的是使機床各部件動作準確可靠;軸的定位精度達到設計要求;軸和主軸的動態(tài)特性滿足使用要求。

1.主要調(diào)試過程

針對本次研發(fā)的機床主要調(diào)試過程如下：

(1)外圍線路的檢查，包括強電回路的電壓、各開關電源的輸入輸出電壓、信號電纜屏蔽層的連接、控制系統(tǒng)的接地、PLC的I/O接口的電壓及各I/O信號的接線、電動機反饋電纜的連接及動力電纜的連接及相序等。

(2)確認SERCOS光纜及CAN總線電纜連接正確，通訊速率及節(jié)點地址設定開關設定正確。CNC和伺服驅(qū)動器系統(tǒng)的通電，確認能正常啟動。

(3)基本參數(shù)的設定，包括CNC參數(shù)如通道的設定、軸的定義、SERCOS及CAN通訊的設置等，對驅(qū)動器參數(shù)的初始化，軸和主軸參數(shù)的設定等。

(4)PLC和宏程序編程及調(diào)試，確認機床所有動作邏輯和時序正常。

(5)進給軸及主軸動態(tài)特性調(diào)整。

(6)用戶定制界面的開發(fā)及調(diào)試 (如用戶無特殊要求此步可省略)。

(7)機床空運行，以使各部件充分潤滑磨合，并進一步驗證機床動作是否穩(wěn)定可靠，為下一步機床精度的測試和補償打下基礎。

(8)用激光干涉儀做各軸位置精度測試，并根據(jù)測試結(jié)果做各軸位置精度補償;利用球桿儀做2軸圓弧插補精度測試并作相關補償。

(9)試加工，驗證并改進加工程序。

(10)對所有OEM數(shù)據(jù)進行備份，包括系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動參數(shù)、PLC程序、宏程序、用戶定制界面等。

對于本次研發(fā)的機床，要在保證加工質(zhì)量的前提下盡量縮短加工的CT時間，這就要求在調(diào)試過程中充分發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的性能，根據(jù)各部件動作的特點優(yōu)化PLC程序和宏程序以縮短輔助動作時間;根據(jù)機械的狀況調(diào)整軸和主軸的動態(tài)特性以達到電氣控制與機械的最佳匹配，滿足高速加工的要求。 (待續(xù))