用于制造城市公交電車空中電纜線夾緊用絕緣零件的鍛模，現(xiàn)在直接用淬火鋼(硬度52HRC)通過高速銑削加工制造。與先制造石墨電極然后采用電火花加工的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法比較，這種硬銑加工能夠節(jié)省大量時間，但要求應(yīng)用專門的刀具和適當?shù)母咚巽娤鞑呗浴Ｔ谛庐a(chǎn)品開發(fā)制造過程中，首先根據(jù)產(chǎn)品的功能與設(shè)計要求用CAD系統(tǒng)畫出其型面草圖，然后按HSC銑削策略用CAM系統(tǒng)把粗精加工的坐標和運動軌跡精確計算出來，并編入計算機數(shù)控加工程序。其中零件表面的復(fù)雜輪廓曲線，采用一段段直線或圓弧、拋物線等二次曲線乃至其它高次曲線去逼近。數(shù)控加工程序按逼近線段的交點即節(jié)點劃分程序段。在允許誤差范圍內(nèi)，逼近線段跨越的近似區(qū)間愈大則節(jié)點數(shù)愈少，相應(yīng)地程序段就愈少。
CNC系統(tǒng)的基本任務(wù)，是根據(jù)已編制的零件加工程序，計算出沿機床各坐標軸的進給指令，分別驅(qū)動各軸運動以獲得所需的刀具相對于工件的運動軌跡，其中需要進行插補計算處理。此時CNC的簡單軌跡描述，與CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述有本質(zhì)區(qū)別。對高速切削(HSC)的主要要求有能夠加工三維復(fù)雜曲線和曲面，切削速度、效率和加工質(zhì)量高。所謂復(fù)雜曲線和曲面，是指它們形狀比較復(fù)雜、不能用二次方程來描述，也稱為自由曲線和自由曲面。
一、計算機數(shù)控插補
插補的任務(wù)是根據(jù)要求的進給速度和允許誤差，在每一逼近線段指定的軌跡運動的起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標值。由于計算每個中間點坐標所需的時間直接影響CNC的控制速度，計算精度又影響控制精度，因此插補算法對CNC系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
1、直線插補
直線和圓弧是構(gòu)成零件輪廓的基本線條，一般CNC系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補功能。現(xiàn)今占主導(dǎo)地位的直線插補計算簡便，應(yīng)用最廣泛，但存在一系列問題需要克服解決。常規(guī)CNC系統(tǒng)在直線插補時，必需采用高精度的表面描述來作出近似，即要求選取小的弦線誤差。零件表面輪廓復(fù)雜、曲線曲率變化較大時，就需要增加中間計算點的數(shù)量，導(dǎo)致數(shù)控程序擴大和執(zhí)行時間延長，經(jīng)常會出現(xiàn)好幾十MB規(guī)模的局部程序。CNC系統(tǒng)有一定的工作節(jié)奏即插補周期T，通常為1～10ms。它與插補周期運動步長L(mm)和最大進給速度Fmax(m/min)的關(guān)系是Fmax=60(L/T)。
直線插補形成一條多邊形導(dǎo)線。嚴格沿這條導(dǎo)線進行軌跡加工，在直線段的轉(zhuǎn)折過渡之處會產(chǎn)生高的軸向加速度。理論上這種加速度趨于無窮大。數(shù)控系統(tǒng)必須確保不超越各坐標軸的動力特性即最大允許加速度。這只能通過在尖角處大大降低軌跡運動速度來實現(xiàn)，結(jié)果是降低機床生產(chǎn)率。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有隨動功能，加速度的跳躍還可引起機床振動，并且造成機床各進給軸極大的負荷?？偠灾?，直線插補在工件表面不僅產(chǎn)生棱面，也產(chǎn)生振動圖形。
2、樣條插補
