数控机床加工精度控制

■济南二机床集团有限公司 （山东 250022） 王红娜 赵树涛 谢沛清

数控机床加工精度控制

■济南二机床集团有限公司 （山东 250022） 王红娜 赵树涛 谢沛清

随着数控机床产品的发展，对数控机床高速加工时的轮廓精度控制功能要求越来越高；不仅改进加强进给轴刚性，以减少高速加工下轮廓误差(Contouring Error)，而且从CNC数控功能上加以改进。在国内使用较多的具有代表性的两大数控系统Siemens840D sl和FANUC 31 i, 为减少高速加工下轮廓误差增加了加速度控制和插补前加速度（Acceleration before interpolation）控制、速度前馈通道控制(Feed forward) 、轮廓精度控制和RTCP五轴控制等功能。

1. 插补前加速度控制

速度馈通道控制较插补前加速度功能应用要早一些。在高速进给下，所采用速度前馈通道控制功能，通常为一阶网络校正。在直线插补情况下，各进给轴跟随误（Following Error）差明显减少，但在曲面加工，尤其是在曲率变化较大时，轮廓误差没有显著地被减少。虽然采用前馈通道二阶网络校正（加速度馈通道Acceleration forward，NUM1060 CNC 系统有此功能），会显著减少轮廓误差，但因调整与优化参数较困难，系统易产生振动，故较少采用。

加工路径曲率变化大而导致发生较大的轮廓误差，关键原因是各进给轴和插补器对加速度的控制特性。调整各进给轴加速度值和路径进给加速度值或时间常数，对轮廓误差起到明显的控制；前者被称为插补后加速度功能（Acceleration after interpolation）; 后者则称为插补前加速度功能。插补后加速度功能是根据各进给轴加速度设定值，由插补器产生；则有，要求加工件的轮廓精度越高，各进给轴加速度值越大或时间常数越小。较高的加速度要求机械刚性高，且各进给轴的惯量小，较难做到，而高值加速度会引起机械冲击和振动，尤其是在高速执行小线段逼近曲线加工程序时。与之相反的是插补前加速度功能控制下的轮廓加工精度和路径加速度大小成反比关系；适当降低路径加速度，可获得较高的轮廓加工精度；加工时间较长一些，在高速执行小线段逼近曲线加工程序时，设定速度和实际进给速度差别较大。二者结合使用是目前大多CNC系统所推荐的方式，根据具体的加工情况设定插补前后的加速度值，并合理地设定路径拐角速度（Speed at corner），会获得较好的加工效果。

设定插补前后的加速度值、加速度类型（Bell or Linear –Shaped Acceleration）和路径拐角速度取决于三个要素：轮廓加工精度、低振动（Small Shock）及加工件表面质量（S u r f a c e Quality）和加工时间。

高速加工时，根据加工件要求进行三要素的评价，在此仅做插补前钟形加速度功能和路径拐角过渡轮廓误差分析。

条件：X—Y 平面

加工程序：N1 G01 G91 X100 F10000；

N2 Y100；

加速度类型： 钟形

路径拐角速度： F400（400mm/min）

设定进给速度： F10000（10000mm/min）

有如下三种情况：

（1）优选轮廓加工精度和加工时间。插补前加速度时间常数：100ms，插补后加速度时间常数：30ms，拐角点的轮廓误差：0.015mm，程序段转换时间：60ms。

（2）优选加工时间和工件表面质量。插补前加速度时间常数：100ms，插补后加速度时间常数：60ms，拐角点的轮廓误差：0.08mm，程序段转换时间：70ms。

（3）优选轮廓加工精度和工件表面质量。插补前加速度时间常数明显增大，路径拐角速度明显减小。路径拐角速度： F100（400mm/min），插补前加速度时间常数：400ms，插补后加速度时间常数：30ms，拐角点的轮廓误差：0.005mm，程序段转换时间：200ms。

上述分析，根据实际的机床特点尽量减少插补后加速度时间常数，以加大各进给轴加速度；再根据加工技术要求设定插补前加速度时间常数和路径拐角速度。

2. 五轴联动机床廓轮加工精度控制要点

（1）插补前加速度控制功能和速度前馈通道控制。五轴联动机床其特点是廓轮加工精度高。在高速高精度的曲面加工中，插补前加速度控制功能是非常重要的，且在插补前加速度控制功能方式下，各进给轴速度环可采用较高的速度增益，系统控制精度大为提高；尤其是对B、C轴（A和C摆轴）这是所希望的。

插补前加速度控制功能和速度前馈通道控制可同时使用，要注意的三点是，其一插补后的加速度不可太高；其二程序段之间的转换速度不能过快；其三加工廓轮曲率变化不大。在向前看控制方式（Look-ahead control mode）中插补前加速度控制功能主要的作用是减少振动，因向前看功能优选因素是轮廓加工精度和加工时间。有的CNC系统设有专用的向前看功能中插补前加速度参数，如FANUC 等。还须考虑到，最小程序段的执行时间，有足够的预处理后续程序时间，以保证程序段转换的速度连续性。

