基于FANUC系统的高速精加工模具成型精度控制分析

张欣波，王 泽，弓清忠，李宏伟

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门 361024；2.集美大学机械与能源工程学院，福建厦门 361024；3.江汉石油管理局有限公司车辆管理中心，湖北潜江 433123）

0 引言

高速高精度机床加工中，对机床各个环节的要求都很高，某一个环节即使出现很小纰漏，也可能导致机床发生振动，从而在加工表面出现各种振纹或影响加工精度。因此，在对加工品质要求极高的机床加工中，需要严格确保所有相关环节都达到要求。通常在实际加工过程中，机械、NC 程序、加工工艺、刀具、CNC 和伺服等方面，对于机床加工质量会产生较大影响（图1）。遇到加工问题时，在使用FANUC 数控系统推荐的标准加工参数基础上，也要从以上方面查找原因。

图1 影响加工精度的主要因素

1 机械

机械作为机床的基础，对加工的影响毋庸置疑。机械设计和装配精度可大大降低对电气侧调试的依赖。因此，在模具加工调试时，应首先从机械侧入手，分析机床特性，保证机械部分处在较好水平。

1.1 配置确认（线轨，螺距）

线轨和硬轨都是机床上直线运动的结构方式。线轨是滚动摩擦，在机床行业中使用越来越多。线轨摩擦力小、反应灵敏、惯量小、安装调整方便，但强度不如硬轨，重载加工可能出现弯曲。硬轨是滑动摩擦，刚性好、承载能力强。一般在高速精加工中心都是采用高精度线轨作为机床导轨，这极大地保证了机床加工精度。螺距一般指在螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。为保障机床加工的数控精度，通常需要进行螺距补偿，通过调整数控系统的参数，增减指令值的脉冲数。高精度加工机床进行周期性的检定和螺距误差补偿，可以在保证精度前提下延长机床使用寿命。

1.2 装配精度

重点指标：Z 轴反向间隙（线轨＜5 μm，硬轨＜10 μm），各轴重复定位精度＜10 μm。定位精度是指零件或刀具等实际位置与标准位置（理论位置）之间的差距，差距越小，说明精度越高，是零件加工精度得以保证的前提。重复定位精度是在相同条件下（同一台数控机床，应用同一零件程序）加工一批零件所得到的连续结果的一致程度。通过长期的零部件加工数据分析和实践操作可知，数控机床的加工误差，从结构上看多由机床的几何精度尤其是定位精度引起。可采用位置控制和几何精度控制来提高机床加工精度。

1.3 主轴振动（15 000 r/min 及以上主轴V1 振动等级，15 000 r/min以下V3 等级）

机床主轴是机床设备中极为关键的部分，主轴工作稳定直接影响机床的加工精度和可靠性。影响机床主轴运动特性的主要零部件有机床主轴轴承、齿轮、滚珠丝杠及导轨等。各零部件相互作用、相互配合，共同保障机床主轴安全、高效运行。

1.4 外围振动（油冷机、风扇等）

油冷机和风扇工作时都有可能与机床发生共振。共振造成的振幅过大会改变刀具和工件的正常运动轨迹，引起二者之间相对位置发生偏移，降低加工表面质量和尺寸精度。在加工中心实际切削作业中，通常自激振荡的频率在35～55 Hz，受迫振动的驱动力频率通常在26～66 Hz。要避免出现共振现象，就要使机床的自激振动频率离开驱动力频率的区间，这可以通过改变机床设计结构和材料来实现。同时避免数控机床周围附近有产生振动的大型设备，或有重型车辆行驶，引起地基振动，并传递到床身，造成共振。

1.5 伺服轴机械刚性

伺服轴是相对于步进轴来说的，伺服轴表明全闭环控制，伺服驱动器工作在速度方式或者转矩方式，控制器负责位置环的控制。步进轴表明控制器是开环的，伺服驱动器工作在位置方式下。当加工点的指令跟随性和抑制外力干扰的性能比较低时，可以提高机械刚性和速度增益，速度增益能设定的最大值取决于机械刚性。伺服轴全闭环时产生振动主要有以下原因。

（1）外部干扰。全闭环控制使用的编码器、光栅尺等电缆受外围强干扰影响，引起伺服轴误动作、振动、零点无法建立等故障。这方面只需要加强屏蔽、规范走线即可解决问题。

（2）机械传动。在全闭环机床中，存在有大型减速机构，且机械传动刚性不高，传动间隙较大，导致在全闭环控制中出现振动。可以通过调整机床速度反馈、相关增益调整、双重位置反馈来改变。①机床速度反馈。通过全闭环系统，将机床本身速度加到速度控制器中，由此确保整个位置环路的稳定，降低振动；②双层位置反馈。同时考虑全闭环和半闭环的位置数据，将全闭环控制成类似半闭环的功能；③相关增益调整。通过调整伺服电机的积分增益、位置环增益、速度环增益，实现振动消失，提升精度。

