北京發(fā)格自動化設(shè)備有限公司 (100015) 張 彬

2.PLC和宏程序的優(yōu)化

(1)對PLC的優(yōu)化:①縮短PLC的掃描間隔可以提高PLC的響應(yīng)速度，從而縮短機床輔助動作時間。本次研發(fā)機床的PLC程序長達330 kb，借助于CNC8065 Power系統(tǒng)強大的PLC處理能力，PLC的掃描時間僅為0.4 ms。設(shè)置通用機床參數(shù)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(zhí)行時間，設(shè)置通用機床參數(shù)MINAENDW=3 ms，即等待確認M功能結(jié)束的時間由10 ms縮短為3 ms，由于加工過程中執(zhí)行了大量的M功能，經(jīng)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(biāo)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(guān)宏程序的優(yōu)化:①規(guī)劃機床在執(zhí)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(yōu)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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動、主軸加減速等輔助動作同時進行，當(dāng)軸到達加工起點位置后，確認輔助動作已經(jīng)結(jié)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(diào)整

(1)軸動態(tài)特性的精確調(diào)整。為了滿足高速加工對進給軸動態(tài)特性的要求，有必要對軸的特性進行精確調(diào)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(tài)摩擦力矩的測量和補償，它可改善軸換向時的響應(yīng)。③精確調(diào)整驅(qū)動器速度環(huán)PI參數(shù)，使電動機速度正確精確跟蹤速度指令的變化。④精確調(diào)整位置環(huán)PI控制和前饋控制參數(shù)，使動態(tài)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(tǒng)內(nèi)部集成的Finetune自動調(diào)試軟件，以上調(diào)整均能自動完成。圖3為Finetune軟件的界面。

該自動調(diào)試軟件能向機床發(fā)出特定的激勵信號，并根據(jù)機床的實際響應(yīng)情況自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達到電氣參數(shù)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(zhì)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(zhí)行某些程序段時發(fā)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(tǒng)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(diào)整

本次研發(fā)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(zhuǎn)速，即加工循環(huán)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(diào)試過程中采取了如下2條措施:

(1)調(diào)高RPS電源模塊的直流母線輸出電壓，當(dāng)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(diào)高母線電壓至625 V dc時，加減速時間縮短至2.5 s。

(2)優(yōu)化主軸驅(qū)動器的參數(shù)，主要是磁通組、電動機組、速度組的參數(shù)。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(chǎn)中加工的連續(xù)性，刀具的壽命管理變得十分重要。數(shù)控系統(tǒng)要能夠記憶每把刀具已經(jīng)使用的次數(shù)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(shè)定每把刀具的預(yù)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(fā)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(fā)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(shè)定每把刀具的預(yù)期使用次數(shù)，并且可以監(jiān)視刀具已經(jīng)使用的次數(shù)。在PLC程序中對刀具使用次數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_預(yù)設(shè)壽命次數(shù)時會提示更換新刀。

(2)在加工過程中，當(dāng)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(yù)先設(shè)定的數(shù)值則認為刀具過度磨損或已折斷，系統(tǒng)給出報警并提示更換新刀具。

三、加工程序的優(yōu)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(dāng)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(yīng)地調(diào)節(jié)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(zhì)量，縮短了加工時間。

指令的格式為#HSC ON［FAST，E數(shù)值］，其中“FAST”表示工作在高速模式下，“數(shù)值”用于指定輪廓誤差，正確設(shè)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(shè)定高速加工相關(guān)的機床參數(shù)。

2.運用CAM軟件優(yōu)化加工程序

CAM軟件對于高速數(shù)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(zhǔn)確高效的NC加工程序可以顯著縮短數(shù)控加工的CT時間。主要方法如下:

(1)刀具軌跡應(yīng)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(yīng)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(zhí)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(yōu)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(tǒng)和刀具載荷分析功能，選擇合適的刀具并優(yōu)化刀具轉(zhuǎn)速和進給率。

(4)現(xiàn)在很多CAM軟件針對縮短CT時間開發(fā)了新功能，例如CAPSmill軟件是一款專門用于優(yōu)化加工過程縮短CT的CAM軟件，有CT時間預(yù)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(zhí)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(diào)整和安排各個加工步驟，并且能直觀的看到調(diào)整后的結(jié)果，使加工程序在投入試加工之前即已得到優(yōu)化。

(5)合理規(guī)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(yōu)化。

圖6 粗精加工的優(yōu)化

四、結(jié)語

如何縮短加工周期時間是進行大批量產(chǎn)品加工的數(shù)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(tǒng)的硬件選型、數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試、加工程序的優(yōu)化三方面縮短數(shù)控機床CT時間的方法，在實際應(yīng)用中得到了驗正。 (全文完)