现代 CNC 使棘手的工作变得轻松

CNC 变得更快、更智能、更易于使用

这是您永远不会费心表达的机床首字母缩写词：CNC。很多时候，将您的“计算机数字控制”视为一个在施展魔法的黑匣子可能是可以的。但是，如果您正在为高速加工而苦苦挣扎，需要更好的表面光洁度或更高的精度，有培训和保留问题，或者想要更好地处理您的生产效率，答案可能就是这三个小字母的最新迭代。

谁需要速度？

就像所有与计算机相关的东西一样，CNC 的速度也在不断提高。从令人眼花缭乱的规格中举几个例子，Heidenhain 在半毫秒内控制过程数据块，Siemens SINUMERIK 840D sl 只需一个处理器即可控制多达 31 个轴和 10 个加工通道，并且脉冲FANUC 最新的驱动器和电机每转计数高达 3200 万。谁需要这种力量？

首先，任何试图同时移动多个轴的人，尤其是当他们需要快速移动时。法格自动化美国公司（伊利诺伊州埃尔克格罗夫村）的高级应用工程师 Tom Maxwell 特别指出复合材料在航空航天领域的使用增加，“更快的高速五轴路由器通常需要更多的处理能力。我们还看到了在高性能加工中心上对铝进行五轴高速加工的需求。”

或者正如 Heidenhain 的 TNC 业务开发经理 Gisbert Ledvon 所说：“高速加工需要快速的进给率和恒定的切屑负载。您想将热量传递到芯片而不是工具中。但是，如果控制速度太慢，无法管理来自 CAD/CAM 系统或后处理器的数据，您将无法保证恒定的芯片负载，这会很快烧毁工具。您也不会获得相同的表面光洁度或精度。还需要更快的控制来运行高达 80-100,000 rpm 的主轴，再次保持恒定的切屑负载。 CNC 是这些领域取得成功的重要组成部分。”

结合加工方法的机器，如车铣复合机床或同时铣削和磨削的机床，也推动了对超高速处理器的需求。 “例如，如果零件不在铣床的工作台上，而您想要进行车削操作，那么您将在所有轴上移动，而不仅仅是旋转轴，”Ledvon 说。

西门子工业公司机床业务数字化工厂部门（伊利诺伊州埃尔克格罗夫村）的业务开发人员 Steve Holmes 补充了另一个例子：由加工中心的 CNC 控制的机器人既可以进行零件处理，也可以进行轻型加工，例如去毛刺。 SINUMERIK 840D 控制系统具有一个名为“运行我的机器人”的功能，无需为另一个机器人使用单独的控制系统或 PLC。控件只是将另一个通道专用于该任务。

另一方面，请注意您认为您将从控件中获得的速度不会受到其他组件的阻碍。正如 FANUC America Corp.（伊利诺伊州霍夫曼庄园）的全国销售经理 Jody Michaels 所解释的那样：“我们的竞争对手声称拥有 25,000 块预测等功能。没关系，但如果 CPU 以及驱动器和电机的处理速度无法快速响应，那么您向前看多远都没关系。你可以在约翰迪尔拖拉机上安装一个 1000 马力的电机，但这并不意味着它会以每小时 150 英里的速度行驶。你需要整个系统。”

在离开速度主题之前，值得注意的是，大多数现代 CNC 都包含一个通常称为“自适应进给控制”的功能，该功能使用测量的主轴负载来调整切削速度。例如，如果您正在切割“空气”，则控件会自动将进给速度提高到您设置的最大值。当刀具埋入切口时，控制器会减慢进给速度，以保持恒定、安全的扭矩。一切都在飞行中。正如 Ledvon 所见，该功能特别适用于“无人值守加工和摆线铣削”。它甚至进一步优化了 CAD/CAM 软件包，可根据预测的材料去除量调整加工速度。”

