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機床加工——工作速度更快
閱讀：1918 發(fā)布時間：2012-3-30
“軸加速度的動態(tài)性能要更好”：這就是對在利格安家落戶的Trumpf生產(chǎn)的新型型沖裁激光組合機床所提出的高要求。福朗克.斯毛德和斯代方.畢特奈可稱為這種新型TruMatic7000機床的“精神之父”，這兩位Trumpf的工程師將通過這篇文章向讀者介紹拖帶錯誤的計算公式是如何在實際中應用的。
即使是在諸如TruMatic沖裁激光組合機床這樣的世界的產(chǎn)品中也潛藏著創(chuàng)新的潛力。因此，我們的研發(fā)團隊將研發(fā)目標確定為：這種新型TruMatic7000機床要在組合機床上創(chuàng)造出激光切割的新紀錄。我們設定的目標與目前zui快的機床TruMatic6000相比，要將加工能力提高約30%。而且還要在激光切割時達到*的定位加速度，即使是加工很復雜的輪廓也要保證*的無劃痕的零件質量和加工組合零件的可靠流程（也包括無人加工）。
*個設想就在很大的運動重量上失敗了。因為在稱為SheetMover機器的TruMatic機床上，加工頭布置在固定位置上，而被加工的鈑材則要在加工中運動。常用鈑材的zui大厚度為8mm，加工時機床要地移動zui大280kg的標準加工鈑材。
在我們的前期研究中，考慮要在250mm工作范圍之上再增加一個工作范圍大約250mm的附加的運動式光學加工頭。隱藏在背后的關鍵點是：鈑材只在修邊加工時才移動。其結果是：由于在工作范圍交叉中的修邊加工運動的原因，只能期待很小的產(chǎn)能提高。另外，還必須帶一個隨動的Catcher（盛渣器）。這就提高了機床的復雜性、空間需求量和費用。
真正取得設計突破的是將兩個運動方案互相組合在一起的設想：一個附加的加工軸與主軸在一起共同工作。在主軸負責完成直線加工的同時，附加軸則負責完成對復雜輪廓的切割——在切換中沒有加工流程地中斷。
尋找合適的控制器
借助于線性驅動技術和切割頭重疊運動的基本設想來實現(xiàn)機器的坐標引導，我們的設計方案確定了機器的實際框架。所缺少的則是精密控制技術的事實。在這里，必須避免由于機器過于復雜而給操作人員帶來為這些加工軸進行直接編程工作量的增加。這是該項目中的zui大挑戰(zhàn)。大多數(shù)控制器制造商都認為相對主軸給定位置在時間上同步進行的附加軸運動的計算是無法完成的。只有博世力士樂股份公司愿意與Trumpf公司一起共同研發(fā)一個可行的解決方案。
其基本思想是：主軸也就是*臺的進給軸必須以很大的慣性來驅動，借以保證運動地流暢，而不使運動重量出現(xiàn)明顯的急沖轉矩，同時將所缺少的輪廓以計算的數(shù)值作為修正值傳遞給附加軸。此處的基礎是一個模擬模型，用它在驅動器中計算出一個“模型拖帶錯誤”，并且與附加軸的實際拖帶錯誤進行實時比較和修正。
分散式智能型控制器組合
控制戰(zhàn)略是這樣設計的，對*臺一個較低的回路放大系數(shù)（Kv系數(shù)）進行控制，大到足夠的模型精度即可。而附加軸則相反，用一個很高的Kv系數(shù)進行控制，以得到*的零件輪廓和的定位動態(tài)特性。其中Kv系數(shù)描寫的是在定位過程中相應的（實際）速度與拖帶距離（控制誤差）之間的比值。
獲取修正值的關鍵是與主軸運動給定值計算平行進行的模型計算。另外，為了補償在計算模型中的可能錯誤，還采用了實時的兩個軸的給定值/實際值比較修正。這樣，就對計算軌跡與計劃輪廓之間的誤差沒有時間差地進行了補償。由此帶來了的加工效果。zui大的軌跡誤差在定位工作中在0.02mm的范圍內，在激光切割工作中在0.01mm的范圍內。
