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1、Higerman数控系统应用于慢刀精密伺服车削海德盟数控技术（深圳）有限公司 刘鹏众所周知，传统超精密车削仅限于加工回转对称型零件，其创成方式无法实现复杂面形零件的高精度加工要求。对此，一些国内外研究机构对车削加工的进刀方式进行了改进，发展了快刀伺服车削加工技术（Fast Tool Servo, FTS）和慢刀伺服车削加工技术（Slow Tool Servo, STS）。1. 快刀伺服车削加工技术快刀伺服车削加工技术是通过设计高频响、高精度的刀具驱动装置，在主轴角度反馈的基础上，控制刀具实时跟踪工件面形的变化，以实现复杂面形零件的精密高效加工技术。快刀系统是一套独立十超精密车床外的执行装置，超
2、精密车床独立运行，加工回转对称部分。而快刀系统则读取超精密车床主轴和X轴信号，计算进刀量，而后控制快速响应刀架，实现非回转部分的加工。这种方式可以加工具有复杂形状的各种异形工件，一次加工即可获得很高的零件尺寸精度、形状精度和很好的表面粗糙度，能够实现高效率、高精度、柔性化加工，具有显著的经济效益。目前，驱动刀架快速响应的伺服系统其原理主要有压电陶瓷型、磁致伸缩型、洛仑兹力型、麦克斯韦力型，音圈电机等。其中，使用压电陶瓷型原理配合柔性铰链刀架的快刀系统较多，快刀系统响应频率较高，但行程普遍较短，大多数快刀装置的行程都在1mm以下，限制了其加工范围。并且滞后问题会造成跟踪性能下降，主轴位置估计误差
3、将引起加工轮廓混淆。2. 慢刀伺服车削加工技术直线电机进给驱动技术使机床驱动系统摆脱了丝杠驱动本身存在的一系列不利因素，如安装误差，丝杠弯曲，滚珠跳动，制造误差，螺母预紧差异以及摩擦、问隙死区、微反冲、螺距误差和弹性效应等非线性因素。另外，直线电机驱动还具有加减速性能好、动态刚度高、进给行程不受限、简化设计和清洁免维护等优点。因此，随着直线电机伺服技术的发展，直线电机驱动迅速在超精密机床中得到广泛应用，直线伺服轴往复动态响应的能力得到了大幅提升。此时人们认识到可以通过将车床主轴运动由控制速度改为控制位置（此时称为C轴），利用C, X, Z三轴联动带动车刀相对于工件在极坐标或圆柱坐标系内实现各种
4、复杂轨迹的创成运动。这样普通超精密车床也可以实现复杂面形的车削加工。在这种改动中，带动刀具运动的Z轴虽然比普通车床的动态响应能力有大幅提高，但最高仍只能达到几十赫兹，相比快刀系统几百甚至上千赫兹的动态响应能力还是比较慢。因此，称之为慢刀伺服车削加工技术（Slow Tool Servo, STS）或慢轨伺服技术（Slow Slide Servo, S3）。慢刀伺服车削加工技术的主要技术优势在于：(1) Z轴加工行程较大。由于使用Z轴拖板带动刀具运动，理论上加工范围可达到Z轴整个行程。因此，可加工更加陡峭、起伏更大的复杂曲面。(2) C, X, Z三轴采用联动的方式加工，三轴联动由同一数控系统完成
5、，可实现信息共亨，简化了控制系统结构，数控程序得以简化，由复杂面形计算出的刀位点轨迹可直接用于数控程序。不足之处主要表现为动态响应能力较低，因此加工效率较低。这是由于Z轴拖板重量较大造成的，提高伺服轴的推力质量比是解决此问题的根本所在。慢刀伺服技术与快刀伺服技术的不同之处在于：慢刀伺服中仅使用机床Z轴带动刀具运动，而不采用任何附加伺服装置。另外，慢刀伺服中主轴采用精密位置伺服控制模式（此时称为C轴），而在快刀伺服技术中只是将主轴位置信息提供给快刀伺服单元使用，并不将主轴置于位置伺服状态。慢刀伺服技术采用C, X, Z三轴联动的方式插补出工件表面曲线，从而完成自由曲面的加工，多轴联动和插补技术是
6、慢刀伺服技术实现的关键。慢刀伺服的三轴联动不同于普通三轴联动数控技术，最关键的区别是慢刀伺服车削中主切削运动和轨迹运动融合，而普通的多轴（三轴或以上）联动技术一般是用于主切削运动与进给运动相互独立的铣削、磨削等加工方式的。一般来讲，为了得到较好的表面粗糙度，要求主切削运动速度尽量提高，而要求进给运动速度尽量低。慢刀伺服中主轴的旋转运动既是主切削运动又是进给运动。为了保证刀具车削运动条件，又要满足多轴联动的要求，所以慢刀伺服对进给轴的动态性能要求比普通多轴联动高得多，尤其对Z轴来讲，即使相对工件在同一半径下仍需根据C轴角度位置随工件表面形状来回往复运动。主轴高精度位置伺服控制，直线轴往复运动高精
7、度、高动态响应是慢刀伺服车削加工必备的硬件条件。另外，普通数控机床多轴联动一般采用线性插补的方式。这种方式采用很多微小线性段逼近曲线形状，节点处速度不连续，要实现较高的插补精度需要更小的线段和更密的节点。在慢刀伺服超精密车削复杂曲面时，数控程序将会非常大，要求数控系统在单位时间执行更多的小程序段，这就对数控系统吞吐量提出了极为苛刻的要求，使用更加先进的插补算法是慢刀伺服车削必须考虑的另一个关键技术。图1 传统车削与慢刀私服车削原理对比图2 慢刀私服车削典型机床布局综上所述，除了高精度位置伺服主轴（C轴）技术，直线轴高精度、高动态往复进给驱动技术等硬件条件外，强大的数控系统是实现慢刀伺服车削技术
8、的关键因素，慢刀伺服车削技术要求数控系统能够实现高速度的程序处理、高精度的插补算法。海德盟数控技术（深圳）有限公司引进德国先进的数控技术，通过走引进、消化、吸收再创新的技术路线，成功研发出Hi800系列数控系统，该系统基于Windows操作系统平台，嵌入专用数控实时内核，在保障数控系统的优异实时性的基础上，突显了系统操作简便界面友好的特性，先进的系统设计架构，人机界面HMI、插补控制CNC、逻辑控制PLC都以软件形式运行在IPC的CPU上，而非传统的双CPU（上下位机）设计思想，优化的控制算法，可确保1m分辨率下实现240m/min的高速控制，完善的五轴联动和坐标变换功能，真正的开放式结构，允
9、许用户集成第三方的专业技术，是高速、高精度数控机床的最佳选择。昆山某精密机械有限公司是一家专门设计制造各种标准及非标准精密二次加工专用机器，其生产的某品牌镜头卡套专用车床，是慢刀伺服车削技术的一种实际应用，该车床由X、Z、C三个伺服轴组成，刀架进给采用丝杠传动，该伺服车床加工的工件，即某品牌镜头卡套，其加工表面是一个自由曲面，加工程序中是由大量的细密的小线段组成，使用海德盟数控系统高速、高精特性、以及特有的曲率优化功能，保证了加工过程的快速性、连续性和平稳性；海德盟数控系统的主轴/C轴转换功能更使得这台车床可以实现一机两用，既可做为慢刀伺服车床，又可作为传统车床使用。实际加工测试结果表明，加工效率相当于同价位进口CNC系统的两倍以上，而且由于加工过程更加快速、平稳、连续，所以加工表面效果更好。
Higerman数控系统应用于慢刀精密伺服车削