精度更高，光洁度更好

正如我们已经建议的那样，高级控制提供的不仅仅是处理运动复杂性和多个过程的能力，或者是更快加工的能力。也许最重要的是，它们为模具和其他对这些因素至关重要的应用提供更高的加工精度和改进的表面光洁度。 Fagor 举例说明的一种常见方法是双反馈，它使用数字电机的编码器和单独的绝对线性编码器来​​通知控制。 Maxwell 表示，这“允许更高的精度，同时保持平滑运动。”

机器制造商 Hurco（印第安纳波利斯）的路径规划、前端设计和研发经理 Paul J. Gray 表示，该公司的 WinMax 控​​制需要更多的处理能力来支持其专利的 UltiMotion 基于容差的控制算法，从而实现了 25%减少四轴和五轴加工的循环时间。但更重要的是，赫克的新型五轴机床采用直驱旋转轴力矩电机，充分利用 UltiMotion 的高动态响应，提供更光滑的表面光洁度。

提到“算法”让我们回到了现代 CNC 是一个黑匣子的普遍看法。实际上，通常在后台运行的复杂程序远远超出了执行加工程序定义的移动的范围。

一个关键示例是重新解释来自 CAD/CAM 后处理器的样条曲线。正如 Ledvon 解释的那样，这样的等高线通常具有刚好落在给定曲线半径之外的点。

“强迫机器沿着这样的轮廓从一个点到另一个点运行会在您的工件上产生振动和测量标记。在 Heidenhain 控制器上，您可以建立几微米的带宽，并允许机器在此公差范围内围绕编程轮廓平稳移动。该控制系统还根据轮廓形状优化速度和进给，同时保持精度。” Heidenhain 将此功能称为高级动态预测 (ADP)，它在高级控件中很常见。例如，FANUC 将其版本称为 Smooth Tolerance Control。

还有许多功能可以纠正固有的机器错误，例如 Heidenhain 的自适应颤振控制 (ACC)。 “我们与机床制造商合作，确定他们的机器如何发生振动，因为这因机器而异，”Ledvon 说。 “并且我们确定控制应采取什么措施来消除此类谐波，这又因机器而异。机床制造商将这些数据放入 PLC 中，PLC 将其反馈给控制系统，并自动运行。”

Heidenhain、FANUC 等也具有补偿刀具中心点处与加速度相关的位置误差的功能。例如，Ledvon 说，质量和惯性会导致制动和加速过程中的俯仰运动，从而导致位置编码器无法识别的位置误差。

误差部分取决于导轨的刚度、进给力施加点与质心之间的距离，以及质心与刀具中心点之间的距离。因此，Heidenhain 与机器制造商合作，了解机器的机械结构，并根据这种理解进行计算，以纠正这些加速误差。 Ledvon 补充说，这种调整只有几微米，因此可能并不总是必要的，具体取决于应用。

FANUC 的术语很好地理解了现在可供机床制造商和用户使用的一些看似神奇的附加功能：智能主轴加速/减速、智能进给率加速/减速、智能齿隙补偿和智能热控制。

Michaels 指出，Smart Spindle Acc/Dec 还有助于节省能源成本，因为 CAD/CAM 程序通常会输出主轴速度的巨大变化，否则会消耗不必要的电力。但生产更好的零件是大多数这些功能的主要好处。或者，正如他总结的那样，“在当今的公差控制以及我们的电机和驱动器的高响应下，背景中发生了太多事情，以至于您的机加工零件看起来就像一个抛光的表面。”

HMI 的进步

正如您所料，人机界面 (HMI) 的最新进展包括图标驱动设计和智能手机普及的指尖控制类型（俯仰以缩小图像、展开以缩放等）。即使是无处不在的 HMI 25 年来没有太大变化的 FANUC，现在也提供了 Michaels 所描述的“一个非常不同的界面。一个看起来不像 FANUC 屏幕的主屏幕，带有用于工具数据、编辑程序、维护等的不同图标行。您还可以对其进行自定义，例如添加来自其他供应商的编程应用程序。最重要的是，这让千禧一代更容易接受我们的控制。”

