數(shù)控機床應用技術概述和數(shù)控機床編程及加工

數(shù)控機床應用技術匯報人：周寶慶大連機床集團

數(shù)控技術應用試驗研究所

大連機床集團

數(shù)控技術應用試驗研究所周寶慶

機床制造商對高端數(shù)控系統(tǒng)的需求1)、硬件的需求2)、高速切削功能3)、五軸加工能力4)、簡易編程（對話式、可視化編程）5)、誤差補償;6)、調(diào)試工具（簡化調(diào)試工作）7)、過程干預和監(jiān)控技術;8)、智能化技術9)、網(wǎng)絡技術一、機、電、液、機械調(diào)試、NC調(diào)試和加工編程集成技術是關鍵GMXlinear系列車銑中心主要要特點：Z1軸采用直線電機

正負主軸采用內(nèi)置電機

其它直線軸采用滾珠絲杠1）、大連機床集團六年前開發(fā)的CHD系列九軸五聯(lián)動車銑復合中心CHD系列車銑中心：主要要特點：正負主軸采用異步內(nèi)置電機

直線軸全部采用滾珠絲杠X1軸滑架質(zhì)量輕：位置增益可以設置高；Z1軸滑架質(zhì)量重：位置增益設置低。為了保證機床的同步精度位置增益必須設置相同值，按最低增益值設置（按Z1軸位置增益設置），這就降低了機床精度。Z軸采用直線電機：1、減少了屑對屑換刀時間；2、提高了位置增益、提高了機床精度；3、加速度提高，提高了切削效率；4、提高了機床伺服剛度和動態(tài)剛度。2）、CHD系列車銑復合中心基礎件3）、加工工件對數(shù)控系統(tǒng)的要求產(chǎn)品件加工五軸產(chǎn)品件加工五軸產(chǎn)品件加工對系統(tǒng)要求：1、高性能處理板2、正付主軸必須是同步內(nèi)置電機3、Z1軸最好是直線電機五軸定向產(chǎn)品件加工對系統(tǒng)要求：1、不需要高性能處理板2、正付主軸可以使用異步內(nèi)置電機3、直線軸可以使用滾珠絲杠

我們把數(shù)控系統(tǒng)選型和配置交給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商，影響我國數(shù)控機床的發(fā)展*！高速、高精度、高表面加工機床動態(tài)性能好高效、高精度、高表面質(zhì)量加工機床剛性好高性能鋼、鈦合金、高溫合金和硬切削等4）、高速機床和重型機床都需要高端數(shù)控系統(tǒng)重型機床更需要高端數(shù)控系統(tǒng)支持！數(shù)控系統(tǒng)框架設計師和型號設計師:

一定要對機床設計技術、機械調(diào)試技術、伺服優(yōu)化技術、加工工藝、NC編程、數(shù)控系統(tǒng)試驗方法和試驗策略進行深入集成研究。才能開發(fā)出市場需求的數(shù)控系統(tǒng),不然數(shù)控系統(tǒng)成長太慢，最終將被市場拋棄。二、數(shù)控系統(tǒng)硬件是根本機床制造商關心的系統(tǒng)硬件主要技術指標：1、電流環(huán)控制周期2、系統(tǒng)控制周期3、插補周期4、程序段預讀能力5、內(nèi)存和外存容量6、程序傳送速度系統(tǒng)系能對機床精度的影響：1、伺服剛度2、動態(tài)剛度*3、反向躍沖精度（象限誤差、摩擦誤差）*4、周期誤差*5、動態(tài)響應誤差*N0001X-110.343…N0002X-110.551…N0003X-110.705…N0004X-110.911…N0005X-111.059…N0006X-111.162…N0007X-111.298…N0008X-111.469...N0009X-111.564…N0010X-111.614…...N7497X-111.6…N7497X-111.559…程序段處理能力：CNC每分鐘能夠計算的程序段數(shù)1）、程序段處理能對切削速度影響–程序段處理能力試驗