2 程序

NC 程序作为模具成型的基础，对加工表面质量和加工效率作用明显。因此，检查程序是否合理是模具调试中需要重视的内容。

2.1 CAM 软件选择

常用的CAM 软件都有自身的优势和不足，用户根据自身需要选择。UG 的CAM 模块提供了产生精确刀具路径的方法，允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀轨，如延伸、修剪等，所带后处理程序支持多种数控机床。Pro/ENGINEER 提供最佳加工路径控制和智能化加工路径创建，允许NC 编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。Virtual Gibbs 软件具有过程控制功能，用户可返回到以前的任何步骤进行修改，可用多个刀具作一次装夹加工，简化编程，节省时间。Master CAM 软件三维造型功能稍差，但操作简便实用，容易学习，增加了许多加工任选项，使得用户具有更大的灵活性，如多曲面径向切削、刀具轨迹投影到数量不限的曲面上、C 轴编程等功能。

2.2 重点CAM 参数控制

（1）程序公差。FANUC 推荐公差为1 μm，减小公差可提高加工表面质量；依据CAD 模型生成的程序指令点，确保每条小线段都不会超出公差范围，减小公差，刀具路径变得更平滑。程序加工路线公差示意如图2 所示。

图2 程序加工路线公差示意

（2）线段长度。通常公差设定由CAM 软件自动确定。程序段长度直接影响加工效率，预读程序段越多，小线段程序的最大进给速度提高的可能性越大。因此可以实现高速加工，但同时需要使用与进给速度相匹配的主轴转速。

（3）步距。步距就是切削的间距，每两刀之间刀具中心线的距离，粗加工设置刀具直径的75%左右。两个切削路径之间的水平距离，决定了切削后的残余高度（表面粗糙度理论值）。步距减小，表面粗糙度会变好，但会延长加工时间。步距决定了切削后的残余高度，如果行距减小，表面粗糙度会变好。步距推荐值P=0.02×刀具直径。残余高度计算公式（球头铣刀）如下。

式中 H——残余高度

R——刀具半径

P——步距

2.3 程序分析

数控仿真软件通过虚拟环境完成零件的加工，与数控实际加工有机结合，具有安全性、实用性等优点。使用程序模拟软件对NC 程序进行合理性分析，是否存在“垃圾点”。垃圾点会造成加工表面有振纹或凹坑极小线段，导致加工效率低下。

3 工艺

工艺作为直接作用于工件表面的执行方式，直接决定加工表面质量和效率。检查工艺是否合适，是确保机床加工品质的一项重要内容。工艺方面重点关注以下4 个问题。

（1）主轴转速。避开主轴共振点，尽可能提高转速以提高表面光洁度。机床的共振部位一般发生在主轴单元，因为主轴悬伸长，刚性差，容易发生共振。共振的发生主要是机床夹具或主轴固有频率，与加工切削时产生的振动频率重合或者匹配。共振造成的振幅过大会改变刀具和工件的正常运动轨迹，引起二者之间相对位置发生偏移。这样不仅降低加工表面的质量和尺寸精度，使工件表面粗糙度增加，甚至出现振动波纹，导致刀具磨损加快，使用寿命减少。因此，为防止产生共振，首先需了解刀具安装在主轴上的固有频率。检测方式就是使用振动传感器接触刀具或主轴，敲击刀具，了解其固有频率曲线，通过调整动平衡、刀具长度和刃口数量等改变其固有频率，规避共振。

（2）进给速度。选择适当的进给速度（F∶S≈1∶4），保证加工质量的前提下提高效率。进给速度是刀具上的基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度。增加进给速度，虽然可以缩短加工时间，但是产品的尺寸就会不稳定，而且容易损坏刀片，直接影响工件的表面粗糙度。在工件的加工精度和表面粗糙度质量要求能够得到保证的前提下，选择尽可能高的进给速度。

（3）切削深度。精加工尽量减小余量约50 μm，提高光洁度，同时保证刀具寿命。切削深度是切削工件时已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。为尽量去除材料，保证刀具寿命，一般采用刀具商推荐的切削速度，尽可能增加切削深度。在机床性能允许的条件下，首先应该选择较大的吃刀深度。在实际工作中，切削量和走刀速度到最佳最好。不能单一加大切削量或者走刀速度，以提高效率为目的，前提是在机床承受能力以内。

（4）冷却。选择与加工材料相匹配的切削液，例如，铝用切削液，钢用切削油。在实际切削加工过程中，经常会出现粘刀、断铣刀、断丝锥、烂牙等问题，这和冷却液有着重要联系。选择适合加工材料的冷却液，能降低工件温度，避免工件变形过大，同时起到润滑作用，减少摩擦阻力，又保证工件表面的光洁度。

