加工中心CNC控制下的运动

nicholasyi

即使极为复杂的加工过程都可以使用这种适合于五轴加工的控制器得到实现
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图1 当采用可变角铣削加工套筒或锥体时，刀具方向补偿在侧面加工中大有用处
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& {" E- K0 V0 L* e' k3 g图2 工件位置补偿可以把测量结果用于后面加工过程的修正因数
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图3 纳米内插帮助制作极为精细的表面质量，图中展示了利用X/Y轴为3：1的比例进行锥体加工(左：传统结构法；右：纳米内插法)
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  G$ ]- a  N7 [; R$ _图4 五轴加工十分理想地适合于自由模表面加工，比如在气轮机加工或在刃具模具制造中经常使用
五轴铣和车加工可以在一次夹紧后做多侧面加工，这样可以节省辅助时间，并防止因多次夹紧造成的不精确。此外，刀具可以更好地到达难以进行操作的部位，而且加工迎角可以任意选择。GE Fanuc公司的计算机数字控制装置(CNC)为此提供了扩展的功能，利用这些功能，甚至极为复杂的加工过程也可以实现。
0 N/ y8 l; g. z& A" y" B7 ZGE Fanuc公司的16i Model B 18i MB5系列CNC，为五轴铣和车加工等复杂加工进行了优化。对于更高的性能要求，可以采用30i 系列和31i A5系列CNC。所有这些控制装置都可提供扩展的五轴功能，利用这些功能，甚至极为复杂的加工过程也是可以实现的。同时，这些功能支持各种机器配置，不管是安装刀具回转工作头，还是采用圆形工作台，或者两者都用。作为特殊的五轴功能，可以做手动进给(Manual Feed)、刀具长度补偿(TCP，Tool Center Point Control)、刀具方向补偿(Tool Posture Control)和刀具半径补偿(TRC，Tool Radius Compensation)。
手动进给便于动作控制
# R% r* _: g6 O6 C手动进给是一项很重要功能，它可以在出现紧急情况下，如刀具断裂时很好地用手工操作刀具和工件。三轴加工时，操作人员可以简单地把Z轴上的主轴和刀具撤回。而在五轴加工时这一点就很难做得到。利用“手工进给”，机器操作员可以简单地按一下按钮，把刀具撤回、或者将其运行到与刀具方向正交的方向上。这样可以把刀具可靠地撤回到初始位置或安全位置。
刀具长度补偿主要用于在刀具头做回转运动时，使不同长度的刀具也能精确地沿希望的路线进行运动。为此，控制装置考虑到了刀具沿刀具轴线的中心点。主轴头在运行期间执行回转运动，使刀具的中心点保持在希望的运动路线上，因而近似地体现旋转运动的轴线。以这样的方式可以遵守定义的刀具路径。除了线性运动之外，这种功能还支持圆形内插。
. @. [1 j6 r3 F/ L/ z; v刀具方向补偿(图1)是上面所提到的围绕刀具中心点的刀具长度补偿的扩展。这项功能大大有助于侧面加工，比如当铣切加工时套筒或锥体的迎角处于不断变化中。同时，允许的运动方向又取决于相应的平面。这可以防止由于在行走运动时侧面切割而出现不希望出现的材料减少。
. j1 }* o6 t. {/ t. F/ Z刀具半径补偿是五轴加工刀具补偿的又一种形式。刀具的半径补偿可以将工件编程的几何形状按刀具的实际直径进行平衡：刀具较小时，在进给比刀具较大时使进给稍小，由此得到的轮廓因而恰好是所希望的尺寸。另外还可以避免出现不希望出现的内角相切(Interference Check)。CNC控制装置还可以发现刀具即将发生的方向变化，并可及时地减少进给，以便在曲线中不致铣削过度。