NC程序步長越小，程序段量越大，因此對數(shù)控系統(tǒng)字節(jié)的處理能力要求越高。*1步長越小，例如時，使用AIAPC功能時，機床進給率只能達到F500，如果希望達到F2023，需要使用AInanoCC功能。給量

mm/min理論上可以處理的步距*1AIAPCAICCAInanoCCAInanoHPCC5000.070.030.02010000.130.070.030.0120230.270.130.070.0130000.400.200.200.0250000.670.330.170.03100001.330.670.330.071）、程序段處理能對切削速度影響–步長、字節(jié)處理能力和切削速度之間關系

步長集中在1mm以上

0.10.30.50.70.9>1

建議使用AIAPC（F3500）

0.10.30.50.70.9>1步長集中在0.4mm

建議使用AICC或AInanoCC（F3500）1）、程序段處理能對切削速度影響–試驗1

0.10.30.50.70.9>1建議使用AInanoHPCC（F3500）

0.10.30.50.70.9>1步長集中在0.4mm

建議使用AICC或AInanoCC（F3500）1）、程序段處理能對切削速度影響–試驗2

步長集中在2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響-FANUC指令倍乘比(CMR)優(yōu)化

指令倍乘比（CMR）＝最小移動單位÷檢測單位

FANUC系統(tǒng)指令倍率比（CMR），出廠默認值是2倍，國內(nèi)都是使用默認值，但國外進口機床指令倍比都設置10倍以上，最多達到40倍。

提高指令倍率：

提高了系統(tǒng)計算精度(指令脈沖精度），計算精度的提高影響加工效果*，試驗證明：提高了小線段處理的效果，加工速度變快，光潔度，亮度高，刀紋的細膩程度比之前有提高。

1、動態(tài)響應試驗測試條件：測試結果對動態(tài)響應曲線影響不大動態(tài)頻率響應曲線CMR=2

CMR=202）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–改變指令倍乘比(CMR)試驗

測試條件：FANUC0IMD，空載。在提高CMR前后，使用一樣的環(huán)路增益，加減速時

間常數(shù)。

2、圓弧插補試驗

周期誤差*變小，刀路細膩

CMR=2時，XY圓弧插補CMR=20時，XY圓弧插補2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–改變指令倍乘比(CMR)試驗

3、方形帶四分之一圓弧試驗：

動態(tài)剛度*提高，周期誤差*變小，刀路細膩

CMR=2時，XY方帶四分之一圓弧CMR=20時，XY方帶四分之一圓弧2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–改變指令倍乘比(CMR)試驗

POSCPOSFCMR=20，1802#7=1POSF4、反饋試驗：FANUC0i-C反饋更加的均勻，平滑2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–改變指令倍乘比(CMR)試驗

POSCPOSF

CMR=20POSF5、反饋試驗：FANUC31i納米級插補反饋更加的均勻，平滑2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–改變指令倍乘比(CMR)試驗

HEIDENHAIN、SIEMENS、FANUC高端數(shù)控系統(tǒng)都采用納米級插補；SIEMENS828D計算精度是80位；FANUC0iMD系統(tǒng)使用了納米級插補，試驗證明FANUC0iMateD模具加工能力與FANUC0iMC相同，臺灣和國內(nèi)一些機床廠為了降低成本，使用FANUC0iMateD取代FANUC0iMD。2）、計算精度對加工質(zhì)量的影響–納米級插補三、驅(qū)動軟件算法是靈魂高速加工指令HEIDENHAIN：CYCLE32SIEMEN：高速加工循環(huán)：CYCLE832FANUC:AI輪廓控制三種系統(tǒng)加工效果比較：FANUC系統(tǒng)加工曲面表面質(zhì)量好；SIEMEN系統(tǒng)加工曲面加工精度高HEIDENHAIN系統(tǒng)加工曲面加工精度高、曲面表面質(zhì)量好*曲面加工質(zhì)量四個主要指標：1、加工精度2、表面粗糙度；3、相鄰路徑的一致度（或正反向加工的重復性）-----俗稱光亮度4、加工速度1、影響曲面加工質(zhì)量因素相鄰路徑的一致性度在國內(nèi)沒用引起重視！2、相鄰路徑的一致性-虛擬仿真-1沒有相鄰路徑控制功能有相鄰路徑控制功能3、相鄰路徑的一致性-虛擬仿真-2相鄰路徑的一致度好相鄰路徑的一致度差4、相鄰路徑的一致性–切削試驗沒有相鄰軌跡控制功能，表面質(zhì)量差有相鄰軌跡控制功能，表面質(zhì)量好5、路徑預讀功能解決相鄰路徑的一致性的策略：1、增加路徑預讀能力，縮短段處理時間；2、使用3D光順算法控制路徑公差和相鄰路徑公差*；3、路徑速度平滑iTNC530：程序段預讀：1024段，程序段處理時間：FANUC31i：采用高速處理器：程序段預讀：1000段（600），程序段處理時間：西門子840D：程序段預讀：默認設置38段插補周期=MD10050[秒小線段處理技術發(fā)展方向：數(shù)控系統(tǒng)處理原因：1、速度平滑

