模具制造業(yè)以及航天工業(yè)的零件加工可以用現代化的高速切削（HSC）技術得到最優(yōu)化的效果。如果想達到高速切削技術的經濟性目的，那么就要使機床和數控系統(tǒng)能夠應對高于常規(guī)切削方式的運動速度。
    機床運動速度不但要非常快，加工形狀也必須準確，數控系統(tǒng)必須在編程輪廓加工路徑上精確地控制加速和減速運動。為了應對加工時間、表面質量和幾何精度間的矛盾，現代數控系統(tǒng)必須為銑床和加工工藝提供最優(yōu)化的解決方案。而且最終用戶也可以通過簡單的參數調整控制最終的銑削結果。CNC系統(tǒng)的路徑控制能力是特定精度和表面質量條件下影響加工時間的決定性因素。

圖1  自由形狀加工（雙曲面）

    模具制造業(yè)高速切削（HSC）技術對機床數控系統(tǒng)的要求為高硬度材料和合金工具鋼加工提供了許多全新選擇。在經典的電火花成形加工技術之后，高速切削技術直接加工高硬度材料越來越顯示出卓越的經濟性。HSC技術的突出優(yōu)勢之一是它在加工期間的溫度分布情況和熱量排除能力。高速切削、高速進給和小的切削深度使切屑可以將大量熱量帶離工件。
HSC的要求和影響
    HSC加工進給速率大，對加工曲面工件輪廓的加速度要求更高。它能突出體現機床的機電性能。如果進給驅動加速度增加，必然會使機床的結構承受更大的加速力。此外，也容易造成機床的振動，影響表面質量。這就要求數控系統(tǒng)在盡可能縮短加工時間和滿足精度要求條件下具有實現最佳表面加工質量的運動控制能力。數控系統(tǒng)必須為機床制造商和用戶提供最佳的路徑控制方法。
    機床制造商需要數控系統(tǒng)可以最佳地控制機床的特性。數控系統(tǒng)應為運動控制和進給驅動電機控制環(huán)提供參數，以及具有合理的結構。機床經常通過最終精加工零件測評其性能。必須執(zhí)行每一項加工任務確保高動態(tài)響應不會造成機床的振動。因此，數控系統(tǒng)必須與機床緊密配合以確保任何加工任務都具有高動態(tài)性能。
    CNC機床用戶要求數控系統(tǒng)在滿足工件精度的前提下能夠減小加工時間。達到要求精度不需要耗時的測試，首件加工就必須能達到要求。這些要求必須定義在NC程序中，以確保批量生產的要求。而且，為使模具的加工時間控制在可接受的范圍內，自由形狀表面經常采用往復路徑銑削。這樣，數控系統(tǒng)還必須能生成從相反方向加工輪廓的可重復刀具路徑。否則，將損壞表面質量。
    數據處理能力對工件表面質量的影響，用金屬切削方法加工零件涉及大量中間步驟，通過這些步驟將CAD模型幾何形狀轉為刀具路徑；CAD（計算機輔助設計）；CAM（計算機輔助制造）；CNC（計算機數字控制）；機電系統(tǒng)。
    優(yōu)化加工時間、表面質量和工件精度對CNC系統(tǒng)提出了以下的基本要求：有效監(jiān)測輪廓公差；運動方向轉換后，準確的重復相鄰路徑；高動態(tài)運動不會導致振動。對 2D刀具運動，數據處理鏈能力對工件精度的影響可以用海德漢公司的KGM182 2D編碼器檢測。通過龍門銑床上的演示單元可以展示海德漢iTNC 530系統(tǒng)的運動控制特性。KGM是最終可實現輪廓精度的基礎檢查工具。

圖2  球頭銑刀TCP刀具路徑

更快、精度更高和更準確的輪廓
    有效地控制輪廓公差自由形狀表面的NC程序通常用CAM系統(tǒng)生成，它由大量簡單線段組成。海德漢數控系統(tǒng)能夠自動平滑處理過渡形狀，同時保持刀具在工件表面上的連續(xù)運動。這個檢測輪廓偏差的系統(tǒng)內部功能，可以自動控制平滑處理過程。
    在自由形狀表面上，CAD幾何形狀模型的偏差包括定義的輪廓公差值和CAM系統(tǒng)定義的弦高差。對工件的最終影響取決于機床整體特性和進給軸的加速調整值和加速度。
    iTNC 530的路徑控制功能可以平滑處理加速并滿足輪廓公差要求，甚至是在輪廓加工速度劇烈變化時（圖3）。如果可以定義更大的公差，就可以顯著縮短加工時間。在本例中，將輪廓加工公差從0.01mm放寬到0.02mm，加工時間縮短12%。

圖3  局部放大圖，顯示TCP的輪廓監(jiān)測名義路徑

    圖4為最優(yōu)化運動控制的效果。用往復運動加工自由形狀表面（編程進給速率為10m/min，精銑余量為0.1mm）。圖4a的工件表面質量不合格。用iTNC 530系統(tǒng)的加工結果如圖4b所示，相鄰路徑重復性好。

a                     b

    圖4  換向運動的多刀銑削，相鄰切削路徑的重復性 4a：相鄰路徑偏差導致的表面質量下降 4b：iTNC 530系統(tǒng)銑削結果：前進和后退運動加工的表面一樣HSC銑削技術要求的進給速率是對機床數控系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)。只有達到更高的輪廓加工平均速度才能縮短加工時間。但是，如果有小半徑路徑，就必須大大降低運動速度，以保證路徑偏差在允許的公差帶內。此外，加速和減速運動還能造成機床結構振動，損害工件表面質量。
    提速和加速度的平滑運動控制是海德漢數控系統(tǒng)的突出特點。它能非常有效地抑制機床振動。根據需要，數控系統(tǒng)還可以自動降低編程進給率使振動的危險性降到最低。有效預防機床振動使零件程序以更高的運動速度執(zhí)行，因此能顯著縮短加工時間。

圖5  實際位置用2D編碼器在圓角處測量和記錄，一個用名義位置值過濾器處理NC數據，另一個未用名義值過濾器（分別為5a和5b）
    圖 5為2D輪廓的機床刀具實際路徑。如果提速無平滑處理，加速運動階段機床產生振動（圖5a）。海德漢公司的iTNC 530系統(tǒng)的運動控制功能能有效避免嚴重振動（圖5b）。圖6的工件表面質量再一次清楚地顯示出海德漢公司數控系統(tǒng)運動控制功能的非凡作用。沿圖示圓弧運動需要在每一點處改變軸的加速度，造成機床振動（圖6a）。iTNC 530通過平滑處理提速獲得了高質量表面，沒有振動影響（圖6b）。

a                     b

    圖6  機床振動對工件表面的影響：6a：無提速平滑處理，Z軸振動導致表面劃傷  6b：iTNC 530系統(tǒng)的運動控制功能有效避免了振動導致的表面質量問題HSC 銑削技術對模具制造業(yè)和航天工業(yè)的加工工藝具有決定性的影響。HSC銑削技術要求的進給速率對機床數控系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。加工時間、輪廓表面精度和表面質量是相互矛盾的因素，海德漢公司的iTNC 530數控系統(tǒng)可以確保滿足優(yōu)選的加工要求。因此可以防止機床振動，滿足高精度要求，同時縮短加工時間。此外，iTNC 530的相鄰銑削路徑重復性高，確保用戶實現高質量工件表面加工，用往復多刀銑削工藝縮短加工時間。iTNC 530奠定了數控、驅動和機床結構相互配合的全新標準。使用戶的批量零件生產從首件就能達到高質量加工效果。