但这些变化不仅仅是对千禧一代的安慰。 CNC 供应商不仅为机器操作员提供了更多独立于离线 CAD/CAM 的编程能力，而且使编程变得相对简单。

格雷说，赫克的新图形对话式编程系统使操作员能够“导入实体模型 CAD 文件，只需单击他们想要切割的零件特征即可生成零件程序。它甚至会自动定位五轴机器以切割 3+2 轴特征。编程的简单性不仅提高了操作员的工作效率，还进一步消除了生产过程中的人为错误来源。”

Siemens、Heidenhain 和其他公司提供相同的功能，Holmes 补充说，在任何斜面上使用任何标准三轴固定循环的能力消除了对五面零件的昂贵 CAM 系统的需求。

Holmes 还观察到“今天的高级 HMI 超出了基本的视觉验证。它们提供编程、刀具和主轴设置、零件探测、刀具路径效率的 3D 图形验证，并支持一系列新功能，例如通过视觉验证实现的避免碰撞。此外，从三轴到 3+2 再到全五轴加工，整个车间都可以获得相同的视觉验证体验。”

Gray 反驳说，控制图形和机器模拟系统不再是特殊的，“这是编程方面的大多数控制步履蹒跚，特别是对于五轴加工。”为了解决这个问题，赫克“开发了一种用于对话式和 NC 编程的通用程序类型，无论其配置如何，都可以在任何赫克五轴机床上切割相同的零件，而无需对零件程序进行任何更改，”他说。 “这简化了五轴操作员培训，并为我们的客户提供了相当大的生产灵活性。”

为一台机器编写的程序可以在另一台机器上运行的程度（运动学独立编程）是西门子的另一个关注点。

“这种方法允许同一程序在具有不同运动学的多台五轴机床上运行，而无需为每台机床配备单独的后处理器，”Holmes 说。 “通过运动学独立编程，生成的 CNC 程序也独立于机床，从而为五轴加工带来更大的灵活性。因此，为带有铰接头的机器编写一个零件，并将其移至没有铰接头但带有耳轴台的 VMC。控件会自动重新定向程序以在这台机器上运行零件。”零件不必使用西门子自己的 CAD/CAM 软件包 NX 进行编程。任何标准包都可以。

同时，西门子在提供完整的 CNC 系统和 CAD/CAM 软件包方面可能是独一无二的。两者是如此集成，以至于对一个的更改会立即反映在另一个中，而无需进行后期处理。凭借更广泛的覆盖范围，西门子和 FANUC 还都提供了“通用 HMI”，从铣床到车床再到磨床看起来都相似，从而简化了培训。

Maxwell 表示，Fagor 提供了一项新功能，“允许用户选择材料和工具，并检索他们正在编程的特定零件的基本速度和进给。法格还在速度和精度之间实现了操作员的动态调整，以提高粗加工过程中的速度和精加工过程中的精度。”

同样，Holmes 表示，西门子的控制包括“高速加工循环，允许操作员轻松调整粗加工、半精加工或精加工的加工过程，所有这些都只需在循环中更改一两个值。”

其他设置帮助

除了直观的界面，今天的 CNC 还帮助操作员指导每个功能。 Siemens 包含 100 多个称为动画元素的短视频剪辑，它们几乎说明了固定循环或设置操作中的每个领域。

Heidenhain 有一个名为 VSC（视觉设置控制）的新系统，在您优化了工件夹具中零件的方向、螺栓的拧紧等之后，它会拍摄您的设置照片。然后，控制系统将该图像与同一生产运行中的后续设置进行比较，并警告操作员任何异常情况，例如扳手留在零件上或缺少孔，让他可以选择继续，切换到下一个托盘，或停止纠正措施。 VSC 非常敏感，以至于相机甚至可以识别出由于扭矩过大而不完全平整的螺栓头。

