艾伯特·愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“做任何事情都應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，但不可簡(jiǎn)化。”針對(duì)機(jī)床領(lǐng)域，人們或許可以說(shuō)：一個(gè)工件的加工應(yīng)該盡可能快，但不可過(guò)快。

對(duì)于高速加工機(jī)床所設(shè)定的目標(biāo)而言，必須在生產(chǎn)效率、精度和質(zhì)量之間達(dá)到一種均可接受的妥協(xié)。在這方面，CNC就起到重要的作用（圖1）。NUM數(shù)控系統(tǒng)不僅具有平滑而緊湊的CNC程序，同時(shí)還擁有很多其他功能，可對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)節(jié)：如為加工段做準(zhǔn)備的Look ahead功能；自動(dòng)識(shí)別待加工工件外形功能；限制振動(dòng)的速度控制（累進(jìn)加速坡度）功能；無(wú)拖動(dòng)間距條件下進(jìn)行輪廓跟蹤的功能。

如果已經(jīng)具備了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)匹配得很好，軸的運(yùn)行強(qiáng)勁而穩(wěn)定，同時(shí)其他所有部件也都設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)床，那還有必要應(yīng)用CNC的這些參數(shù)嗎？
 

圖1 高速加工需要一種能協(xié)調(diào)生產(chǎn)效率、精度和質(zhì)量之間關(guān)系，同時(shí)具備很多功能的數(shù)控系統(tǒng)

一臺(tái)機(jī)床就如同一輛汽車。人們可以購(gòu)買世界上最好的汽車，但是，車輛的行駛速度和乘坐舒適度首先要取決于司機(jī)的素質(zhì)、道路的狀況和交通的情況。在CNC與汽車控制系統(tǒng)之間當(dāng)然還有其他一些可類比的東西，接下來(lái)就通過(guò)對(duì)NUM數(shù)控系統(tǒng)的各種HSC功能的描述來(lái)加以闡明。

為加工做準(zhǔn)備

如果一輛跑車或一臺(tái)機(jī)床只是在直行的時(shí)候需要快的速度，那么事情就會(huì)變得簡(jiǎn)單多了。速度方面的問(wèn)題往往在于需要在道路上或在待加工輪廓上保持速度。賽車手需要事先對(duì)道路中的彎道有所了解，他要知道何時(shí)需要換檔和何時(shí)存在彎道而需要減速。如果他到達(dá)了彎道時(shí)才開(kāi)始減速的話，那就已經(jīng)太遲而會(huì)被甩出跑道了。描述待加工工件的ISO程序可為CNC提供道路曲線的情況說(shuō)明，以實(shí)現(xiàn)加工前所需的模擬。在開(kāi)始加工工件之前，CNC必須能夠重新識(shí)別和記憶工件，比如它究竟是一種外形柔和的直線型長(zhǎng)件，還是一種帶有銳角的短件。與賽車手所不同的是，CNC無(wú)法在好幾天之前就記住道路曲線的程序。它必須隨著加工進(jìn)展的同時(shí)，執(zhí)行準(zhǔn)備工作步驟。因此，它把一部分計(jì)算工作消耗在了對(duì)加工段的分析上，并確定出在何種動(dòng)態(tài)條件下來(lái)執(zhí)行程序段。

CNC可自動(dòng)對(duì)編好的進(jìn)給量所需的加工段數(shù)量做出分析，沒(méi)有調(diào)節(jié)參數(shù)可用。當(dāng)然，如果CNC操作者能夠了解這種計(jì)算背后的物理關(guān)系就更好了。動(dòng)能轉(zhuǎn)換等于力所作的功。若起始速度為零，在恒加速推移下，則跑完的路程（L）、達(dá)到的速度（V）和加速度（γ）之間的關(guān)系為：

L=V²/2γ

這個(gè)公式適用于所有的機(jī)床。汽車司機(jī)往往會(huì)熟悉這樣一種關(guān)系：為了能夠加速，人們需要一條空暢的跑道，同時(shí)也務(wù)必知道，制動(dòng)行程長(zhǎng)短與速度的平方成正比。對(duì)于CNC來(lái)說(shuō)，這意味著它必須計(jì)算出足夠的加工長(zhǎng)度，以便達(dá)到和保持所編定的進(jìn)給速度。

設(shè)定在加速度為5m/s2時(shí)，為了達(dá)到60m/min的進(jìn)給量，需要的長(zhǎng)度為100mm。對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，經(jīng)常需要以3D的方式和依據(jù)小的線性加工段的先后順序進(jìn)行編程。精度要求越高，則接受編程的加工段就越小。例如，要對(duì)半徑為10mm、精度為1μm的圓進(jìn)行描述，那么就需要用到200多個(gè)均小于0.3mm的片段。針對(duì)快速加工的場(chǎng)合，CNC就必須具備在每一秒鐘里準(zhǔn)備出大量加工段的能力。從這個(gè)意義上說(shuō)，NUM數(shù)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的能力。它能自動(dòng)與計(jì)算需求相匹配，并在每一個(gè)掃描周期內(nèi)準(zhǔn)備并執(zhí)行多個(gè)加工段。

