北京發(fā)格自動化設(shè)備有限公司 (100015) 張 彬
(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(jī)床輔助動作時(shí)間。本次研發(fā)機(jī)床的PLC程序長達(dá)330 kb,借助于CNC8065 Power系統(tǒng)強(qiáng)大的PLC處理能力,PLC的掃描時(shí)間僅為0.4 ms。設(shè)置通用機(jī)床參數(shù)LOOPTIME=3 ms,PRGFREQ=1,即每3 ms掃描一次PLC,保證了對機(jī)床輔助動作的快速處理。②縮短M代碼的執(zhí)行時(shí)間,設(shè)置通用機(jī)床參數(shù)MINAENDW=3 ms,即等待確認(rèn)M功能結(jié)束的時(shí)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(shí)際測試,此措施縮短CT時(shí)間的效果十分顯著。③改進(jìn)機(jī)床輔助動作的PLC編程,縮短輔助動作時(shí)間。例如對刀庫實(shí)行就近找刀,縮短了尋找目標(biāo)刀具的時(shí)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(jī)床在執(zhí)行輔助動作時(shí)軸的運(yùn)行軌跡,減少軸的空行程移動距離。②優(yōu)化輔助動作的時(shí)序,使軸快速定位到加工起點(diǎn)位置與換刀、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動、主軸加減速等輔助動作同時(shí)進(jìn)行,當(dāng)軸到達(dá)加工起點(diǎn)位置后,確認(rèn)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(shí)間。
(1)軸動態(tài)特性的精確調(diào)整。為了滿足高速加工對進(jìn)給軸動態(tài)特性的要求,有必要對軸的特性進(jìn)行精確調(diào)整,一般步驟如下:①電動機(jī)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(jī)的反饋更加精確。②軸的負(fù)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(bǔ)償,它可改善軸換向時(shí)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(jī)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(shí)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(jī)床發(fā)出特定的激勵信號,并根據(jù)機(jī)床的實(shí)際響應(yīng)情況自動調(diào)整相關(guān)參數(shù),以達(dá)到電氣參數(shù)與機(jī)械特性的最佳匹配。
圖3 Finetune軟件的界面
(2)抑制機(jī)床振動。在高速加工過程中進(jìn)給軸頻繁地加減速會引起機(jī)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(jìn)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(shí)速度更平滑,從而降低了振動。②對機(jī)床共振頻率使用帶阻濾波器 (陷波器),消除機(jī)床共振。③對于在執(zhí)行某些程序段時(shí)發(fā)生機(jī)床振動,而又不能通過修改加工程序來解決時(shí),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(dá)到抑制振動的目的。
圖4 加速度變化率限制對速度的影響
本次研發(fā)的機(jī)床在加工過程中會使用15把不同刀具,每次換刀之前會進(jìn)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(jìn)行30次加減速,如主軸電動機(jī)每次加減速時(shí)間能縮短1 s,則CT時(shí)間就能縮短30 s,所以盡量降低主軸加減速時(shí)間是降低CT時(shí)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(shí),電主軸的加減速時(shí)間(0~36000 r/min)為5 s,調(diào)高母線電壓至625 V dc時(shí),加減速時(shí)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(jī)組、速度組的參數(shù)。此措施使主軸加減速時(shí)間由2.5 s降至1.5 s。
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(shí)間,并在刀具壽命到達(dá)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(shí),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(jī)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(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)壽命次數(shù)時(shí)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(jìn)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(rèn)為刀具過度磨損或已折斷,系統(tǒng)給出報(bào)警并提示更換新刀具。
FAGOR的#HSC指令采用獨(dú)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(shí),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(jìn)給率和加速度,使機(jī)床運(yùn)動更加平滑,有效抑制了機(jī)床振動,保證了加工質(zhì)量,縮短了加工時(shí)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(jìn)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(jī)床參數(shù)。
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(yùn)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(shí)間。主要方法如下:
(1)刀具軌跡應(yīng)盡量簡單,有利于加工時(shí)能夠達(dá)到最大進(jìn)給速度。例如輪廓中的圓弧應(yīng)盡量使用圓弧插補(bǔ)代替用很多微小直線段來逼近圓弧,因?yàn)楹笳咴贑NC執(zhí)行時(shí)會在線段拐角處減速從而使加工時(shí)間變長。
(2)分析工件輪廓特點(diǎn),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(jìn)給率。
(4)現(xiàn)在很多CAM軟件針對縮短CT時(shí)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(shí)間預(yù)估和分析功能,它不但考慮每個加工步驟的時(shí)間,還考慮軸加減速時(shí)、主軸加減速、換刀、M代碼執(zhí)行等時(shí)間。充分利用這些功能可以線下估計(jì)CT時(shí)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(jìn)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
如何縮短加工周期時(shí)間是進(jìn)行大批量產(chǎn)品加工的數(shù)控機(jī)床面臨的一個重要課題,要從機(jī)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(jī)床CT時(shí)間的方法,在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)正。 (全文完)