HNC-210B與FANUC-0iMC數控系統綜合加工性能比較研究

王榮興，王志平，白劍波

(常州輕工職業技術學院機械工程系，江蘇常州 213164)

數控系統是機床的“大腦”和控制樞紐，提高國產數控系統的綜合性能，有利于我國制造業的長遠發展。目前，國產與國外數控系統的性能差距顯著縮小，但國外品牌依然占領國內市場［1］。為檢驗數控系統的性能，通常在數控機床上直接加工包含圓弧、直線、斜線、直線和圓弧相切或相交的綜合試件，然后檢測試件的尺寸精度。例如世界著名的汽車制造商梅賽德斯-奔馳公司選用數控系統的標準是其必須在機床上合格地加工出所設計的特殊測試零件［2］。在機床上加工測試件，其檢測結果包含數控裝置精度、位置伺服系統精度、機床機械精度 (如主軸、刀架、工作臺回轉精度、刀具、工件裝夾精度等)、加工工藝、測試方法和工具等［3］。檢測機床圓運動的軌跡精度不僅可以獲得與機床的幾何精度、位置誤差、重復精度有關的信息，還可以獲得與進給速度和伺服控制系統有關的動態誤差分量的信息，包括伺服增益不匹配及由于伺服響應滯后引起的誤差等［4］。在采用相同的機床、加工工藝、測試方法和工具情況下，使用不同的數控系統來加工測試件，其綜合加工性能將有效地反映數控系統 (數控裝置及伺服系統)間的性能差異。文中利用國內外不同數控系統機床加工試件，比較了試件間的綜合加工精度，研究了國內外數控系統綜合加工性能的差異，為用戶選用數控系統提供依據。

1 試驗方法

1.1 試件準備

試件材料LY12，具有強度高、有一定耐熱性的特點。其化學成分:wCu=3.8% ～4.9%，wSi=0.5%，wFe=0.5%，wMn=0.3% ～0.9%，wMg=1.2% ～1.8%，wZn=0.25%，wCr=0.1%，wTi=0.15%，余量為Al。其力學性能:抗拉強度σb≥470 MPa，屈服強度σ0.2≥325 MPa，伸長率δ≥10%，硬度HB 120。根據“精加工試件精度檢驗標準”確定試件形狀［5］，如圖1所示，相關尺寸見表1。

圖1 試件

表1 試件尺寸 mm

1.2 加工工藝

實驗用機床為VDF-850立式加工中心，最高轉速8 000 r/min，最快切削進給速度7 600 mm/min，主軸功率11 kW。加工刀具:φ32三刃立銑刀，HLD刀桿，KORLOY鋁用刀片;固定刀桿微調精鏜刀，新馬鏜桿，KORLOY鋁用鏜刀片。精加工余量0.2 mm。試件加工工藝參數見表2。

表2 試件加工工藝參數

1.3 分析方法

分別在數控系統為HNC-210B、FANUC-0iMC的VDF-850立式加工中心上進行鋁合金試件的切削，切削前不同系統的加工中心同時開機2 h;使用ZEISS PRISMO型三坐標測量儀測量各試件的直線度、傾斜度、位置度、同軸度、垂直度和平行度等公差，玻璃陶瓷光柵尺分辨率0.04 μm，VAST GOLD檢測精度:MPE_E=(0.9+L/350)μm、MPE_P=1.0 μm、MPE_THP=1.9 μm/50 s，蔡司 RDS高效旋轉探測器:兩軸360°旋轉、步距角2.5°，Taster球形測針(測尖球徑φ3 mm，柄長58 mm)，使用Taylor Hobson Talyrond 365圓度儀測量各試件φ108 mm的圓度和同軸度，標準溫度范圍18～22℃、溫度梯度1℃/h;用方差分析對所測數據進行分析，研究HNC-210B和FANUC-0iMC數控系統加工性能的差異。

2 實驗結果分析

2.1 直線度測量結果與分析

圖2(a)所示為HNC-210B直線度和傾斜度測量結果，圖2(b)所示為FANUC-0iMC直線度和傾斜度測量結果。所有直線度測量結果如表3所示。兩系統所有直線度均相等，系統間無差異。

圖2 ZEISS三坐標測量儀測量的直線度和傾斜度

表3 直線度測量結果 mm

2.2 傾斜度測量結果與分析

傾斜度測量結果如表4所示，HNC-210B系統和FANUC-0iMC系統各有兩項超差。使用單因素方差分析，F=0.007 739，F＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.931 638＞0.05，HNC-210B數控系統與FANUC-0iMC數控系統加工試樣傾斜度的差異不顯著。

表4 傾斜度測量結果 mm

表5 傾斜度方差分析

2.3 位置度和同軸度測量結果與分析

位置度測量結果如表6所示，所有結果均符合要求。使用單因素方差分析 (見表7)，F=1.722 702，F＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.237 315＞0.05，HNC-210B數控系統與FANUC-0iMC數控系統加工試樣位置度的差異不顯著。

