如果将数控机床看做是一个人,那么数控系统就等于它的大脑,所以数控系统的好坏肯定直接会影响到机床的好坏。

那么,回到这道题上,我们从机床控制和零件加工两个两个方面分别来讲。

先说说对于「机床控制」的影响有哪些

总得来说,数控系统对机床控制的影响主要体现在「控制能力」上。

数控系统主要是由「人机交互界面(HMI)+数控核心(NC)+可编程逻辑控制器(PLC)+驱动(Drive)」组成,其中HMI用于人机交互;NC则是数控系统的核心,用于轨迹的计算,位置的调节,和相关的控制,如加速度,刀具数据,零点偏移,以及各种复杂的机床功能。PLC则用于机床逻辑的控制,如刀库,液压设备等;Drive则是执行机构,对电机的电流环和速度环进行调节,使其能快速准确的完成NC发出的指令。

数控系统对数控机床来说是一整套解决方案,包含相应的软件和硬件。只有当软硬结合,以及数控系统中NC,PLC,Drive和HMI协同配合,共同完成机床的控制,才能保证机床的高精度,高质量。

当然,一套用于控制机床的完整的数控系统还包含很多其他组件,如伺服电机,机床操作面板,手轮,I/O模组,各种线缆等,下图是一套西门子数控系统配置的例子。

数控系统实现对机床自动控制的过程是:将用于加工的NC程序传入数控系统,数控系统再通过译码、计算,将程序中的指令转换为一个或多个坐标轴的运动轨迹(包含位置,速度,加速度),然后发给所对应的驱动,再由驱动控制伺服电机,最后由伺服电机来驱动机械传动部件完成NC 程序中所指定的加工轨迹。

将其转换成原理图如下:

这里就会涉及硬件和软件两个方面,我们举几个例子来说明会有哪些因素对机床的控制产生影响。

硬件方面:

伺服电机的性能

好的数控系统一般也会配置好的伺服电机。好的数控系统可以提供多种类型的电机供用户选择,如高动态电机、大惯量电机等。用户可以根据机床不同的要求,选择不同特性的电机。好的伺服电机一般也会有更高的编码器分辨率,分辨率越大,速度波动就越小。具有高分辨率编码器的电机控制起来将会更加平稳,精度更高

比如,西门子1FK7/1FT7系列伺服电机配有24位单圈+12位多圈绝对值编码器,分辨率高达24位,即16777216。

全闭环的支持

我们通常把电机编码器的反馈所形成的闭环叫做半闭环。因为系统只能接收到电机的反馈,而不能直接得到来自机械实际的反馈,故称之为“半闭环”。由于电机与机械之间存在很多弹性连接(如上面原理图中的弹性联轴器等),这些弹性环节会使机床在传动过程中存在误差,而系统此时只知道电机的反馈,并不知道传动中的误差,因此实际的控制精度会受此影响。

一般情况下,中高端的数控系统可以接入光栅尺作为直接测量系统形成“全闭环”,系统就可以直接通过光栅尺得到机械的实际反馈来进行控制与调节,从而提高机床的精度。

直驱电机

传统的机床一般都是采用丝杠和导轨的结构来进行传动,而越多的弹性环节对精度的影响也会越大。所以为了减小机械结构带来的精度问题,可以采用直线电机的结构,如下图所示,从而减少传动环节,有效的减小由丝杠间隙和弹性联轴器,磨损,变形等因素带来的误差。

从直线电机本身的结构来讲,直线电机也比传统的旋转伺服电机具有明显优势。直线电机由于结构的原因,在驱动力传输过程中不发生接触,因此驱动组件不会磨损。其重量轻,扭矩大的特点,可以达到更高的移动速度速度。其主要的优势在于可以避免弹性效应,齿隙效应,磨损效应以及传动机构中的自然振动。这样便可以获得更高的动态响应和控制精度。

在采用合适的测量系统和适宜的温度条件下,电机的定位控制可达纳米级。对于高精尖的机床如大型龙门五轴加工中心都采用直线电机的方案来提高其精度,速度,以及轴的快速响应能力,从而提升机床的整体性能。同理,对于旋转轴,可使用力矩电机来进行控制,如五轴头等,此处不再过多举例。

接下来咱们再说说软件方面

计算精度:

现在一般的数控系统能够达到纳米级的计算精度,而好的数控系统甚至能达到超过纳米级别的计算精度,甚至在整个控制链条上都可实现。更高的计算精度,意味着数控系统可以提供更高的控制精度,从而达到更理想的插补轨迹。

各种补偿功能:

一般补偿不必多说,如常规的螺距误差补偿,反向间隙补偿,过象限补偿等,都可以补偿机床的精度问题,这些补偿功能基本上所有数控系统都支持。对于大型机床而言,由于机床结构较大,装配难度较高,机床的几何误差往往比较大,一般可以采用上述的补偿功能对单个轴进行补偿。但对于大型龙门五轴机床来说,误差远不止于此,还存在许多空间上的误差,如下图所示。

这些微小的误差综合起来反应的刀尖点(加工点)上将会进一步扩大,从而影响到最终的加工质量。一般系统只能对单个轴进行补偿,并不能对空间中的误差进行补偿。但像西门子的SINUMERIK 840Dsl数控系统就可以提供VCS(Volumetric Compensation System)空间误差补偿功能,以进一步提高机床的精度。有用户在使用了VCS功能以后将大型龙门五轴加工中心体对角线上的误差从0.22mm降低到了0.05mm,足足提高了77.3%。

机床定位控制功能:

有时候,操作人员可能会发现使用机床加工的产品存在着偶发的质量问题,而导致这些问题原因可能是由于外部环境干扰而产生的振动影响,如液压设备,冷却装置,或者其他机床等。这一类问题一般可以通过光栅尺测出位置偏差来发现这些干扰,但却很难通过调整机床的动态响应参数来抑制和消除。

西门子的SINUMERIK 840Dsl提供的APC(Advance Position Control)高级定位控制功能,可以通过光栅尺测得的数据通过控制算法来抑制外部干扰。这有点像我们日常生活中使用的降噪耳机的原理,通过附加的噪声来中和环境的噪音。

使用APC功能可以使机床的敏感性降低,让机床运行在更高的动态响应参数下,从而提高加工效率。APC可以帮助提高位置环增益,提高机床精度,大幅提高工件表面质量。如下图所示,绿线是未使用APC功能时,位置环增益Kv=2时,有超调,意味着这个该轴的增益不可能达到2,但当使用APC功能后(红线所示),该轴的Kv就可以达到2了。

五轴插补,我相信大家应该都知道,仅存在于高端系统。五轴插补功能是叶轮、叶片,螺旋桨等重要零部件加工的核心功能,具有重要的战略意义。

高端数控系统具备的功能实在是太多了,像Master-slave, gantry等,我就不再介绍了,总之很多都与方便调试,实现复杂功能,以及提高机床性能有关。

接下来咱们说一下对于零件加工的影响

PS. 实际上机床控制也会影响到加工,这是关联的,如机床精度,速度的提高都对加工都有直接影响。

对于好的数控系统来说,会提供很多功能以提高加工质量和效率。例如在双通道车床里,可使用平衡车削的功能,使两个刀架分别在两个通道里同时对一个工件进行加工,从而大大提升加工效率;采用两边刀具对向加工的方法还可以平衡刀具对轻薄工件产生的作用力,在提高效率的同时保证加工质量。

又如在铣床的模具加工中,数控系统还会提供高速高精功能,比如西门子数控系统提供的臻优曲面功能(Top Surface)。通过该功能可以将模具程序进行更好的路径优化,平滑加工速度,使加工效率提升;对于精度要求高的工件还可以带来更高的轮廓精度。

此外,好的数控系统除了强大的功能外,还体现在易用性上,这些系统会在HMI(人机交互界面上)下足功夫,如通过动画来指导用户操作机床等,给用户带来便捷的操作同时,也带来良好的使用体验。如同我们使用智能手机一样,很多人喜欢iPhone的原因,除了它有出色的性能外,还有就是iOS这个操作系统给使用者带来的良好的操作体验。

话说回来,机床的核心还是机械本身,良好的机械性能才是基础,但一套好的、高质量的数控系统却可以将机床优良的机械性能发挥得更加淋漓尽致,达到锦上添花的目的。

这里敲下小黑板:西门子可是有从低端到高端,覆盖整个市场层级的数控系统的解决方案哦。

本文作者:

石璇 @Gothic Hero

西门子(中国)有限公司

数字化工厂集团

运动控制部

数控技术应用中心

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:西门子中国

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