激光頭由附加軸驅動
整個運動學機構的全部功能和坐標運動都由CNC控制器IndraMotionMTX與基于驅動器的MotionLogitcIndraMotionMLD共同完成。在上級的NC控制器完成對*臺主運動控制的同時，IndraMotionMLD負責完成激光頭借助于附加軸在一個半徑52mm的包絡圓中的運動。這兩個力士樂的部件基于相同的PLC工作，這就極大地簡化了實時通信控制器的編程和坐標運動工作。
借助于力士樂的控制器，實現(xiàn)了編程和路程分配之間的明確分離。這兩個運動的重疊不僅提高了的運行速度，而且也明顯地縮短了擁有復雜輪廓的棘手零件的加工時間。同時這種重疊還平滑了工件臺的運動過程，并且將動態(tài)運動轉移到激光切割頭上，由于其很小的運動重量，因此能夠達到很高的動態(tài)特性。
創(chuàng)新的驅動技術
接下來的工作就是將附加軸集成在現(xiàn)有的機器方案當中。我們的團隊成功地實現(xiàn)了一個創(chuàng)新型線性驅動方案，其中在兩個軸向上僅使用一個原級部件。再有是TruMatic7000應用方案的基礎是一種感應式平行運動學技術，各驅動器相對地布置在各自的運動板上，這樣就*平衡了電的磁力。每個驅動器的電磁板如此設計，就允許出現(xiàn)由于對面的軸的運動而引起的垂直于當時運動方向的相對運動的情況。
附加軸原理帶來更多功能
在確定了技術數(shù)據(jù)之后就已經(jīng)明確，能夠將附加的運動自由度應用于更多的功能。例如，現(xiàn)在能夠濕切割投在激光凹*圍內任意定位。我們可以將凹模直徑幾乎翻倍，這樣就能使更大的加工垃圾通過凹模排出。這就省去了耗時的通過零件翻板來排出加工垃圾。另一個正面的附加效果是更高的零件輪廓準確性。主軸的輪廓錯誤通過附加軸的高動態(tài)運動幾乎沒有時間滯后地得以補償。其結果是：由于將加速度和動態(tài)特性值提高了4~5倍，從而使零件加工時間降低%30
即使是在諸如TruMatic沖裁激光組合機床這樣的世界的產(chǎn)品中也潛藏著創(chuàng)新的潛力。因此，我們的研發(fā)團隊將研發(fā)目標確定為：這種新型TruMatic7000機床要在組合機床上創(chuàng)造出激光切割的新紀錄。我們設定的目標與目前zui快的機床TruMatic6000相比，要將加工能力提高約30%。而且還要在激光切割時達到*的定位加速度，即使是加工很復雜的輪廓也要保證*的無劃痕的零件質量和加工組合零件的可靠流程（也包括無人加工）。
*個設想就在很大的運動重量上失敗了。因為在稱為SheetMover機器的TruMatic機床上，加工頭布置在固定位置上，而被加工的鈑材則要在加工中運動。常用鈑材的zui大厚度為8mm，加工時機床要地移動zui大280kg的標準加工鈑材。
在我們的前期研究中，考慮要在250mm工作范圍之上再增加一個工作范圍大約250mm的附加的運動式光學加工頭。隱藏在背后的關鍵點是：鈑材只在修邊加工時才移動。其結果是：由于在工作范圍交叉中的修邊加工運動的原因，只能期待很小的產(chǎn)能提高。另外，還必須帶一個隨動的Catcher（盛渣器）。這就提高了機床的復雜性、空間需求量和費用。
真正取得設計突破的是將兩個運動方案互相組合在一起的設想：一個附加的加工軸與主軸在一起共同工作。在主軸負責完成直線加工的同時，附加軸則負責完成對復雜輪廓的切割——在切換中沒有加工流程地中斷。
尋找合適的控制器
