超高速数控机床控制系统.pdf

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1、超 高 速 数 控 机 床 控 制 系 统Control System of Superhigh Speed NC Machine Tools中国航空工业制造工程研究所 研究员 陈 烨摘要 介绍了超高速数控机床控制系统的几个主要方面:超高速主轴矢量控制器、快速响应的伺服系统、精简指令集计算机系统及超高速切削中的其他辅助功能。关键词:超高速数控机床 矢量控制 快速响应超高速高精度 ABSTRACTSome main problems of the super2high speed NC machine tools,such as superhigh speedspindle vector con

2、troller,servo system of quick-re2sponse,reduced instruction set and other auxiliary func2tions in superhigh speed cutting are introduced in thepaper.Keywords:Superhigh speed NC machine toolVector controlQuick-responseSuperhigh speed andhigh accuracy为了迎接21世纪全球激烈竞争,必须对制造业进行重组,并重新装备新型加工机床以提高对市场变化和顾客不同需

3、求的快速反应能力。超高速加工是国防加工领域中一个带有方向性的新技术,具有适应航空航天新型号研制、生产需要的特点,是航空制造企业实现经营过程重组中应加以认真研究对待的一个项目。由于新型号性能的不断提高,促使结构设计越来越多地采用刚度高、重量轻、承载能力强的轻合金整体结构零件。这些零件具有尺寸大、结构复杂、超薄减重、加工精度高等特点,采用常规数控加工很难控制加工中的变形,并达到高效率地去除大切屑余量。而超高速加工正是满足这种需要的最有效的技术手段。以某机身框为例,其加工余量很大,毛坯重2 000kg,加工后只有128 kg,最薄腹板厚2 mm,在数控五坐标铣床上加工需7+28天(两班制,7天粗加工

4、,28天精加工)。为解决生产效率、质量和速度问题,超高速数控机床是满足这些综合要求最有前景的先进制造设备之一。目前,国际上生产大型多坐标超高速加工机床的公司主要有:美国Cincinnati公司,JOBS公司;法国Forest-Line公 司;德 国Chiron Werke公 司;日 本MAZAK公司等。图1所示为法国Forest-Line公司生产的五坐标高架桥式龙门超高速铣床MINUMAC-TH82.5。机床参数见表1。图1 五坐标高架桥式龙门超高速铣床Fig.15 axis viaduct gantry type superhighspeed milling machine超高速数控加工是一

5、门综合技术,实际应用中还有许多问题尚待解决,这些问题包括:超高速机床的动态、热态特性;超高速机床刀具、工夹具及工艺参数;冷却润滑、切屑排除和安全操作;CNC超高速高精度控制系统等。原中国航空工业总公司为了解决在航空领域中数控加工的综合技术问题在原北京航空工艺研究所(现中国航空工业制造工程研究所)成立了“数控制造技术航空科技重点实验室”(LANCMT),将高速数控加工技术列为主要研究内容之一。本文就超高速数控机床的主轴控制、伺服系统、CNC系统等方面的特性进行综合的分析。71航空制造技术专稿表1 五坐标高架桥式龙门超高速铣床行程X/mm4 00040 000(每级1 000)Y/mm2 5004

6、 000(TH),4 500(PM)(每级500)Z/mm650,1 000,1 250,1 500B/()110C/()200,400,N360工作台尺寸/mm2 5004 000(最小),4 50040 000(最大)承重能力/tm-25轴进给速度X,Y,Z020 000 mmmin-1B,C03 600()min-1轴加速度/ms-22CNCNUM 1060 PCNCSIEMENS 840D刀具冷却系统微润滑式水冷却液系统刀具管理/把旋转圆盘形(TH或PM):20,40,60,80滑轨形(TH):20主轴ORB17,ORB23,ORB26,URC21选件自动铣头和辅件转换切屑传输加工中零