（2）加工程序控制类型的选择。随着五轴控制功能的出现，五轴联动（主要指五轴插补）超出了进给轴插补的含意。C和B轴（或A轴），可根据机床的类型设定成机床的刀具定向轴（RTCP），C轴轴线至B轴轴线和刀具轴轴线至B轴轴线的几何尺寸均作为动态补偿出现插补运算周期中，因此减小了C和B轴旋转时C轴轴线和B轴轴线、刀具轴轴线和B轴轴线不相交或不正交而导致的机械误差，提高了五轴联动加工工件的轮廓精度，这是过去的五轴联动所做不到的。

例如：G1G91X1.605Y-0.7 2 7 Z-0.6 7 1 B 1.1 0 0 C-1.362F10000一段加工程序。

未定义RT C P五轴控制，CNC插补运算器对X、Y、Z、C和B轴同时分配进给量、加速度和速度，X、Y和Z的编程轨迹非加工轨迹，C和B轴旋转直接改变刀尖位置。工作坐标按C轴轴线和B轴轴线、刀具轴轴线和B轴轴线相交定义，不存在轴线的几何尺寸动态补偿，机械误差被带入加工中。

定义RTCP 五轴控制后，C和B轴旋转和加工轨迹解耦，X、Y和Z的编程轨迹既是加工轨迹，C和B轴旋转仅改变刀具轴的方向。轴线的几何尺寸动态补偿后，工作坐标被得以矫正，消除

专家点评

如果参考三爪卡自定心卡盘原理，把3个测量触点做成可以沿定位座圆锥面同步移动，就能测量工件上不同直径处的壁厚，从而扩大测量装置的使用范围。了机械误差。

3. SIEMENS SINUMERIK 840D CNC 的轮廓控制功能

目前常用的5.3版本840D CNC没有插补前加速度控制功能。但，该数控系统有许多功能可以控制加工件的轮廓精度和光洁度。使用这些功能，须设置相应的参数，有的功能作为选件而存在。所以，功能的参数设定及所选的功能选件，取决于上述加工3要素。

（1）可编程加速度功能。在NC加工程序中，可根据加工精度和曲线的曲率设定合理的加速度值及以之相对应进给速度，以达到加工所要求的精度和表面质量。

加工中的加速度是路径加速度，最大值取决于参与插补的进给轴中的最小的加速度值。在多轴的数控机床运行中，尽量避免加速度慢的进给轴和X、Y和Z轴一道进入插补。X、Y和Z轴有较大的加速度，因此要机械刚性好，惯性分散，拖动电动机选配合理，恒速满负载扭矩小于电动机额定负载扭矩的10%。

（2）向前看控制功能。840D CNC 可设置120以上小程序段处理。以保证连续加工曲面时，加工速度的稳定性。

CAM设计小线段的加工程序时，不但要选用连续路径加工方式，而且要考虑CNC的插补运算周期，在满足精度要求下，尽量增大小线段程序进给量。如果刻意追求加工轮廓的高精度，使小线段程序进给量过小，会导致进给速度被抑制，速度波动大，结果是加工表面质量下降；加工周期过长。

（3）加速度的软起动和进给轴的加速度跳跃功能。机械刚性好或进给轴的加速度不超过1m/s2时，可以不使用加速度软起动功能；高速数控机床要考虑使用。在加工精度允许情况下，尽可能设定较长的软加速时间常数，以减少机械冲击及加工中的振动，在加减速过程中获得较好得加工光洁度。

在加工过程中，超出向前看控制功能的程序段转换作用，进给速度降低且做不到平滑加工过度。在程序段转换时，尽量让下一程序段进给轴提前加速运行是必要的。使用路径加速度跳跃，要根据加工件的要求进行设定，但路径加速度跳跃不是无限制的，其应用值小于进给轴最大加速度的2.2倍。这涉及到拐角功能，应做必要的设定。

（4）小程序段压缩功能（COMPRESSOR）。五轴机床或高速三轴机床在执行直线小线段加工曲面程序时，因进给线段长度变化大，导致进给速度下降，速度波动大，始加工件失去光洁度。使用COMPRESSOR功能，把数段程序（或数十段程序）合并成一段，且没有超出所设定的轮廓精度，以提高加工光洁度和速度。

总之，应用840D的轮廓控制功能前，要认真分析加工件的特性，在CAM设计中尽量考虑这些功能特点并根据需要设置相关参数。

4. 结语

在数控机床高速加工下，获得高轮廓精度，根据其特点选定控制功能，若采用插补前加速度控制功能或轮廓精度控制功能，要从上述三要素对加工进行评价。以加工件的形状和精度选用轮廓控制功能，并有必要进行系统优化。加工模具件和结构件特点不同，选用轮廓控制功能有所不同。轮廓精度越高所涉及因素越多，如插补器循环时间、位置环采样时间、位置环增益、位置环动态匹配和速度环积分增益参数都要予以考虑和调整，以实现数控机床的高、精运行。

我们都知道，机床产品表现好坏，最终体现在是否能满足用户对高速精确的加工要求，尤其是数控机床。所以，对机床的整机概念和数控功能的认识及掌握不可能再停留在一个方面上，无论是机械、电气还是编程操作人员。机床的机械结构和所用的CNC系统功能决定了数控机床的高精快特性。本文论述了主要轮廓控制功能及其特性。轮廓控制功能较多，而且新功能不断出现，所以要根据机床的机械结构和用户要求合理地选择CNC功能是必要的，有利于高速精密数控机床早日走向市场。

20141205）