高速加工机床控制技术及合理选用

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1、2002年(第十届)全国机床专业学术会议*高速加工机床控制技术及合理选用周莉王成勇秦哲广东工业大学机电学院广州510090摘要：本文主要介绍了目前高速加工机床CNC系统常用的关键控制技术，包括加工残余分析、待加工轨迹监控、自动防过切保护、尖点控制、补偿功能等，并从主轴系统、进给系统、机床结构、温控系统、冷却系统、CNC控制系统和刀具系统等方面对高速加工机床的合理化选用进行了分析。关键词：高速加工机床高速加工控制技术选用前言高速切削技术源自70多年前德国萨洛蒙博士提出的高速切削假设理论，并在最近十几年里得到了迅速的发展及推广应用。随着高速切削技术的飞速

2、发展和高速加工机床的迅速产品化，高速加工机床已逐渐进入航空航天制造、汽车工业、模具制造和轻工产品制造等各重要工业领域，并创造出了惊人的效益。高速加工技术不仅可缩短零件的切削加工时间，提高生产效率，降低生产成本，还可获得高的加工精度和表面加工质量，省去传统加工工艺中的车、铣等后续精加工工序。高速加工机床已成为厂家为提高生产效率、满足零件高精度及高表面质量要求而竞相采用的重要加工手段之一。影响高速加工机床使用性能的因素有很多，[1-5]包括高速主轴、刀具系统、CNC控制系统和NC编程策略等等。在文献［6］中，我们已从优化高速加工工艺过程的角度，详细阐述了

3、高速加工的NC编程策略，指出优选刀具切入工件及移刀方式、适合于高速加工的加工策略和切削用量，将有利于保证高速加工的顺利实现。本文重点介绍了高速加工关键控制技术，包括加工残余分析、待加工轨迹监控、自动防过切保护、尖点控制等，并针对高速加工机床的合理化选用问题，从主轴系统、进给系统、机床结构、温控系统、冷却系统、CNC控制系统和刀具系统等方面进行了分析。1高速加工关键控制技术高速加工关键控制技术是高速加工成功实现的关键因素之一。目前高速加工机床的CNC控制系统通常具有多种高速高精度的关键控制技术，比如：加工残余分析，待加工轨迹监控，自动防过切保护，尖点控

4、制，补偿功能等等。（1）加工残余分析加工残余分析功能（如图1所示）可以分析出每次切削后加工残余的准确位置，允许刀*广东省“十五”科技计划重大专项项目2002年(第十届)全国机床专业学术会议具路径创建在上道加工中零件材料没有去除完全的区域。后续加工的刀具路径可在前道工序刀具路径的基础上利用加工残余分析进行优化得到。通过对工件轮廓的某些复杂部分进行加工残余分析，可尽量保持稳定的切削参数，包括保持切削厚度、进给量和切削线速度的一致[8][9]图1加工残余分析图2尖点控制性。当遇到某处切削深度有可能增加时，能降低进给速度，从而避免负载变化引起刀具的偏斜，以及

5、加工精度和表面质量的降低。因此，加工残余分析可实现高速加工参数最佳化，使刀具走刀路径适应工件余量的变化，减少加工时间，避免刀具破损及过切和残留现象，从而[4,7]实现刀具路径的优化。（2）待加工轨迹监控待加工轨迹监控功能（look－ahead）是用于监控待加工刀具路径中由于路径曲率引起的进给速度的不规则过渡，以及轴向加速度过大等不利于高速加工实现的各种加工条件变化，实现动态调节进给速度的一种控制方法。CNC控制系统在进行加工控制时，通过扫描待加工程序段的数控代码，预览刀具路径上是否有方向变化，并相应地调节进给速度。比如，在高的进给速度下，待加工轨迹监

6、控功能监测到拐角时，将自动减小进给速度，以防止刀具过切或残留现象。在待加工轨迹的平滑段，再将进给速度迅速提高到最大。这样通过动态调[10]节进给速度，可以优化机床控制系统的动态性能，并获得高的加工精度和表面质量。（3）尖点控制高速加工控制器的待加工轨迹监控功能虽然可以预先了解待加工NC程序段的刀具轨迹，预览刀具轨迹及其走刀方向是否有变化，即是否存在拐角，但对于3D零件上的每个具体的走刀步距和切削余量是无法预知的。加工复杂的3D型面时，可根据尖点高度来计算NC精加工刀具路径的加工步距（如图2所示），而不是采用恒定的加工步距。采用尖点控制进行高速加工即可

7、实现连续的表面精加工，减少去毛刺或其它手工精加工工序，而且可以根据NC精加工路径动态调整走刀步距，使材料去除率保持恒定，刀具受力状况更加稳定，[11]并使刀具所受到的外界冲击载荷降低到最小。（4）自动防过切处理高速加工时，前道工序遗留的加工余量将会导致刀具切削负载突然加大，甚至出现过切和刀具破损现象。过切对于工件的损坏是不可修复的，对于刀具的破坏也是灾难性的。通过[12]自动防过切处理功能，可以保护刀具的切削过程，实现高速加工的安全操作。（5）补偿功能2002年(第十届)全国机床专业学术会议CNC控制系统必须能够对机床的静态、动态和热态误差进行补偿，

8、以达到以往通过提高机床部件精度来实现的加工精度，降低机床的制造成本。比如：针对机床的高速主轴和高进给速度轴线