縮短數控機床加工周期時間方法的研究與探索 (下)

北京發格自動化設備有限公司 (100015) 張 彬

2.PLC和宏程序的優化

(1)對PLC的優化:①縮短PLC的掃描間隔可以提高PLC的響應速度，從而縮短機床輔助動作時間。本次研發機床的PLC程序長達330 kb，借助于CNC8065 Power系統強大的PLC處理能力，PLC的掃描時間僅為0.4 ms。設置通用機床參數LOOPTIME=3 ms，PRGFREQ=1，即每3 ms掃描一次PLC，保證了對機床輔助動作的快速處理。②縮短M代碼的執行時間，設置通用機床參數MINAENDW=3 ms，即等待確認M功能結束的時間由10 ms縮短為3 ms，由于加工過程中執行了大量的M功能，經實際測試，此措施縮短CT時間的效果十分顯著。③改進機床輔助動作的PLC編程，縮短輔助動作時間。例如對刀庫實行就近找刀，縮短了尋找目標刀具的時間。就近找刀的流程圖如圖2所示。

圖2 就近換刀的流程圖

(2)輔助動作相關宏程序的優化:①規劃機床在執行輔助動作時軸的運行軌跡，減少軸的空行程移動距離。②優化輔助動作的時序，使軸快速定位到加工起點位置與換刀、轉臺轉動、主軸加減速等輔助動作同時進行，當軸到達加工起點位置后，確認輔助動作已經結束，然后立即開始加工，從而縮短等待時間。

3.進給軸的特性調整

(1)軸動態特性的精確調整。為了滿足高速加工對進給軸動態特性的要求，有必要對軸的特性進行精確調整，一般步驟如下:①電動機編碼器信號波形的校正，使A/B信號逼近正弦波和余弦波，從而使電動機的反饋更加精確。②軸的負載慣量比的測量，它是加速度前饋控制的前提條件;動靜態摩擦力矩的測量和補償，它可改善軸換向時的響應。③精確調整驅動器速度環PI參數，使電動機速度正確精確跟蹤速度指令的變化。④精確調整位置環PI控制和前饋控制參數，使動態跟隨誤差接近于0，從而保證高速切削時的輪廓精度。

得益于CNC8065系統內部集成的Finetune自動調試軟件，以上調整均能自動完成。圖3為Finetune軟件的界面。

該自動調試軟件能向機床發出特定的激勵信號，并根據機床的實際響應情況自動調整相關參數，以達到電氣參數與機械特性的最佳匹配。

圖3 Finetune軟件的界面

(2)抑制機床振動。在高速加工過程中進給軸頻繁地加減速會引起機床振動，影響工件表面質量，因此抑制振動對于高速加工是一個重要課題，為此我們采取了如下措施:①對加速度的變化率進行限制，即采用正弦－梯形加減速。是否采用加速度變化率限制對速度的影響如圖4所示。從圖4可以看出采用加速度變化率限制后軸加減速時速度更平滑，從而降低了振動。②對機床共振頻率使用帶阻濾波器 (陷波器)，消除機床共振。③對于在執行某些程序段時發生機床振動，而又不能通過修改加工程序來解決時，可以使用系統提供的加速度控制 (G130/G131)指令和加速度變化率控制 (G132/G133)指令來人為地修改加速度和加速度變化率，達到抑制振動的目的。

圖4 加速度變化率限制對速度的影響

4.電主軸的特性調整

本次研發的機床在加工過程中會使用15把不同刀具，每次換刀之前會進行一次主軸降速，每次換完刀要把主軸升速至加工轉速，即加工循環中主軸要進行30次加減速，如主軸電動機每次加減速時間能縮短1 s，則CT時間就能縮短30 s，所以盡量降低主軸加減速時間是降低CT時間的重要手段。我們在調試過程中采取了如下2條措施:

(1)調高RPS電源模塊的直流母線輸出電壓，當母線電壓為575 V dc時，電主軸的加減速時間(0～36000 r/min)為5 s，調高母線電壓至625 V dc時，加減速時間縮短至2.5 s。