表6 四孔位置度和同軸度測量結果 mm

表7 位置度方差分析

同軸度測量結果如表6所示，所有結果均符合要求。使用單因素方差分析 (見表8)，F=0.264 371，F＜Fcrit，在 α水平上不顯著，Pvalue=0.625 515＞0.05，HNC-210B數控系統與FANUC-0iMC數控系統加工試樣同軸度的差異不顯著。

表8 同軸度方差分析

2.4 其他形位公差測量結果與分析

其他形位公差測量結果如表9所示。HNC-210B數控系統與FANUC-0iMC數控系統加工試樣的平行度、垂直度、同軸度和圓柱度公差均在允許范圍內，差異不顯著。

表9 其他形位公差測量結果 mm

2.5 圓度測量結果與分析

試樣圓度測量如圖3、4所示，測量結果為:HNC-210B數控系統加工試樣的圓度為0.014 89 mm，同軸度為0.001 0 mm;FANUC-0iMC數控系統加工試樣的圓度為0.014 17 mm，同軸度為0.001 4 mm，兩試樣的圓度和同軸度公差均在允許范圍內，差異不顯著。從圖3、4中可以看出:兩圓輪廓均存在少量的誤差，在過象限時都出現了波動。究其原因:(1)伺服系統存在跟隨誤差，減小每個進給軸的跟隨誤差成為提高零件輪廓加工精度的關鍵［6］;(2)過象限時伺服軸突然反向運動，由于機械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起定位輪廓誤差。改善這些問題的方法之一是通過調整速度環參數來改善電機誤差的響應性，即調整驅動器的比例增益和積分時間的響應，同時對控制指令響應的加減速也作相應的調整。調整以上參數后，過象限現象狀況改善，但不可能消除。將速度環參數調整到最佳后，繼續調整位置環參數，主要是調整前饋系數。在不用預讀功能時，過象限現象有了明顯改善。但是不加預讀功能，機床的加工速度又明顯降低，使機床加工效率下降。效率和精度成為一對矛盾，這時候就要從機床參數方面找到一個速度和精度的結合點，即在保證精度的前提下，盡量加快機床的工作速度［7］。改善這些問題的方法之二是采用過象限誤差補償，即在過象限處，數控系統自動對機床軸加入額外的補償值，即在軸的過象限處預先加入額外的速度設定值脈沖，減小軸突然反向運動中由于機械變形、反向間隙或摩擦條件的突變引起的定位輪廓誤差，保證在加工時，尤其是加工圓弧軌跡時獲得更高的加工輪廓精度。過象限誤差補償的補償依據是測量系統反饋值和指令值間的偏差。因而只有當被測量機床軸具有直接測量系統 (直線光柵或圓光柵)時，才能反映出真實的誤差情況。在開始過象限誤差補償之前，驅動必須是已經優化過的，包括電流環、速度環、位置環和前饋等的優化［8］。不管采用哪種方法，都只能減小而不能消除圓弧輪廓的誤差和波動。

圖3 HNC-210B試樣圓度測量結果

圖4 FANUC-0iMC試樣圓度測量結果

3 結論

通過使用ZEISS三坐標測量儀和Taylor圓度儀對HNC-210B和FANUC-0iMC數控系統綜合加工試樣的測量及數據分析表明:兩試件的直線度完全相同;傾斜度F=0.007 739＜Fcrit，Pvalue=0.931 638＞0.05;位置度F=1.722 702＜Fcrit，Pvalue=0.237 315＞0.05;同軸度F=0.264 371＜Fcrit，Pvalue=0.625 515＞0.05;兩試樣的圓度分別為0.014 89和0.014 17 mm，同軸度分別為0.001 0和0.001 4 mm，均在公差范圍內。國產HNC-210B數控系統與國外FANUC-0iMC數控系統之間的綜合加工性能的差異不顯著，HNC-210B數控系統達到了FANUC-0iMC數控系統的綜合加工性能水平。

［1］盧燕明，張淼.國產數控系統的根本出路是走出市場鏈條的“怪圈”［J］.金屬加工:冷加工，2010(5):14-19.

［2］奚長浩.數控裝置技術指標的檢測技術研究［D］.武漢:華中科技大學，2011.

［3］劉梅梅.圣維數控系統測試平臺技術研究［D］.綿陽:中國兵器科學研究院(第58所)，2006.

［4］趙國勇.數控系統運動平滑處理、伺服控制及輪廓控制技術研究［D］.大連:大連理工大學，2006.

［5］全國金屬切削機床標準化技術委員會.GB/T18400.7-2010加工中心檢驗條件第7部分:精加工試件精度檢驗［S］.北京:中國標準出版社，2010-11-10.

［6］孫興偉，董蔚，王可，等.數控機床伺服系統跟隨誤差對加工輪廓的影響［J］.制造技術與機床，2010(6):76-78.

［7］楊進民.數控銑床過象限現象分析與解決［J］.機床與液壓，2011，39(18):116-118.

［8］顧向清.SINUMERIK840D自動過象限誤差補償QEC的應用［J］.制造技術與機床，2010(6):164-167.