2、能夠根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)特性平滑處理；3、數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω鶕?jù)軌跡、軌跡間、動態(tài)特性軌跡公差實時控制；4、能夠使用速度濾波技術；5、根據(jù)加工情況更改公差(使用方便）；6、CAM后置處理簡單*。使用數(shù)控系統(tǒng)處理小線段，盡管有占用大量系統(tǒng)資源，計算時間長等缺點。6、軌跡特性控制–

程序段過渡處控制

動態(tài)剛度差:動態(tài)剛度誤差大*FANUC：減速處理SIEMEN：加減速或插入圖素（G642、G643、G644指令,G645)HEIDENHAIN：濾波技術程序段過渡處理技術–影響加工效率、加工質(zhì)量。7、軌跡特性控制–

海德漢拐角濾技術

圓角、拐角-軌跡誤差計算

圓角誤差計算

拐角誤差計算指數(shù)型：Ｅ=０.５２ＶＴ1直線型：Ｅ=０.１８ＶＴ1鐘形：Ｅ=０．１２ＶＴ1圓角誤差△R拐角誤差E指數(shù)型:直線型:鐘形:圓弧切削時的路徑誤差:△r≒R:圓弧半徑（mm）：30mmT1:加減速時間常數(shù)（T2:伺服時間常數(shù)（s）=1/KpKp:伺服環(huán)增益：30s-1F(m/min)△r(mm)5000.012810000.051450001.28

選擇合理的切削參數(shù)非常重要，從表中可以看出，速度相差5倍，精度相差25倍（平方關系）

圓弧-軌跡誤差計算紅色：全閉環(huán)藍色：半閉環(huán)進給速度：1000mm/min

圓角、拐角誤差實測臥式加工中心：電主軸、絲杠中空冷卻、主軸有熱補償功能數(shù)控系統(tǒng)：FANUC18iM，沒有采用納米高性能板7、加速度控制-動態(tài)剛度FANUC：精細加減速SIEMEN：動態(tài)剛度控制激勵能夠通過高動態(tài)設置的速度控制器引起控制系統(tǒng)采樣時間和驅(qū)動產(chǎn)生不同的結果，引起控制系統(tǒng)采樣時間變化幾ms，引起驅(qū)動系統(tǒng)變化多達幾百個μs，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化優(yōu)化情況，這些激勵會導致機械振動。8、前饋實驗條件：X軸移動速度：1000mm/Min增益：1無前饋有前饋高自然頻率和良好的阻尼參數(shù)的高動態(tài)性能機床，在高速情況下能顯著地降低跟蹤誤差大型機床的軸的固有頻率很低，阻尼也較差，因此各軸所能達到的Kv因子值也很低（0.1….2）。在這種情況下，使用前饋控制能使機床達到一個合適的輪廓精度。前饋控制方式：速度前饋：工作臺移動機床電流/扭矩前饋：工作臺不動機床跟隨誤差=設定速度/伺服增益9、加加速（Jeck））限制激活前饋功能后，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，必須使用加加速限制 通過加加速限制，光順加速度的變化率以優(yōu)化輪廓軌跡:減少輪廓偏差在保證表面質(zhì)量情況下以最大進給率加工無加加速控制,振動造成表面凹坑加加速控制,,避免由于振動造成的表面質(zhì)量問題10、五軸加工刀具方向平滑-刀具方向平滑程序例子：例子N40TRAORIN50ORIVECTN60G1F10000N90COMPCADN90$SCORISONTOL=15.0N95$SCORISONDIST=20N97orisonN110X0A3=0B3=0C3=0.1N130X5A3=0B3=0.10C3=0.0.99N140X10A3=0B3=0.10C3=0.99N150X15A3=0B3=0.19C3=0.98N160X20A3=0B3=0.19C3=0.98N170X25A3=0B3=0.28C3=0.95N180X30A3=0B3=0.28C3=0.95N190X35A3=0B3=0.37C3=0.92N200X40A3=0B3=0.37C3=0.92N210X45A3=0B3=0.44C3=0.89N220X50A3=0B3=0.44C3=0.89N230X55A3=0B3=0.51C3=0.85N240X60A3=0B3=0.51C3=0.85N250X65A3=0B3=0.57C3=0.81N260X70A3=0B3=0.57C3=0.81N270X75A3=0B3=0.62C3=0.77