* \2 a( ~% z2 I" c工件位置补偿(图2)(Workpiece Setting Error Compensation)、机器误差补偿(Machine Error Compensation)、倾斜工作面上加工(TWP,Tilted Working Plane)以及刀具交会点补偿(Tool Cutting Point Compensation)等4种功能将有更多的改进。当工件在加工过程之后取下时，比如进行测量，然后还要继续进行加工，就用上工件位置补偿(图2)了。同原先的夹紧相比，较小的尺寸误差是不可避免的。这种功能可以把测量结果作为修正因数纳入到后面的加工过程中。
4 n, N& F' }( o8 p2 L& G" U5 y* zCNC还可以对各种机器误差进行补偿。对五轴加工特别有利的功能是，对旋转轴的线性错位进行自动补偿。迄今为止，这种轴距必须在NC编程时加以采集和考虑，现在，使用者可以把这些调整存储在控制装置中，而不必在每个程序中都加以考虑。此外，机床制造厂家还可以对机器的误差沿刀具轴线进行额外的温度补偿。
对于简单的加工形式如钻或切螺纹，可以利用倾斜的工作面。旋转的轴可以为此而调整并固定在所希望的角度。然后可用三条直线轴进行加工。而且也不必像简单的三轴机床那样采用特殊的夹紧装置。 “Tilted Working Plane”这一特点可提供倾斜工作面上加工的功能。
减轻NC编程工作的一项有用的功能是刀具切点补偿。这里涉及到刀具切入材料的切点计算。特殊的刀具如梯形铣刀或圆角铣刀需要有特殊的修正值，这些值通常是输入到CAM软件里的。GE Fanuc公司的新型CNC是在测量之后，把这些值永久保存在控制器里，按一下按键即可调用。这不仅简化了NC编程，而且也可以不必改变NC程序而在短时间内更换刀具。
纳米内插实现精密的表面
由于性能优越，GE Fanuc公司的新型CNC控制器为五轴机床提供了许多优点。这样复杂的机床当然也可以利用传统三轴机床所使用的CNC控制器后来研制出的新产品。
, V7 t4 v$ u" \7 F/ {  v比如纳米内插法(图3)就是GE Fanuc公司CNC控制器制造极精密表面质量的一大强项，这在刃具和模具制造方面很有市场。控制器利用这种功能生成以纳米为单位的定位指令，因而也才使数字精密伺服系统应运而生。利用这种内插，不必对最小的指令增量做四舍五入，高级伺服系统即可对刀具的轨迹进行极为均匀的跟踪，因而在进给快和转数高的情况下可以达到最佳的表面。
一种被称作纳米精磨的功能可用于线性程序，现在许多机床制造厂家仍然在使用这种功能。这样，这些线性程序被自动转换为Nurbs曲线，这将大大有助于对表面进行更均匀的加工，并使工艺过程运动“更加流畅”。当然，Nurbs曲线和表面的最大意义在于对自由模表面的铣削加工（图4）。上面介绍的控制器可以从CAD/CAM系统中引进Nurbs曲线，并可做极为精密的内插，使制成的工件与CAD的几何尺寸完全一致。同时也充分利用了一些数学特征，如连续过渡。它们可以使工艺过程运动流畅自如，使表面均匀平滑。
提高生产率的一项有利功能是机床条件选择功能(Machining-Condition-Selecting- Funktion)。根据对精度的要求，NC程序可以在控制器上分1～10个级别按最高精度或最大速度进行优化，而且可以对所有程序和加工过程分别进行优化处理。比如可以在粗加工时可以给速度以很高的优先性，而在精加工时则可调到很高的精度。
4 o% p; w7 R( t% D/ x# g, L# s数据流的恒定
在对自由模面进行高速加工时，有许许多多的小块需要以快速顺序进行加工。这时，预测功能就发挥重要的作用：它负责使控制器随时拥有稳定的数据流，使加工过程能够不间断地进行。前面介绍的这种控制器可以中间存储1000个小块，随时准备被调用。
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