7、件测量测头加工刀具调整探头(接触式或非接触式)悬挂式操作控制单元吸尘装置机械式振动装置摄像控制 注:此表系航空重型超高速铣床的参数。1 采用矢量控制原理的PWM交流变频控制器 电主轴是超高速数控机床的关键部件,目前国际上高水平的有瑞士Fisher公司产品,nmax=40 000 r/min,P=40 kW;法国Forest-Line公司的产品ORB17,nmax=40 000 r/min,P=40 kW,W=9.5 Nm等。轴承多采用陶瓷球轴承、磁浮轴承和空气静压轴承。高水平的电主轴从静止到最高速仅需1.5 s,加速度达到9.8 m/s2。这些参数要求主轴控制器具有极高的动态品质、精度、可靠性

8、和可维护性。矢量控制的PWM交流变频系统是这种控制的最佳选择。矢量控制包括坐标变换和矢量运算(非线性的复杂运算)及参数检测。对交流电动机瞬时值进行控制的必要条件是高速运算。应用专用CPU的32位DSP提高了运算速度,执行一条指令只需几ns,从而达到了转矩快速响应的目标。高速化的另一个因素是采用了固体驱动电路,全数字化的H/W电流控制系统,电机转速的自适应辨识系统和电压、电流测试信号经过采样数据的处理可求出可信度极高的电动机动态参数值。这种矢量控制PWM变频器的性能及规格要求为采用矢量控制,在1Hz时有150%以上的高启动转矩;采用IGBT智能功率模块,载波频率高(15kHz);采用32位DSP

9、(Digital Signal Processor)及MPU芯片,由双CPU实现全信号数字处理的复杂矢量运算和PWM控制;故障自诊断监控及显示;参数自检测和离线自设定功能;基于神经网络的自适应转速辨识能力;两种速度控制方式:恒转矩和恒功率(控制曲线见图2);输出频率范围0.1400 Hz;加减速时间0.13 000 s图2 恒转矩和恒功率控制曲线Fig.2Control curve of constant torqueand constant output2 伺服系统和直线电机驱动超高速加工不但要求机床有极高的主轴速度,且要求很高的进给速度和加速度。进给速度一般大于30 m/min,加速度达到

10、9.8 m/s2。在滚珠丝杆驱动方式下其极限值约为60 m/min和9.8 m/s2,而使用直线电机后可达到160 m/min以上和2.59.8 m/s2以上,定位精度可高达0.50.05m。采用快速、精密、高灵敏度和耐用的直线电机,避免了滚珠丝杆(齿轮、齿条)传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点,实现了无接触直接驱动,可获得一致公认的高精度高速度位移运动(极高的定位精度和重复定位精度),并获得极好的稳定性。但要达到这些要求必须有高性能和高灵敏度的伺服驱动系统。目前全数字交流驱动系统已作为产品得到较普遍81专稿2000年第3期应用,它为伺服控制的高灵敏度及变结构控制打下了基础:用专用

11、CPU进行电流环、速度环、位置环的全闭环控制,并采用前馈控制,利用伺服跟踪预测进行前向补偿以减少跟踪误差,加快响应速度;增加非线性补偿控制功能,补偿驱动机械静摩擦和粘性阻力产生的误差;利用鲁捧控制理论进行自校正控制,克服转矩惯性及负载变化引起的误差;在高速运动中为保证高定位精度而应用磁式高分辨率绝对位置编码器,如每转100万条刻线,分辨率0.01m等。为了达到高速加工中的响应速度快、抗干扰能力强及高的定位精度等优良性能,目前多采用一种变结构的伺服控制方式。这种控制方式能够在系统瞬态变化过程中改变系统结构,而这种变化是由系统当前的状态所决定的。且这种系统具有对系统参数及外扰变化的不敏感性,并能够

12、改善系统的动态特性,使系统快速、准确地定位或跟踪给定曲线。3 精简指令集系统结构的CNC控制系统为了在超高速加工复杂零件时获得高精度,许多CNC系统采用了精简指令集(RISC)系统。它可以快速计算系统参数产生的预期误差,并根据实际需要进行修正,从而使实际轨迹精确地跟踪编程轨迹,消除跟踪误差。RISC还具有控制加、减速,优化执行程序等功能。这种系统(以FANUC16,西门子840为代表)均可采用32位CPU,有些已采用64位CPU,并带有小型数据库,兼有CAM功能,具有MAP3.0通信能力和工具监控功能,采用C语言编程。目前较先进的CNC系统均带有下述功能:(1)故障诊断的人工智能(AI)功能:

