制造技术与机床编审状态(多轴联动与多通道协同技术)

引编自：《新一代智能化数控系统》（作者：陈吉红，杨建中，周会成）

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随着消费市场的不断发展，消费者对工业产品的工艺性要求不断提高，如今消费产品的造型设计中越来越多的融入复杂曲面的元素，复杂曲面加工已经开始向各行各业普及，比如汽车模具、金属手机外壳、笔记本电脑外壳等。

此外在航空航天、能源、军工等高端领域，随着技术的不断迭代更新，产品的复杂程度也越来越高，同时对零件精度要求也越来越高。例如叶轮、叶片、航空航天结构件等。

随着零件结构越来越复杂，多轴加工技术成为高性能零件的加工所必不可少的核心技术。另外，随着加工中心朝着柔性化，集成化的发展，数控系统多通道控制技术也成为高端数控系统必不可少的功能。本文将介绍多轴加工中的典型关键技术与高端复合机床所必须的多通道控制技术。

「1.多轴RTCP」

五轴联动数控机床的标准结构中包括三个移动轴和两个旋转轴，通过五轴联动可以对刀具的位置和姿态进行同步控制，可以使刀具在加工时始终保持最佳的切削状态并有效避免加工干涉，实现复合加工。在航空航天、船舶、汽车制造等国家重点行业都有广泛的应用。

刀具中心控制（RTCP）是五轴联动数控系统极其重要的功能。RTCP功能可以直接编程刀具中心点的轨迹，使得数控程序独立于具体的机床结构，数控系统会自动计算并保持刀具中心始终在编程轨迹上，由旋转轴运动引起的非线性误差都会被直线轴的运动所补偿。五轴机床不具备RTCP功能时，旋转轴运动时刀具围绕旋转轴中心旋转，刀具中心点在工件坐标系中发生变化。

RTCP功能自动补偿了旋转轴运动造成刀具中心点与工件的偏移量，这就使得多轴数控编程时可以只关注刀具在工件坐标系下的轨迹。事实上CAM系统在生成刀具轨迹时，都只是规划了刀具相对于工件的运动，而在CAM系统后置处理时，才会考虑机床运动学。后置处理生成的NC指令已经是离散后的刀位点。数控系统在无RTCP的模式下执行这些NC指令时，刀位点之间的轨迹因为旋转轴的影响会产生非线性的偏差（图1）。但是在开启RTCP模式下执行NC指令时，数控系统能计算并补偿旋转轴所带来的影响，保证刀具中心点在指令轨迹上（图2）。因此RTCP功能可以有效减少程序段之间的几何误差。

图1无RTCP功能时，刀具中心点偏离指令轨迹

图2有RTCP功能时，刀具中心点保持在指令轨迹上

同样，RTCP功能也能让刀具轴线在工件坐标系中保持在指令轨迹上。高级的RTCP功能支持刀具矢量编程，使得刀位点之间的刀具矢量之间按照指定的形状（平面，锥面等）进行插补（图3）。这种方式在侧铣加工时非常有效，能显著提升侧铣质量。

图3刀位点之间的刀具轴线平面插补

另外，由于RTCP实现了工件坐标系下刀具轨迹的插补，所以RTCP功能同样能实现工件坐标系下的速度规划，在对刀具线速度要求较高的工艺中，RTCP功能保证了切削速度的精准可控，使得刀具可以保持在最优的切削参数下，提升刀具使用寿命。

「2.刀轴平滑」

五轴加工中回转轴能够改变刀具相对于工件的姿态，增加了刀具路径规划的自由度，减少了复杂零件的加工步骤。但是刀具路径中不协调的刀具方向变化会导致线性轴不平滑的补偿运动，这将导致局部降速，在零件表面留下明显的痕迹。因此刀具轴线运动轨迹的规划依然需要保证刀具轨迹平滑。

另外，旋转轴的运动也使得刀具干涉避免的问题更加复杂。刀具干涉将导致机械的碰撞或者过切等严重问题，因此刀具无干涉是刀具轨迹规划必须要保证的基本前提。刀具矢量的干涉避免是一个与位置相关的复杂问题，在机床空间中不同位置的刀具无干涉位置都可能不一样，同时还要受到回转轴和直线轴行程的限制。为了表达刀具矢量的可行区域，CAD/CAM系统引入了可视锥的概念来表达空间位置中刀轴的可行区域（图4）。通过对每一个刀位点建立可视锥模型来限定刀具矢量的可行范围，无干涉轨迹必须完全处于可视锥的范围内。

图4刀具矢量可视锥示意图

可视锥是针对单个刀位点的刀具姿态约束，但是刀具沿着轨迹运动是连续的过程，在机床中不同的刀轴轨迹也会导致不同的机床轴运动曲线，因此在可行区域内的刀轴矢量有多种优化目标。另外在考虑工件干涉和机床干涉的可视锥模型中，边界通常是不规则的（图5）。这种特性会使轨迹规划带来极大的运算量，因此考虑碰撞干涉可视锥的轨迹规划通常由CAM系统完成。CAM系统通常会适量缩小可视锥范围，以保留一定的安全距离。在数控系统中，对刀具矢量的平滑是在远小于安全距离的规则可视锥中进行（图6）。因此数控系统对刀具矢量的平滑只能消除微小的不协调的刀具方向变化。