借助于線性驅動技術和切割頭重疊運動的基本設想來實現(xiàn)機器的坐標引導，我們的設計方案確定了機器的實際框架。所缺少的則是精密控制技術的事實。在這里，必須避免由于機器過于復雜而給操作人員帶來為這些加工軸進行直接編程工作量的增加。這是該項目中的zui大挑戰(zhàn)。大多數(shù)控制器制造商都認為相對主軸給定位置在時間上同步進行的附加軸運動的計算是無法完成的。只有博世力士樂股份公司愿意與Trumpf公司一起共同研發(fā)一個可行的解決方案。
其基本思想是：主軸也就是*臺的進給軸必須以很大的慣性來驅動，借以保證運動地流暢，而不使運動重量出現(xiàn)明顯的急沖轉矩，同時將所缺少的輪廓以計算的數(shù)值作為修正值傳遞給附加軸。此處的基礎是一個模擬模型，用它在驅動器中計算出一個“模型拖帶錯誤”，并且與附加軸的實際拖帶錯誤進行實時比較和修正。
分散式智能型控制器組合
控制戰(zhàn)略是這樣設計的，對*臺一個較低的回路放大系數(shù)（Kv系數(shù)）進行控制，大到足夠的模型精度即可。而附加軸則相反，用一個很高的Kv系數(shù)進行控制，以得到*的零件輪廓和的定位動態(tài)特性。其中Kv系數(shù)描寫的是在定位過程中相應的（實際）速度與拖帶距離（控制誤差）之間的比值。
獲取修正值的關鍵是與主軸運動給定值計算平行進行的模型計算。另外，為了補償在計算模型中的可能錯誤，還采用了實時的兩個軸的給定值/實際值比較修正。這樣，就對計算軌跡與計劃輪廓之間的誤差沒有時間差地進行了補償。由此帶來了的加工效果。zui大的軌跡誤差在定位工作中在0.02mm的范圍內，在激光切割工作中在0.01mm的范圍內。
激光頭由附加軸驅動
整個運動學機構的全部功能和坐標運動都由CNC控制器IndraMotionMTX與基于驅動器的MotionLogitcIndraMotionMLD共同完成。在上級的NC控制器完成對*臺主運動控制的同時，IndraMotionMLD負責完成激光頭借助于附加軸在一個半徑52mm的包絡圓中的運動。這兩個力士樂的部件基于相同的PLC工作，這就極大地簡化了實時通信控制器的編程和坐標運動工作。
借助于力士樂的控制器，實現(xiàn)了編程和路程分配之間的明確分離。這兩個運動的重疊不僅提高了的運行速度，而且也明顯地縮短了擁有復雜輪廓的棘手零件的加工時間。同時這種重疊還平滑了工件臺的運動過程，并且將動態(tài)運動轉移到激光切割頭上，由于其很小的運動重量，因此能夠達到很高的動態(tài)特性。
創(chuàng)新的驅動技術
接下來的工作就是將附加軸集成在現(xiàn)有的機器方案當中。我們的團隊成功地實現(xiàn)了一個創(chuàng)新型線性驅動方案，其中在兩個軸向上僅使用一個原級部件。再有是TruMatic7000應用方案的基礎是一種感應式平行運動學技術，各驅動器相對地布置在各自的運動板上，這樣就*平衡了電的磁力。每個驅動器的電磁板如此設計，就允許出現(xiàn)由于對面的軸的運動而引起的垂直于當時運動方向的相對運動的情況。
附加軸原理帶來更多功能
在確定了技術數(shù)據(jù)之后就已經(jīng)明確，能夠將附加的運動自由度應用于更多的功能。例如，現(xiàn)在能夠濕切割投在激光凹*圍內任意定位。我們可以將凹模直徑幾乎翻倍，這樣就能使更大的加工垃圾通過凹模排出。這就省去了耗時的通過零件翻板來排出加工垃圾。另一個正面的附加效果是更高的零件輪廓準確性。主軸的輪廓錯誤通過附加軸的高動態(tài)運動幾乎沒有時間滯后地得以補償。其結果是：由于將加速度和動態(tài)特性值提高了4~5倍，從而使零件加工時間降低%30