13、在系统中存储了引起机械故障原因的信息及如何消除这些故障的知识库,具有推理系统,利用知识库找出产生机械故障的原因。(2)随着CNC内存的扩大而装有小型工艺数据库,可以进行刀具、材料、切削等工艺参数的选择控制。(3)具有很强的图形显示功能:可显示加工零件图形、走刀轨迹、加工过程动态模拟,具有形象、直观、高效的优点,使高速加工过程中尽量少出现误差。(4)实现加工高速化的另一种途径是尽可能提供较强的插补功能:在直线、圆弧插补基础上应用样条、渐开线、极坐标、圆柱、指数函数和三角函数等特殊曲线插补。(5)CNC的高速化,不仅体现在高速加工上,而且还表现在非加工时间的缩短上,为此开发了一种高速专用PLC,提

14、高基本指令的执行时间。(6)配置了一种自动测量机功能,进行加工零件的自动检测,采用刀具长度测量功能并配有五轴刀具补偿功能可进行刀具校正。(7)自动重新运转功能:在NC加工中一旦刀具破损,则要重新开始加工,所以,必须有刀具退出、返回、加工的重新开始,即退出旧刀具装上新刀具后返回中断点开始新的加工。(8)双边同步技术:在龙门移动型高速数控铣床中,当龙门间有效行程大于2 m时,必须采用双边同步系统。主轴功率20 kW以上较重型加工机床,双边同步随动系统采用主从式交叉反馈原理,一般控制最大双边间跟随误差小于0.01 mm。(9)新一代的控制器:NGC(Next Generation Con2troll

15、er)是一个实时加工控制器和工作站控制器。它具有知识库、过程输入/输出、运动控制、实时控制、工作站控制和通信功能。在这种控制器中可将刀具参数优化,即在选择合理刀具材料和结构情况下自动确定刀具切削速度、切削深度、强化切削用量,并提高刀具耐用度,对提高切削效率十分有用。4 其他辅助控制技术超高速加工中会遇到其他一系列问题,主要是:机床加工中非线性、多点热源温升引起的快速变形;刀具和工件的故障检测及安全控制;高速冷却和快速排屑;整体加工中的可靠性问题及为了提高效率而必须与之相配的科学化管理技术等。上述问题主要通过PMC内部可编程机床控制器快速响应的控制技术来解决。(1)对热变形采用多变量控制算法:在

16、多输入多输出系统中对多个变量实现快速控制以辅助热源或辅助冷源实现机床预冷或预热。(2)因主轴以每分钟数万转高速回转,极大的离心力可使破裂的刀片如子弹般飞向四周,除了加固防护罩等措施外,还必须采用在线监控刀具破损和磨损系统,一旦发生不正常迹象即进行报警和安全保护控制。(3)超高速加工中的大量切屑往往阻塞工作台面造成运动不畅,并且切屑是高温热源会造成机床变形和烧灼人体。解决这一问题的一般办法是通过PMC控制高压冷却液(压力为57 MPa),使流量达0.1m3/min,起到排屑和冷却的双重作用。但从环保和降低成本考虑,将来最好采用无冷却液加工。(4)可靠性问题在超高速加工机床中再一次突出,91航空制

17、造技术专稿其原因是在这种加工中影响可靠性的综合因素繁多,如自动换刀系统,在主轴高速切削中若发生一点问题就可能产生极大的损失,所以往往不设置换刀机械手而由主轴头移动至若干指定位置直接换刀。对控制系统而言,它的MTBF(平均故障间隔时间)要高于普通数控机床几十倍才能达到应有的效率和质量。(5)管理技术在所有领域都起着决定作用,但就目前而论,在我国的超高速数控加工领域中矛盾更为突出,一台超高速数控机床必须有一批高水平高素质的人员组合在一个团队中,互相合作,紧密配合,解决工艺编程、操作、维护问题,安排好物料、刀具、工夹具,制定周密的计划,按数控车间的生产准备、计划调度和信息集成软件进行综合管理。否则,

