CNC控制器知識介紹

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tags:    時間:2014-03-12 02:21:29
CNC控制器知識介紹簡介
       CNC技術的發展相當迅速,這大大提高了模具加工的生產率,其中運算速度更快捷的CPU是CNC技術發展的核心。CPU的改進不僅僅是……
CNC控制器知識介紹正文
       CNC技術的發展相當迅速,這大大提高了模具加工的生產率,其中運算速度更快捷的CPU是CNC技術發展的核心。CPU的改進不僅僅是運算速度的提高,而且速度本身也涉及到了其它方面CNC技術的改進。正因為近幾年CNC技術發生了如此大的變化,才值得我們對當前CNC技術在模具製造業的應用情況作一個綜述。

    程序塊處理時間及其它由於CPU處理速度的提高,以及CNC製造商將高速度CPU應用到高度集成化的CNC系統中, CNC的性能有了顯著的改善。反應更快、更靈敏的系統實現的不僅僅是更高的程序處理速度。事實上,一個能夠以相當高的速度處理零件加工程序的系統在運行過程中也有可能象一個低速處理系統,因為即使是功能完備的CNC系統也存在著一些潛在的問題,這些問題有可能成為限制加工速度的瓶頸。

    目前大多數模具廠都意識到高速加工需要的不僅僅是較短的加工程序處理時間。在很多方面,這種情況和賽車的駕駛很相似。速度最快的賽車就一定能贏得比賽嗎?即使是一個偶爾才觀看車賽的觀眾都知道除速度以外,還有許多因素影響著比賽的結果。

    首先,車手對於賽道的了解程度很重要:他必須知道何處有急轉彎,以便能恰如其分地減速,從而安全高效地通過彎道。在採用高進給速度加工模具的過程中,CNC中的待加工軌跡監控技術可預先獲取銳曲線出現的信息,這一功能起著同樣的作用。

    同樣的,車手對其他車手動作以及不可確定因素的反應靈敏程度與CNC中的伺服反饋的次數類似。CNC中伺服反饋主要包括位置反饋、速度反饋和電流反饋。

    當車手駕車繞賽道行駛時,動作的連貫性,能否熟練地剎車、加速等對車手的臨場表現有著非常重要的影響。同樣地,CNC系統的鐘形加速/減速和待加工軌跡監控功能利用緩慢加速/減速來代替突然變速,以保證機床的平穩加速。

    除此以外,賽車和CNC系統還有其它相似的地方。賽車發動機的功率類似於CNC的驅動裝置和電機,賽車的重量可以和機床中運動構件的重量相提並論,賽車的剛度和強度則類似於機床的強度和剛度。CNC修正特定路徑誤差的能力與車手具備的將賽車控制在車道內的能力極其相似。

    另一個與目前CNC相似的情況是,那些速度不是最快的賽車往往需要技術全面的車手。過去只有高檔的CNC才能在高速切削的同時保證較高的加工精度。如今,中、低檔的CNC所具備的功能也有可能令人滿意地完成工作。雖然高檔CNC具備目前所能獲得的最佳性能,但也存在著這種可能,即你所使用的低檔CNC具有與同類產品中高檔CNC一樣的加工特性。過去,限制模具加工最高進給速度的因素是CNC,今天則是機床的機械結構。在機床已處於性能極限的情況下,更好的CNC也不會使性能再提高。

   

    以下是目前模具加工過程中的一些基本的CNC特性:

    1、曲線曲面的非均勻有理B樣條(NURBS)插補

    該項技術採用沿曲線插補的方式,而不是採用一系列短直線來擬合曲線。這一技術的應用已經相當普遍。許多模具行業目前使用的CAM軟體都提供了一個選項,即生成NURBS插補格式的零件程序。同時,功能強大的CNC還提供了五軸插補功能以及與此相關的特性。這些性能提高了表面精加工的質量,改善了電機運行的平穩度,提高了切削速度,並使零件加工程序更小。

    2、更小的指令單位

    大多數的CNC系統向機床主軸傳遞運動和定位指令的單位不小於1微米。在充分利用CPU處理能力提高這一優勢后,一些CNC系統的最小指令單位甚至可達到1納米(0.000001mm)。在指令單位縮小1000倍后,可獲得更高的加工精度,可使電機運行得更平穩。電機運行的平穩使得一些機床能夠在床身振動不加大的前提下,以更高的加速度運行。

