1.CNC加工優化技術難題

優化NC程序的作用可以概括為：加工時問優化、加工路徑優化、切削條件優化等等。加工時問優化是生產中遇到最多的情況。例如使用φ12mm立銑刀銑削圖1所示零件。從圖1中可以看到，加工時長、短邊的材料去除率是不一樣的。也就是講，如果給定一個切削進給速度，則刀軸切削載荷是不一樣的。銑削短邊時，材料去除率高，刀具切削載荷大；而銑削長邊時，材料去除率低，刀具切削載荷小。既然刀軸能正常銑削掉短邊的材料（設定此時刀軸切削載荷為100％），則銑削長邊時刀軸則沒有發揮出全部功率，尚有提高生產效率的余地。

為了提高加工效率，編程者可以考慮到使銑四邊時的刀軸切削載荷都保持一個較高的水平。如將銑短邊的進給速度設為120mm/min，銑長邊的進給速度設為160mm/min，這樣可以縮短銑削時間。

簡單的二維輪廓加工，為盡可能使材料等體積去除率保持在較好水平上，可以通過手工編寫在不同線段的進給速度。然而，在較復雜的二維加工中，由編程者來考慮如何分配進給速度，其工作量是很大的，即使在NC程序中分別編輯不同的進給速度，實際刀軸切削載荷也會有較大波動。若要人工在三維零件的NC程序中為每個切削程序段分配不同的進給速度，將是一件很困難的事。

CNC機床的加工過程受加工形狀和切削狀況的限制。這樣，在每個加工階段，必須采用程序設定的轉速和進給速率，沒有足夠的靈活性以適應加工時的動態變化。實際上，由于以下幾個方面的原因，切削條件傾向于動態變化。這些原因包括：

（1）無論胚料還是棒料、鍛件還是鑄件，工件表面經常不平整。

（2）加工中刀具逐漸磨損。

（3）工件間材料不同和工件內材料硬度不均勻，產生硬點和軟點。

（4）工件的形狀、尺寸變化。

（5）加工中冷卻效果不同產生表面硬度變化。

研究切削參數和加工刀具軌跡優化的目的就是使數控機床發揮出最優的加工效率，使產品具有最佳的加工品質。切削參數與刀具壽命、機床參數（主軸轉速、功率、轉矩）等因素有關。考慮到以上原因，為保證加工安全，程序員除了采取最保守的切削參數外別無選擇，這就導致加工效率降低。相反，想要縮短加工時間，程序員不得不設定較大的加工參數，這樣會導致對刀具工件和機床的破壞。無論數控程序多么優化，它們不能把加工中的動態變化考慮進去，遠不能滿足根據實際切削情況來實時調整切削參數的需要。

2.OMAT機床自適應系統

日益加劇的市場競爭要求急劇降低成本，這就要求生產者減少不必要的成本消耗，包括：加工時間、機床保養、維護成本、刀具費用和長交貨周期的費用。自適應系統中采用的實時最優化技術在解決這些經濟問題時是不可缺少的。高效自適應控制系統是根據連續檢測到的切削參數，對加工過程實現實時完全優化，使CNC機床發揮出最大潛力，刀具壽命達到最高。

20世紀90年代初期，0MAT公司開始把自適應控制技術應用到數控加工過程中，即把自適應控制技術與0MAT公司總結出的金屬加工專家系統結合起來。O-MAT機床自適應系統最大的特點是根據特定主軸和工件材料的大部分參數，可以實現實時最優進給，這些參數可以被輸入，也可以來自外來的刀具目錄，操作者不需要知道具體負載極限，對每把刀具，內部專家系統已經確定了它的負載極限。如果將0MAT自適應控制器（優銑控制器OptiMil-XL，優車控制器0ptiTurn-XL，優鉆控制器OptiDrill-XL）直接安裝到數控機床上，實時監測切削狀況并把每一步走刀的進給速率自動地調節到最合適的數值，這就保證了恒定的切削負載，這個恒定的負載是考慮到了切削條件的變化而得到的，從而保證加工時間最短以及刀具、機床所允許的最大能力工作。O-MAT的OptiMonitor-XL（監測控制器）連續地監測切削過程，只有在過載情況下才動作（停機或和報警）。#p#分頁標題#e#