4 刀具

刀具作为模具加工的介质，选择是否合适对模具加工质量有很大影响，主要从以下方面确认刀具。

（1）刀具材料。刀具材料大致可分为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金刚石。数控机床加工工件时，刀具高速旋转并直接与毛坯接触，因此刀具材料在高温下必须有非常好的硬度和耐磨性。同时有抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，在加工过程中保持不变形。刀具材料硬度越高，相应的耐磨性也越好，但是其抗弯强度和冲击韧性越低。针对不同的加工材料，选择合适刀具。

（2）刀柄选择。通常15 000 r/min 以上，建议使用HSK 真空刀具系统。刀柄是机械主轴与刀具和其他工具的连接件，各种类型的刀柄都有自身优缺点，根据需要选择相应刀柄来满足加工要求。HSK 工具系统是一种新型的高速短锥型刀柄，其接口采用锥面和端面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，有利于实现换刀轻型化和高速化。NC5 刀柄采用空心短锥结构，也是采用锥面和端面同时定位、夹紧工作方式，可满足重切削的要求。CAPTO 刀柄的结构是三棱圆锥，棱为圆弧形，采用锥面与端面同时接触定位。三棱圆锥结构不再需要传动键，消除了因传动键和键槽引起的动平衡问题。

（3）刀具装夹。低速加工，采用BT 刀柄，液压夹头；高速加工，选择HSK 刀柄，液压或热膨胀刀柄。刀具安装情况直接影响工件加工精度，在高速精加工应用中，尽可能使用短刀柄。此外，刀具应当尽量安装在刀柄内。这可以提高刀柄对刀具的夹持力，减少振动。

5 CNC

CNC 侧对模具加工的影响，主要体现在系统功能和高速高精的相关参数，机床几何精度的螺距误差补偿、伺服刚度的优化、刀具补偿、零点确认等都有相关机床参数作为保障。调试思路如下。

（1）系统功能确认（AICCⅠ、AICCⅡ）。高速高精度功能是对工件质量要求较高时普遍采用的控制方式。FANUC 系统提供了多种高速高精度控制功能，可以使系统在加工过程中增加程序预读段数，预知加工轨迹，从而提前做出判断，提高加工效率。可以通过相对应的参数调整使工件加工达到优化，减少加工误差。AICCⅠ主要是面向零件加工，AICCⅡ主要是面向连续小线段模具加工及基于NURBS 曲线插补的加工。

（2）高速高精参数调整。由标准参数导入。

（3）参数微调。前述步骤无法改善加工质量，则需微调AICC参数。

6 伺服

伺服方面，主要是借助Servo Guide 进行机床优化，提高伺服系统刚性，减少加工误差。伺服优化主要包含以下内容。

（1）伺服参数初始化确认（确认电机初始化无误）。主要检查电机型号与实际安装的电机是否一致，伺服放大器是否与实际安装的一致。

（2）电流环（确认HRV3+开启）。数控系统的电流环相对于速度环、位置环而言，时间常数最小、响应最快。因此，应先将电流环确定为一个较为理想的状态，再对其他环节进行优化。HRV3 控制模式主要是为适应高速的伺服DSP 处理器而设定的。

（3）速度环（尽可能提高伺服增益）。速度环是机床伺服系统实现动态跟踪的重要环节，伺服系统快速定位和准确追踪的基础是速度环具有较好的动态响应能力，宽广的调速范围及优异的抗扰性能等。速度环的调整与去除机械共振影响密切相关，在不发生共振及产生异常响动的前提下，逐渐增加速度环的增益直至得到理想的速度环增益。

（4）位置环（确认伺服无振动）。确定速度环的响应特性后，可以对位置环增益进行调整。位置环作为伺服控制的最外环，其性能好坏直接影响机床加工精度。位置环的增益不仅包括位置环的软件增益，还包括速度环的增益。速度环增益确定之后，位置环增益不能大幅增加，应该更加精细，通过调整位置环的增益使偏差最小，从而确定最佳值。

（5）其他参数调整。系统的前馈系数、伺服轴加减速控制。

7 总结

高速高精度机床加工问题的调试非常复杂，原因就在于可能导致问题的因素非常多。本文叙述的6 个因素是影响加工质量的主要原因，但也并非全部，其他诸如外部环境等也是需要考虑的因素。

平常加工调试中，很多人会优先修改参数，认为这是最简单方便的做法。但事实上这种方法并不值得推荐，频繁修改参数以应对不同的加工问题，虽然有时可以对当前问题有所改善。但长期来看，不利于机床制造厂商的产品标准化和模块化，也不利于成熟稳定的产品生产品质管理体系的建立。因此通常建议，在不断优化完善产品自身参数的同时，遇到问题应当去深入分析造成问题的实际原因，并通过合理有效的方式解决。