18、一台超高速机床将起不到高效作用。5 存在问题和解决办法(1)高压大流量的冷却液在加工中起到了减少摩擦,降低温度,提高加工精度、表面质量和刀具耐用度的作用,并有利于切屑和排屑。但是使用大量冷却液不但增加了生产成本,而且造成严重的环境污染,消耗在冷却液和废液处理方面的费用,根据美国一些企业统计,目前已占总耗费的14%16%,而刀具费用只占2%4%。为了保护环境和降低成本,最好的办法是不采用冷却液,而用干切削(Dry cutting)。在进行干切削时必须选用合适的刀具材料,并进行专门刀具结构设计和选择经过试验的工艺参数。(2)目前国际上直线电机作为产品已用于高速进给系统中,虽然还存在发热严重、功率较

19、小、价格偏高和对周围环境要求过高等缺陷,但只要选择合适的材料和制造工艺,这些问题是可以解决的。(3)超高速电主轴单元由主轴、轴承、内装式电机和刀具夹持装置4部分组成。内装式电机的采用大大简化了主轴单元结构。但是内装式电机发热使电主轴热态特性和动态特性变差。目前国际上一般采用气油润滑和喷射润滑等技术解决发热问题,并将冷却液通过电主轴孔通向刀柄以起到冷却作用。参考文献1 张昭.CIM环境下工业控制器的发展动态.机床,1992(2):232 刘艳明,黄一夫.32位CNC装置和系统开发研究.机床,1992(5):2830(责编 根 山)(上接第16页)给速度;随着刀具路径变得平直,数控系统又将进给速度

20、提高到机床本身的最大允许进给速度。为了建立不同半径圆弧段的最大允许进给速度,首先只要建立具有代表性半径值的圆弧段最大允许进给速度,然后通过一定的数学处理,就可以在整个加工范围内为不同半径的圆弧段确定相应的最大允许进给速度。获得某个半径圆弧段的最大允许进给速度的方法是:先在机床上慢慢加工出该种半径值的圆柱试件,然后让刀具再重复相同的轨迹,慢慢增加其进给速度并仔细听其声音,当听到刀具与工件的撞击声时,表明此时刀具已经开始偏离程编轨迹,这时的速度也就是加工这个半径圆弧时的最大允许进给速度。选定五六种有代表性的不同半径的圆弧重复这一试验过程,就可以据此获得该台机床加工其他半径圆弧段时的最大允许进给速度

21、。需要指出的是,这种自动调节进给速度的方法与待加工轨迹监控动态调节进给速度的方法不同。在用试切法自动调节进给速度时,零件每段NC代码的进给速度由该圆弧段的坐标及其半径决定,因此,当机床以最大进给速度加工一直线后突然转向一段小直径的圆弧时仍然有可能出现过切现象。然而,即使是仅具有有限待加工轨迹监控功能的数控系统也能够“预见”并避免这种情况出现。4 结束语高速加工是一项很复杂的技术。在最初尝试高速加工时,最好先做一些试验,如以合适的进给速度进行一些实际切削,然后根据加工结果上下调整加工参数。如何在保证加工精度要求的同时,尽量提高机床的进给速度,这是高速加工的研究者们十分关心的一个问题。尽管人们都希望提高加工速度,但是,加工速度快并不是我们的目标,它仅是达到目标的一种方法。如果加工精度、加工表面质量得不到保证,或切削刀具的寿命显著降低,加工速度再快也是毫无意义的。高速加工技术正在不断发展,要成功应用高速加工技术,还有很多技术有待进一步研究和开发。本文是作者在韩国高等技术研究院工作期间完成的。在工作中,Saeng-Ki Lim博士、Seung-Hoon Song博士、Eui-JungKim博士、Byung-Chul Jung先生、Hyun-Sik Ahn先生、Dong-KokLee先生和Rose Park小姐给予了很多的支持和帮助,在此一并致谢。(责编 文 洵)02专稿2000年第3期