此外，0MAT機床自適應系統還允許NC程序員更大膽，像使用新刀具一樣來設定進給速率，根據刀具磨損程度，進給速率被相應調節，所以，加工中系統可自動進行刀具監測并將監測結果應用于進給。同時，系統也給操作者適時換下磨損的刀具，從而不會產生刀具斷裂或過早的更換刀具。0MAT機床自適應系統不僅可以檢測刀具磨損，還能通過對主軸負載的監測及相應調節進給倍率，達到保護刀具，減少廢料和減少重復工作時間的目的。當切削中出現急劇超載時，報警系統發出警報，必要時自動停止機床。

3.OptiMil-XL優銑器功能

下面以OptiMil-XL優銑器為例，說明OptiMil-XL優銑器的工作原理及使用方法。

（1） OptiMil-XL優銑器的工作原理　在OptiMil-XL優銑器（以下簡稱優銑器）中儲存了每一步切削加工參數，這些切削參數用一個惟一的加工代碼來標識。切削參數按工序進行編組。對于每把將由優銑器控制或監測的刀具，準備好加工操作所需要設置的參數。這些參數可以通過優銑器上的鍵盤輸入到優銑器的儲存器中，與NC程序相對應，設置新的工序或選擇已有的工序。讓優銑器進人自動模式，然后在機床上運行NC序。在此模式下優銑器已經準備好接受來自NC序的命令，以啟動其自適應控制功能或監測特性。

（2）優銑器的主要特性　圖2說明了優銑器控制的銑削過程。在優銑器控制的銑削過程中，當切削狀態超過正常范圍時，將切削進給倍率減小到低于加工程序設定值以下，并在必要的時候將機床停車，避免對切削刀具、工件和機床造成損壞。而當切削狀態允許節約時間時，優銑器就增加進給倍率使其高于加工程序設定值。最終結果相當于得到一個最優的平均進給倍率，這個進給倍率要比加工程序設定的進給率效率高。在多軸機床的情況下，優銑器連續檢測每個主軸上的負載，然后根據作用負載最大的主軸情況調節進給速率。

（3）優銑器的兩種操作方法①預先設置方法（缺省方法）。當采用這種方法的時候，優銑器內部的專家系統使用用戶輸入的操作參數計算出每步走刀的最大負載容許值，并且通過對整個走刀過程連續地優化實際進給速率來達到這一負載。②訓練方法這個方法包括“學習”和“再學習”兩個階段，以備特殊情況之用，包括夾具問題、特殊的刀具、應用舊刀具和在優銑器的材料庫中不包含的特殊工件材料。

在每步走刀的學習階段，優銑器不進行自適應的進給速率控制。根據程序設定的進給速率，系統僅僅監測負載的變化，并記下了在這步走刀中所能達到的最大負載。這個學習到的最大負載值于是被應用在了“再學習”階段（見圖3），這樣在什么地方檢測到的負載最大，自適應控制下的進給速率在這個地方就等于程序設定的進給速率的100％。結果在負荷比較輕的情況下，切削的速度就比程序設定的進給速率高。在最大負載點優銑器將以程序設定的進給速率進行切削。

4.實驗結論

近幾年來，我們針對不同的零件進行了切削試驗，通過試驗數據證明：在粗加工中工件毛坯去除量較大，零件精度要求一般相對較低，使用優銑器的優化效果比較好；精加工中，由于已經考慮到對零件精度的要求，所留的加工余量比較均勻，切削載荷變化不大，優化效果不一定十分明顯。一般來說，在粗加工和半精加工中，當材料切削量變化、材料硬度變化或工件表面有較大變化時，自適應控制是非常有效的。在典型切削工況下，根據加工情況的不同，加工周期可縮短10％～40％。

使用優銑器時，我們認為還應注意以下幾點：

（1）首先必須從刀具的選擇人手，建議盡可能選用硬質合金刀具等先進刀具。因為同樣規格的高速鋼刀具與硬度合金刀具相比，其允許的切削速度相差幾十倍，主軸轉速也相差很多。從刀具壽命上看，高速鋼刀具的壽命較低。選用高速鋼刀具來提高機床加工效率是非常困難的。#p#分頁標題#e#

（2）一般來說采用刀具供應商推薦的參數值是一個選用上限值。超過推薦參數值，會縮短刀具壽命，增加刀具成本；低于推薦數值過多，刀具的性能得不到充分發揮。

（3）數控機床刀軸具有功率轉矩特性，在一個特定轉速下，機床為恒扭矩輸出，輸出功率逐漸增大，到達該轉速以后，機床為恒功率輸出。在使用優銑器時，一旦刀具切削參數確定以后，必須驗證切削參數是否在機床所能輸出的功率和轉矩的范圍之內。優銑器輸出的功率轉矩特性應與被優化的刀軸電動機特性相匹配，以防止過載。