KinematicsOpt 是另一个有趣的 Heidenhain 功能。 “在桌子上放一个校准球，”莱德文说。 “探头以不同的角度接触球体的圆周，并自动将机器精确校准到中心枢轴点，这对于五轴应用至关重要。这是一个非常强大的功能，尤其是在白天商店内有任何温度偏差的情况下。您可以在班次期间将校准球装载到托盘上，机器可以在切割下一批零件之前自动重新校准。”

Hurco 和 Siemens 还为具有任何运动配置的旋转轴的机器提供了此功能，并且还可以在零件程序中包含中心线探测循环，以便在生产期间进行自动测量。

最后，尽管所有控制在工厂都根据预期的工件夹持、零件尺寸等进行了调整，但现场的变化（有意或无意）有时需要调整。因此，FANUC 和其他公司启用了 Michaels 所说的“您可以自己进行的一定数量的自动调整”。

Maxwell 说，“使用 Fagor Finetune 软件自动调整轴现在已成为标准功能。该软件使用波特图调整 CNC 和驱动器的参数，以优化高速切削特性。 Fagor 和其他公司还为 CNC 提供了内置示波器，以进行进一步的高级调整。”

到底是谁的控制权？

在离开 HMI 的主题之前，值得注意的是，实际呈现给操作员的界面通常是部分（如果不是全部）由机床制造商而非 CNC 供应商创建。出于同样的原因，您通常拥有来自同一个构建器的多个控制选项，因此对自己进行教育是值得的。

例如，在 DMG Mori 的 CELOS 前端后面，您会发现 FANUC、西门子、三菱或 Heidenhain 控件，但在最后一个示例中，它不是在后台运行，而是在同一个屏幕上并排运行。

Michaels 说：“牧野主要使用 FANUC，但你不会知道。他们使用我们所说的 Panel i，我们在后台的控制连接到一台向用户呈现视频屏幕的计算机。标准的立式和卧式加工中心和车床通常使用标准的 FANUC HMI。更专业的应用，如磨削，通常有 OEM 自己的 HMI。”格里森齿轮切削机床将 FANUC 控制与它的专用 HMI 结合起来。另一个例子包括 Weiler 车床，它运行 Siemens 控制装置和 HMI，“由制造商定制，你不会知道它，”Holmes 说。

利用数据的力量

“工业 4.0 和工业物联网可以说是当今行业最重要的驱动力，”格雷说。 “信息是做出更明智决策的关键，如今的 CNC 机床有望发布生产力和生产相关信息，并与其他智能设备联网，以减少设置时间和成本。”

作为这项工作的一部分，Hurco 在 GitHub 上免费为其控件提供了一个开源接口，并与多家机器人和生产力监控公司合作，以扩大其控件的互连能力。

虽然 Heidenhain 控制器几乎可以非常详细地告诉您发生的所有事情，但 Ledvon 表示，它的 StateMonitor 系统可以轻松获得关于主轴开启、主轴关闭和错误代码等相对有限的数据集，这些数据提供“非常清晰和决定性”无需大惊小怪的分析。”它还允许操作员提供有关机器未运行原因的输入，这可能是全自动系统无法捕获的关键数据点。

西门子的 MindSphere 是工业 4.0 的一个具有前瞻性的举措，这是一个基于云的开放式架构平台，来自不同制造商的机器可以安全地上传数据，以便在世界任何地方进行存储、分析和监控。带有可监控振动、电流消耗、温度和其他因素的智能传感器的机器将状态报告上传到 MindSphere。

例如，如果传感器检测到来自某一类型机床的 Y 轴的异常振动，它可以确定（基于从其他用户收集的大量智能数据得出的算法）振动是由Y轴滚珠丝杠轴承磨损。然后可以在客户意识到问题之前订购该零件并将其运送给客户。这超越了预防性维护到预测性维护。向前迈出了一大步。