    3、鐘形曲線加速/減速

    也稱作為S曲線加速/減速,或爬行控制。與使用直線加速方式相比,這種方式可使機床獲得更好的加速效果。與其它加速方式相比,也包括直線方式和指數方式,採用鐘形曲線方式可獲得更小的定位誤差。

    4、待加工軌跡監控

    這一技術已被廣泛使用,該技術具有眾多性能差異,使其在低檔控制系統中的工作方式與高檔控制系統中的工作方式得以區別開來。總的來講, CNC就是通過加工軌跡監控來實現對程序的預處理,以此來確保能獲得更優異的加速/減速控制。根據不同的CNC的性能,待加工軌跡監控所需的程序塊數量從兩個到上百個不等,這主要取決於零件程序的最短加工時間和加速/減速的時間常數。一般而言,要想滿足加工要求,至少需要十五個待加工軌跡監控程序塊。

    5、數字伺服控制

    數字伺服系統的發展如此迅速,以至於大多數機床製造商都選擇該系統作為機床的伺服控制系統。使用該系統后,CNC能夠更及時地控制伺服系統,而且CNC對機床的控制也變得更精確。

    數字伺服系統的作用如下:

    1)將提高電流環路的採樣速度,再加上電流環控制的改善,從而降低電機溫升。這樣,不僅可以延長電機的壽命,還可以減少傳遞到滾珠絲杠的熱量,從而提高絲杠的精度。除此之外,採樣速度的加快還可以提高速度迴路的增益,這些都有助於提高機床的整體性能。

    2)由於許多新的CNC使用高速序列與伺服迴路相連,因此通過通訊鏈路,CNC可獲得更多的電機和驅動裝置的工作信息。這可提高機床的維護性能。

    3)連續的位置反饋允許在高速進給的情況下進行高精度的加工。CNC運算速度的加快使得位置反饋的速率成為制約機床運行速度的瓶頸。在傳統的反饋方式中,隨著CNC和電子設備的外部編碼器的採樣速度的變化,反饋速度受到信號類型的制約。採用串列反饋,這一問題將得到很好的解決。即使機床以很高的速度運行,也可達到精密的反饋精度。

    6、直線電機

    近幾年來,直線電機的工作性能和歡迎度有了顯著的提高,所以很多加工中心採用了這一裝置。至今,Fanuc公司至少已經安裝了1000台直線電機。GE Fanuc的一些先進技術使得機床上的直線電機的最大輸出力為15,500N,最大加速度為30g。另一些先進技術的應用使機床的尺寸得以減小,重量得以減輕,冷卻效率大為提高。所有這些技術上的進步使直線電機在與旋轉電機相比時,優勢更強:更高的加/減速率;更準確的定位控制,更高的剛度;更高的可靠性;內部的動態制動。

    外部附加特性:開放式CNC系統

    採用開放式 CNC系統的機床發展非常迅速。目前可供選擇的通訊系統的通訊速度都較高,因而出現多種類型的開放式CNC結構。絕大多數的開放式系統將標準的PC機的開放性與傳統CNC的功能相結合。這樣做最大的好處在於:即使機床的硬體已經過時,開放式的CNC仍然允許其性能隨現有技術和加工要求改變。藉助於其它軟體,還可以向開放式CNC中添加其它功能。這些性能可以是與模具加工密切相關的,也可以是與模具加工關係不大的。通常情況下,模具車間使用的開放式CNC系統具有以下這些常用的功能選擇:

    價格低廉的網路通訊;
    乙太網;
    自適應控制功能;
    可供連接條形碼閱讀器、刀具序列號閱讀器和/或托盤序列號系統的介面;
    保存和編輯大量零件程序的功能;
    存儲程序控制信息的採集;     
    文件處理功能;
    CAD/CAM技術的集成和車間規劃;
    通用的操作界面。

    最後一點極為重要。因為模具加工對操作簡單的CNC 的需求越來越大。在這個概念中,最重要就是不同的CNC具有相同的操作界面。就一般情況而言,不同機床的操作人員必須分開培訓,因為不同類型的機床,以及不同製造商生產的機床使用的CNC界面都不相同。開放式CNC系統為整個車間使用同一個CNC控制界面創造了機會。

    現在,機床的所有者即使不懂C語言,也可以為CNC操作設計自己的界面了。此外,開放式系統的控制器允許根據個人的需要,設定不同的機器運轉方式。這樣操作者、編程人員和維修者可按自己的要求進行設置。在使用時,屏幕上只出現他們需要的特定信息。採用這樣的方式可減少不必要的頁面顯示,有助於簡化CNC操作。