(2)優化主軸驅動器的參數，主要是磁通組、電動機組、速度組的參數。此措施使主軸加減速時間由2.5 s降至1.5 s。

5.刀具壽命管理

在高速加工中隨著切削量的增大，刀具壽命下降，因此為了保證在大批量生產中加工的連續性，刀具的壽命管理變得十分重要。數控系統要能夠記憶每把刀具已經使用的次數或時間，并在刀具壽命到達前提示操作者更換新刀具，還要方便操作者設定每把刀具的預期壽命。另外在高速加工過程中刀具過度磨損或折斷時，必須立即停止加工并提示操作者更換刀具。對于本次研發的機床，我們采取了如下2條措施確保刀具的安全高效的使用:

(1)開發刀具壽命管理專用界面，如圖5所示。

圖5 刀具管理界面

用戶可以在上述界面中設定每把刀具的預期使用次數，并且可以監視刀具已經使用的次數。在PLC程序中對刀具使用次數進行計數，當到達預設壽命次數時會提示更換新刀。

(2)在加工過程中，當交換到下一把刀具，并且在這把刀具投入加工前，會自動進行刀具磨損值的測量，如果磨損值大于預先設定的數值則認為刀具過度磨損或已折斷，系統給出報警并提示更換新刀具。

三、加工程序的優化

1.采用高速高精加工指令#HSC

FAGOR的#HSC指令采用獨特的高速高精控制算法，當加工程序是CAM生成的由微小線段組成的程序時，能夠在保證輪廓精度的前提下自適應地調節加工進給率和加速度，使機床運動更加平滑，有效抑制了機床振動，保證了加工質量，縮短了加工時間。

指令的格式為#HSC ON［FAST，E數值］，其中“FAST”表示工作在高速模式下，“數值”用于指定輪廓誤差，正確設定該值即可在保證輪廓精度的前提下進行高速平滑的加工。要使該指令能夠取得最佳效果，還要設定高速加工相關的機床參數。

2.運用CAM軟件優化加工程序

CAM軟件對于高速數控加工的影響是顯而易見的，正確靈活地運用CAM軟件生成準確高效的NC加工程序可以顯著縮短數控加工的CT時間。主要方法如下:

(1)刀具軌跡應盡量簡單，有利于加工時能夠達到最大進給速度。例如輪廓中的圓弧應盡量使用圓弧插補代替用很多微小直線段來逼近圓弧，因為后者在CNC執行時會在線段拐角處減速從而使加工時間變長。

(2)分析工件輪廓特點，優化刀具軌跡盡量減少空走刀。

(3)充分利用CAM軟件的刀具專家系統和刀具載荷分析功能，選擇合適的刀具并優化刀具轉速和進給率。

(4)現在很多CAM軟件針對縮短CT時間開發了新功能，例如CAPSmill軟件是一款專門用于優化加工過程縮短CT的CAM軟件，有CT時間預估和分析功能，它不但考慮每個加工步驟的時間，還考慮軸加減速時、主軸加減速、換刀、M代碼執行等時間。充分利用這些功能可以線下估計CT時間、合理地調整和安排各個加工步驟，并且能直觀的看到調整后的結果，使加工程序在投入試加工之前即已得到優化。

(5)合理規劃粗加工和精加工的切削量和進給率，提高粗加工的速度，并且使精加工之前留在工件表面的余量盡量少而均勻。圖6是CAPSmill軟件的粗精加工切削速度和切削量的優化。

圖6 粗精加工的優化

四、結語

如何縮短加工周期時間是進行大批量產品加工的數控機床面臨的一個重要課題，要從機床、工件、刀具、加工工藝等多方面綜合考慮。本文提出的從電氣控制系統的硬件選型、數控系統的調試、加工程序的優化三方面縮短數控機床CT時間的方法，在實際應用中得到了驗正。 (全文完)