與直線插補相比，圓弧、拋物線、橢圓、雙曲線等二次曲線插補較精確，其中圓弧插補最為常用。而直接處理樣條程序段的NURBS(非均勻有理B樣條)插補方法有許多優(yōu)點，應(yīng)用日益廣泛。根據(jù)經(jīng)驗，在同樣精度下一條樣條程序段能替代5至10條直線程序段。迄今為止流行的多邊形的編程，將為直接從CAM系統(tǒng)傳遞樣條軌跡描述的方法，或者通過CNC內(nèi)部的幾何轉(zhuǎn)換即壓縮直線程序段所替代。
二、 計算機數(shù)控的其它功能
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)建立在數(shù)字信號處理和總線聯(lián)系各部件的基礎(chǔ)之上，并且使用高度集成的電子元器件。用于HSC的CNC最重要的功能之一是精確地控制進給驅(qū)動和滾珠絲桿，它們之間傳統(tǒng)的模擬式連接現(xiàn)在為數(shù)字化調(diào)節(jié)和數(shù)字化總線并行聯(lián)系的驅(qū)動所替代。用于HSC技術(shù)的數(shù)字化總線并行聯(lián)系驅(qū)動接口具有一系列優(yōu)點，如可以大大提高CNC的分辨率從而提高精度，可以削弱消除網(wǎng)絡(luò)中的干擾，消除漂移及其不利作用，避免模擬量噪聲在工件表面產(chǎn)生圖形花紋，能夠?qū)Ρ姸嗟尿?qū)動功能作詳細的診斷分析，便于投入運行和在CNC中實現(xiàn)驅(qū)動的參數(shù)化。
通過補償機床剛度和軌跡誤差例如限制反轉(zhuǎn)和預(yù)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，有多種多樣的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可以提高生產(chǎn)率和零件加工精度。采用數(shù)字化驅(qū)動調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)高分辨率的數(shù)字化轉(zhuǎn)速和位置檢測，可以實現(xiàn)更高階的調(diào)節(jié)算法，尤其是通過預(yù)控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來補償由慣性運動導(dǎo)致的軌跡誤差，這在軌跡進給速度高、產(chǎn)生拖動誤差時意義尤為重大。此外，它能夠自動完成例如頻率和圓度等多種檢測，能夠自動優(yōu)化補償例如借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行象限誤差補償，可以連接直接直線驅(qū)動裝置如直線電動機，可以用CNC處理器和驅(qū)動處理器來雙重保障機床的安全性。
1、用于HSC的CNC功能
軌跡運動速度很高時，只有通過無拖動誤差的調(diào)節(jié)策略才能滿足加工精度的要求，并且速度增益在通常的Kv=1～4(m/min)/mm 時沒有阻尼存在，所以進給軸的插補控制意義重大。為了滿足HSC的特殊要求，必需研究開發(fā)新的軌跡插補、速度控制以及幾何變換方法。
上節(jié)說明了精確描述加工軌跡的高次插補方法和快速插補技術(shù)。除此之外，用于HSC的CNC必須滿足以下要求：即超過100條程序段的速度預(yù)控制(前瞻功能)，補償機械誤差；可進行幾何變換(如夾緊時的修正或5軸變換)；進給軸無拖動誤差的調(diào)節(jié)以確保高的軌跡精度；在軌跡方向和軸向限制反向以保護機床，刀具長度、半徑、類型不同時的補償；在機床工作空間內(nèi)能夠安全操作。
2、速度預(yù)控制
速度預(yù)控制(前瞻)的任務(wù)，是識別速度不連續(xù)的程序段過渡和由軌跡彎曲所引起的進給軸過高的加速度。數(shù)控程序段的執(zhí)行時間，比對切削加工速度必需的加速和制動梯度時間還要短。連續(xù)處理數(shù)控程序段的前提是具備一個處于預(yù)先監(jiān)視下的程序緩沖區(qū)。需要注意的是，在軌跡進給速度高和程序段短的時候，技術(shù)上必需的低加速度會使速度預(yù)控制需要的前瞻距離增加到50至150條程序段。如果只有較小的前瞻緩沖區(qū)，就必須限制軌跡進給速度，以便使程序任何位置上的制動梯度時間都能得到遵守。