…采用平滑技術沒采用平滑技術10、五軸加工刀具方向平滑-棱角平滑采用棱角平滑技術OST$SCORISMOOTHTOL=20N90X10A3=0B3=0C3=1N100X15A3=0B3=1C3=1N110X20A3=0B3=0C3=1N120X25A3=0B3=1C3=1N130X30A3=0B3=0C3=1N140X35A3=0B3=1C3=1N150X40A3=0B3=0C3=1沒采用棱角平滑技術三、誤差補償

●西門子和FANUC提供了以下誤差補償功能●直線度補償-大型機床;●重力補償（撓度補償）-滑枕;●摩擦力補償–沒臺機床都需要補償;●三維誤差補償-高精度機床;●體積誤差補償（機床21項精度補償）-西門子VCS，五軸機床誤差補償;●熱補償。VolumetricErrorCompensation1、一個典型的5軸加工中心誤差梯度在機床運動空間采用誤差梯度補償VolumetricErrorCompensation2、VCS基本原理MeasurementsKinematicalmachinemodel3、VCS使用例子-Zimmermann（大連機床控股公司）FZ37

4、關于螺距誤差補償我國機床生產(chǎn)廠，都按國標進行螺距補償，技術發(fā)展到今天滾珠絲杠的精度很高，如果有螺距誤差，都是機床裝配有問題。激光干涉儀對溫度很敏感，不同溫度測量結果是不一樣。我廠售后維修人員經(jīng)常問我，為什么有螺距補償，加工的工件就不合格，螺距補償取消就合格。國外的一些廠家使用激光干涉儀對機床抽檢。國外的一些機床根本沒有螺距補償。國內(nèi)也有外資機床采用抽檢方式。現(xiàn)階段對機床進行螺距是在破壞機床精度，越補精度越差！1、

絲杠精度已高于機床精度，已不需要補償，如果螺距誤差是機床裝配質(zhì)量有問題，特別是運動總成裝配有問題，激光干涉儀是裝配質(zhì)量的診斷工具*。2、激光干涉儀檢查出的反向間隙誤差根本不準*；

3、光柵尺安裝不合格，產(chǎn)生阿貝誤差。

4、五軸機床標定五軸機床標定*根據(jù)運動模型，確定哪些誤差可以補償，數(shù)控系統(tǒng)要有這些誤差補償功能5、五軸機床標定檢查循環(huán)西門子、海德漢都提供五軸機床定標檢查循環(huán)6、雙驅(qū)動機床零點的標定雙驅(qū)動零點標定西門子：跟隨功能FANUC：串聯(lián)控制四、伺服優(yōu)化1、頻率響應使用電流環(huán)濾波技術抑制振動；通過頻率響應曲線和其它儀器可以建立一個車間級裝配精度診斷系統(tǒng)；在機床和數(shù)控系統(tǒng)一定的情況下，伺服優(yōu)化只能做到錦上添花，不能做到雪中送炭，但通過伺服優(yōu)化可以對機械設計、數(shù)控系統(tǒng)選型和配置提出改進方案。2、伺服響應誤差-伺服響應不足