图5CAM软件中刀轴平滑可视锥范围大，但形状不规则

图6数控系统中刀轴平滑可视锥为圆锥形，但范围小

例如，西门子定向曲线平滑功能（ORISON），该功能以曲面侧铣加工为例，在刀具矢量变化不平顺时，侧铣表面出现条状纹路。在使用该功能进行矢量平滑后，侧铣质量得到明显改善（图7）。

图7西门子定向曲线平滑功能（ORISON）效果示意图

「3.多通道控制技术」

数控系统的多通道控制技术是高档数控系统的重要功能，在复合加工、柔性生产线等工业生产中有着广泛的应用需求。近年来，随着产品制造市场竞争日益加剧，机床朝着柔性化和集成化的方向发展，复合加工数控机床能将车、钻、铣、镗和磨等工序的多功能集成于同一体，减少了工序过渡的成本。数控系统的多通道加工控制功能，使机床能最大限度地发挥其复合加工控制能力，其意义在于：通过多通道的并行控制，使加工过程更加高效，进行工艺之间协同控制，能够比较显著地缩短加工时间，从而提高生产效率，最终降低生产成本。通过在一台机床上采用复合工艺的加工，减少工件的装夹次数，从而减小重复装夹误差，提高工件的加工精度。不仅如此，多通道技术能给数控机器人与数控系统的协同控制提供解决方案。

通道是控制器内的一种数据流结构。通过对轴等设备对象组合，串行完成空间运动的方式，称为数控系统中的通道。数控系统的多通道控制技术主要是为了在工艺条件的允许下，在某时间段中同时支持两个或两个以上的通道控制。多通道的系统的控制流程如图8所示。

图8多通道系统控制流程

多通道技术的特点在于：

（1）单个通道内有独立的数据处理流程；

（2）单个通道内有稳定的数据处理周期；

（3）被控对象无法同时被多个通道同时控制；

（4）通道之间的数据流互不干扰；

（5）多个通道共享现场总线；

（6）通道间能实现高实时性通信。

多通道控制相比于多数控系统控制，一大特点在于多通道中所有被控单元都在同一套数控系统中，也就是共享同一套总线进行数据传递。如图9所示，在多通道系统中，控制系统的任务可以按照设定分配给指定的通道进行处理。每个通道单元都有独立的通道轴控制逻辑。所有通道共享系统的运动/逻辑组件，运动组件包括所有的路径轴，主轴和刀架轴等等。运动组件与设备（伺服控制器等）建立唯一的映射关系，各个通道轴也可以与运动组件建立唯一的映射关系。这种建立映射关系的过程在数控系统中通过参数配置或外部指令实现，具有灵活性。当通道之间需要交换轴的控制权时，只需要重新建立通道轴与运动组件的映射关系即可，无需重新连线。

图9多通道控制逻辑图

从应用需求上，多通道技术可以满足并行控制和同步控制的要求。

1）多通道并行控制

从加工工序的角度，传统数控系统只能同时进行一个工序的加工，而具有多通道控制功能的数控系统则能同时完成多个工序的加工，相当于在一台机床上就可完成多台机床的加工工序。从操作系统的角度，数控系统可以理解为一个进程，而通道可以理解为线程概念。支持多通道功能的数控系统相当于一个数控系统中有多个控制程序，可以控制同一台机床不同部件的运动，也可以同时控制几台不同机床或装备的运动。

并行控制时，多个通道的物理运动单元都是相互独立的，只有在偶尔需要进行通道间同步时才进行数据通信，通常这种同步的实时性要求并不高。当单个通道发生故障时，另一个通道依然可以继续工作。

2）多通道同步控制

多通道控制技术可以使得用户同时指定多个程序，并可以在多个程序之间进行信息交换，实现多任务的复杂控制。相比于两台独立的机床之间的协同，多通道之间的信息传递更直接，只需要在控制器内部完成，而不需要经过外部的I/O设备。这种优势使得多通道同步可以建立更高效、更稳定的同步关系。根据同步实时性的不同，可以分为NC指令级的同步与插补级的同步：

（1）NC指令级的同步是指两个通道同时开始执行指定NC代码段，但对指令的执行过程不进行同步。一个典型的应用场景是流水线上多工位的协同。相比于多个数控系统之间的同步，多通道同步可以进一步减少信号传输的延迟，提升同步精度，同时在硬件设备上只需要一个控制器，节省了成本。

（2）插补级的同步是指在控制器每个插补周期，多个通道间都能产生同步的运动指令。插补级的同步充分利用了多通道数据通信便利性的特点，这是多数控系统之间的同步难以实现的，因为数据在总线间传输的过程中必然会产生延迟。一个插补级同步的典型应用场景是机器人与机床协同加工。机器人通道与机床通道可能存在共享运动轴的情况，多个通道的轴都需要同时联动，为了保证联动轨迹的正确性，通道之间需要在每个插补周期都保持高实时性的同步。