   

    在製造複雜模具的過程中,五軸加工的應用變得越來越廣。使用五軸加工,可以減少加工一個零件所需的工裝或/和機床的數量,加工過程所需的設備數量將被減至最低,與此同時也降低了總的加工時間。CNC的功能越來越強,這使得CNC製造商能夠提供更多的五軸特性。

    從前只有高檔CNC才具備的功能,如今也被用在中檔產品上。對於那些從未使用過五軸加工技術的廠家而言,這些特性的應用使得五軸加工變得更簡單。將目前的CNC技術用於五軸加工,使得五軸加工具備以下優勢:

    減少專用工具的需求;
    允許在完成零件程序后再設定刀具的偏置;
    支持通用程序的設計,這樣經過後處理的程序可以在不同機床之間互換使用;
    提高精加工的質量;
    可用於不同結構的機床,這樣就不必在程序中說明是主軸還是工件在繞中心點轉動。因為這將由CNC 的參數來解決。

    我們可以用球形銑刀的補償的例子來說明為何五軸特別適用於模具加工。在零件和刀具繞中樞軸旋轉時,為了準確地補償球形銑刀的偏置,CNC必須能夠在X、Y、Z三個方向動態地調整刀具的補償量。保證刀具切觸點的連續,有利於提高精加工的質量。

    此外,五軸CNC的用途還表現在:與繞主軸旋轉刀具相關的特性,與繞主軸旋轉零件相關的特性,以及允許操作者採用手動方式改變刀具矢量的特性。

    當採用刀具的中軸線作為迴轉軸線時,原來Z軸方向的刀具長度偏置將被分成X、Y、Z三個方向的分量。另外,原來X、Y軸方向的工具直徑偏置也被分為X、Y、Z軸三個方向的分量。 由於在切削工程中,刀具可以沿旋轉軸方向做進給運動,所有這些偏置必須動態更新,以便說明連續變化的刀具的方位。

    CNC另一項被稱為「刀具中心點編程」的特性,允許編程人員定義刀具的路徑和中心點速度,CNC通過旋轉軸和直線軸方向的命令來保證刀具按照程序運動。這一特性使得刀具的中心點不再隨刀具的變化而變化,這也意味著:在五軸加工中可以象三軸加工一樣直接輸入刀具的偏置,還可以通過再一次後置程序來說明刀具長度的改變。這種通過使主軸旋轉來實現轉軸的運動特性簡化了刀具的編程後置處理。

    利用同樣的功能,使工件繞中樞軸旋,機床也可以獲得旋轉運動。新研製的CNC能夠通過動態地調整固定偏置和旋轉坐標軸來配合零件的運動。當操作人員採用手動方式來實現機床的慢速進給時,CNC系統同樣起著重要的作用。新研製的CNC系統同樣允許軸沿著刀具向量的方向緩慢進給,在沒有刀尖位置變化的前提下,還允許改變刀尖向量的方向(參看上面的插圖)。

    這些特性使得操作人員在使用五軸加工機床的過程中,能夠很容易地使用目前在模具業廣泛使用的3+2編程法。然而,隨著新的五軸加工功能的逐漸發展和這種功能逐浙被接受,真正的五軸模具加工機床可能會更普遍

    數控機床是按照事先編製好的加工程序,自動地對被加工零件進行加工。我們把零件的加工工藝路線、工藝參數、刀具的運動軌跡、位移量、切削參數(主軸轉數、進給量、背吃刀量等)以及輔助功能(換刀、主軸正轉、反轉、切削液開、關等),按照數控機床規定的指令代碼及程序格式編寫成加工程序單,再把這程序單中的內容記錄在控制介質上(如穿孔紙帶、磁帶、磁碟、磁泡存儲器),然後輸入到數控機床的數控裝置中,從而指揮機床加工零件。

    這種從零件圖的分析到製成控制介質的全部過程叫數控程序的編製。數控機床與普通機床加工零件的區別在於控機床是按照程序自動加工零件,而普通機床要由人來操作,我們只要改變控制機床動作的程序就可以達到加工不同零件的目的。因此,數控機床特別適用於加工小批量且形狀複雜要求精度高的零件

    由於數控機床要按照程序來加工零件,編程人員編製好程序以後,輸入到數控裝置中來指揮機床工作。程序的輸入是通過控制介質來的。

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