3、多軸變換與坐標變換實現(xiàn)刀具補償
在旋轉(zhuǎn)坐標系中的三維加工例如加工斜面，需要增加離線計算的程序中必需的數(shù)據(jù)量。同時需要在CNC程序中計算確定刀具參數(shù)如刀具類型、半徑和長度。通過CNC內(nèi)的幾何變換，可以直接在機床上進行刀具補償而省略后處理過程。
用球頭銑刀作3軸加工，只能利用5軸銑床生產(chǎn)能力的一小部分。只有使用圓柱和圓環(huán)銑刀，才能發(fā)揮達到高的切削效率。為了在高質(zhì)量加工任意輪廓表面的同時達到最大切削效率，要求它們相對銑刀軌跡有確定的空間方向。為保證刀具接觸點落在軌跡上，在傳統(tǒng)的用旋轉(zhuǎn)軸確定刀具方向的5軸編程中必須插入許多中間步驟。4軸和5軸變換承擔在刀具方向改變時保持刀尖的空間位置不變的任務(wù)。編程的進給參數(shù)只涉及刀尖的空間軌跡。刀具的方向可以通過旋轉(zhuǎn)軸位置、刀具方向矢量或歐拉角等編程確定。直接由CNC完成的對不同類型(如圓柱、圓環(huán)以及錐環(huán))銑刀的空間幾何參數(shù)的修正更具有補充作用，結(jié)果可以對相同的NC程序應(yīng)用不同的刀具。
極坐標變換主要用于車削加工中心、非圓磨削以及高速銑削圓形或螺旋形零件。把旋轉(zhuǎn)軸與直線移動軸相結(jié)合，可以避免改變直角坐標系各坐標軸方向以及引起理論軌跡的偏差。這種變換的一個重要優(yōu)點，是進給的編程只與刀具軌跡有關(guān)，而不是象在旋轉(zhuǎn)軸編程中那樣與角速度有關(guān)。在這種變換中可以應(yīng)用所有的插補方法(直線、圓弧、樣條)編程。由CNC負責刀具補償計算并監(jiān)視軌跡方向和進給軸方向上的全部限制。圓柱面變換使編程人員能夠把圓柱表面的刀具軌跡視為虛擬的X-Y平面。此時所有幾何表述和進給以零件表面為基準，與圓柱半徑大小無關(guān)。
4、誤差補償
只要費用許可，就應(yīng)當要求CNC系統(tǒng)補償機床的靜態(tài)誤差、熱誤差以及進給軸調(diào)節(jié)的動態(tài)誤差。這樣能夠達到零件的加工精度，過去機械補償時需要花費高昂代價才能夠達到。對HSC技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義的誤差補償有：補償由于絲桿轉(zhuǎn)速高和進給軸速度高引起它們溫度上升導(dǎo)致的熱誤差，補償進給軸換向點處的摩擦誤差(象限誤差)，補償絲桿導(dǎo)程誤差和測量系統(tǒng)誤差，借助于插補技術(shù)補償機床的角度和撓度變形誤差，補償間接測量的軸的松弛之處。
在高速切削加工的計算機數(shù)控中采用NURBS樣條插補，可以克服直線插補時控制精度和速度的不足。通過高速計算機數(shù)控的速度預(yù)控制，多軸變換與坐標變換實現(xiàn)刀具補償、誤差補償、勞動安全保護等其它功能，不僅能夠提高進給速度和切削效率，而且能夠提高復(fù)雜輪廓表面的加工精度和人員設(shè)備的安全性。高速切削加工對計算機數(shù)控系統(tǒng)提出的高新技術(shù)要求，只有應(yīng)用數(shù)字化驅(qū)動調(diào)節(jié)和總線技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)。
目前生效的安全保護條例，對幾乎所有類型的機床都規(guī)定用罩殼封閉機床工作空間。這妨礙操作者在許多場合下必要地介入數(shù)控程序的運行。特別是在模型和模具制造中的大型機床上，操作者或機床安裝調(diào)試人員在程序自動運行中熟練地進行鑒別或許還有校正是非常重要的。出于安全原因，這一要求只能通過CNC中規(guī)模龐大的限制和監(jiān)視系統(tǒng)來實現(xiàn)。除了硬件監(jiān)視的機床功能以外，首先包括對絲桿轉(zhuǎn)速和進給運動進行的可靠的雙通道監(jiān)控。