摘自MAKINO資料電流環(huán)濾波參考模型速度濾波伺服響應誤差*合格品3、伺服響應誤差-頻寬響應不足4、反向躍沖誤差（摩擦誤差、象限誤差）補償工件質(zhì)量、速度、加速度、潤滑狀況等影響摩擦力，特別是防護罩質(zhì)量部好，摩擦誤差不穩(wěn)定，每次檢查結果不一樣，建議摩擦誤差補償使用人工智能算法。5、進給速度對反向躍沖（摩擦誤差、象限誤差）的影響加速度=F3000反向越?jīng)_補償合適

F500反向越?jīng)_補償大（內(nèi)凹）一般以用戶使用程序進給量及半徑來調(diào)試，此例子加速度相差“36”倍6、非常重要的OEM循環(huán)（工件重量、加工條件、精度要求）基本原理：根據(jù)所加工工件重量、加工條件、精度要求加工，自動設定驅(qū)動和NC參數(shù)，以保證機床良好的動態(tài)性能和精度.

機床經(jīng)過三個月運行后，機床磨合基本穩(wěn)定，這是出廠優(yōu)化的參數(shù)已不適應，需要重新調(diào)整，機床才能達到最優(yōu)狀態(tài)。7、APC高級位置控制（西門子）APCrequires611DPerformance2controlboards.DuetoAPCcontrolcharacteristicamplitudeofcertainresonantfrequenciescanbedampeddownactivelyhenceahigherservogainfactorisadjustable沒有使用APC使用APC機床加速時，根據(jù)牛頓第二定律F=m*a2，這時產(chǎn)生很大的力，床身微動、軸承座變形、絲杠扭曲，結果是光柵尺反饋回的信號噪聲很大、西門子：高級位置控制FANUC：減振控制功能、雙重位置反饋功能、機床速度反饋功能速度環(huán)優(yōu)化：可以實現(xiàn)自動優(yōu)化，F(xiàn)ANUC、西門子都有速度環(huán)自動優(yōu)化功能，

我研究所對西門子自動優(yōu)化實驗證明，比較準確。FANUC不推薦自動優(yōu)化。伺服優(yōu)化的關鍵技術：位置環(huán)、軌跡特性、前饋、加加速限制、小線段處理功能、NC參數(shù)優(yōu)化，這些優(yōu)化影響加工精度和效率*，世界上各機床商，關于這部分優(yōu)化的方法和策略都是保密的，所以大家都認為伺服優(yōu)化很難，請諒解我不能詳細講解在方面內(nèi)容。Mazak數(shù)控系統(tǒng)使用的是三菱的驅(qū)動：模具加工效果不好三菱數(shù)控系統(tǒng)：模具加工效果好*

五、二次開發(fā)支撐環(huán)境機床制造商要二次開發(fā)一些功能：1、專用機床需要在機自動編程系統(tǒng)2、智能化軟件3、網(wǎng)絡監(jiān)控軟件4、網(wǎng)絡管理軟件六、智能化技術-FANUC三軸鉆削中心智能化技術三軸機床智能化技術的重點是：在線熱補償、刀具監(jiān)控、在線學習控制技術提高加工效率FANUC三軸鉆削中心智能化(FanucRoboDrill)智能化技術-Mikron五軸聯(lián)動加工中心智能化技術

五軸機床軸數(shù)多，機床的結構剛性變化大，除了應具備三軸機床的溫度與刀具監(jiān)控外，還要具備旋轉(zhuǎn)軸熱補償、切削振動監(jiān)控和切削參數(shù)最佳化調(diào)整Mikron五軸聯(lián)動加工中心智能化程序智能化技術-

Mazak車銑復合智能化技術

-

智能化最高的是車銑復合機床，由于軸數(shù)多，經(jīng)常要加工非圓對稱工件，因此主動式平衡技術、防碰撞技術是必要的。Mazak車銑復合智能化技術智能化技術-FANUC公司利線學習功能提高剛性攻絲FANUC公司利用在線學習功能提高剛性攻絲的速度和精度智能化技術-FANUC公司使用在線學習功能提高多軸機床同步加

工速度和精度

FANUC公司使用在線學習功能提高多軸機床同步加工速度和精度FANUC公司智能化刀具檢測與管理技術智能化技術-FANUC公司智能化刀具檢測與管理謝謝各位專家！數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92