對(duì)輪廓面難點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別

如同賽車手一樣，CNC也知道如何處理各種不同的輪廓面。它識(shí)別角和彎道，在出現(xiàn)連續(xù)性的彎道時(shí)，也知道曲率變化。如果是一件多形式組合或是非均勻曲線曲面的加工段，CNC即會(huì)在待加工件的整個(gè)長(zhǎng)度上對(duì)輪廓面作出分析。

CNC在整個(gè)加工行程中依據(jù)所設(shè)定的精度目標(biāo)，調(diào)整其進(jìn)給速度。根據(jù)預(yù)加工和精加工階段的實(shí)際需要，人們還可以任意更改目標(biāo)精度值。也就是說(shuō)，在生產(chǎn)效率和精度之間的配合，完全可由操作者自己掌握。

在加速或更改方向時(shí)，設(shè)備總存在著一個(gè)從零加速到某個(gè)速度的點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)速度后，設(shè)備則由加速狀態(tài)轉(zhuǎn)換到恒速狀態(tài)。這種加速變更會(huì)造成一種振動(dòng)并減弱設(shè)備的生產(chǎn)能力。為了盡可能把振動(dòng)減小，就必須應(yīng)用CNC振動(dòng)限定功能。NUM數(shù)控系統(tǒng)可以以拋物線的方式調(diào)節(jié)加速度的梯度，即通過(guò)加速的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊的限定（可控的抑制）。如果與汽車作比較的話，這就好像是通過(guò)緩慢操控油門(mén)和腳剎的辦法來(lái)控制參數(shù)，使乘車人不會(huì)感到瞬間變速而不舒適一樣。為了能夠更方便地調(diào)節(jié)步階式加速，NUM公司決定采用臨時(shí)性參數(shù)：加速時(shí)間和沖擊控制時(shí)間。研究結(jié)果表明，當(dāng)加速時(shí)間等同于設(shè)備主導(dǎo)柔性模式周期時(shí)，振動(dòng)就得到極大衰減。

輪廓跟蹤實(shí)現(xiàn)高輪廓精度

在工作準(zhǔn)備階段，可以確保按照Look-ahead所確定的速度對(duì)工件進(jìn)行加工。由于CNC事先都已經(jīng)顧及到了各種物理限定因素，因此沒(méi)有必要再另外使用過(guò)濾器。通過(guò)“高輪廓精度”功能，可以彌補(bǔ)由驅(qū)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)誤差，從而達(dá)到極微小的輪廓瑕疵。

針對(duì)較高表面質(zhì)量的ISO程序平整

NUM-Coss是一種平整和壓縮的軟件，它可以改進(jìn)ISO程序，提高加工工件的質(zhì)量。CNC結(jié)果程序便是CAD/CAM工藝的成果：通過(guò)CAD的3D模型設(shè)計(jì)，通過(guò)CAM系統(tǒng)的刀具行程計(jì)算，通過(guò)后處理程序生成ISO功能塊并與設(shè)備相匹配。遺憾的是，在每一個(gè)步驟中與原始模型產(chǎn)生的幾何偏差都很小。特別是在制定加工策略時(shí)，輪廓的質(zhì)量會(huì)受到CAM程序的影響，例如涉及CAD模型表面變動(dòng)的點(diǎn)云斑。這是設(shè)備遇到問(wèn)題或需要二次加工的最常見(jiàn)原因。

CAM程序確定的刀具行程要受到離散參數(shù)的制約。若選擇的離散參數(shù)較差，則CNC就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題并影響到加工狀態(tài)。通過(guò)采用NUM-Coss來(lái)制定ISO程序，則不僅可獲得較短和較平滑的程序，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)較快的加工速度和較好的表面質(zhì)量（圖2）。

圖2 經(jīng)NUM-Coss優(yōu)化了的CNC程序可以顯著提高工件的表面質(zhì)量（上）

如果操作者沒(méi)有任何技能和訣竅，就算使用再好的數(shù)控系統(tǒng)也無(wú)濟(jì)于事。因此在加工時(shí)，需要在速度和精度之間找到一個(gè)好的平衡點(diǎn)。NUM數(shù)控系統(tǒng)的HSC功能可以同時(shí)改善這兩種參數(shù)。但是，在眾多的因素中，只能針對(duì)某一個(gè)方面對(duì)HSC進(jìn)行優(yōu)化，這時(shí)操作者就需要發(fā)揮主要的作用。操作者應(yīng)該把握好CNC中的HSC參數(shù)，以便他在各個(gè)不同的加工階段，能夠把參數(shù)相應(yīng)地調(diào)整到最好。在對(duì)各工件加工質(zhì)量的評(píng)判和使設(shè)備及控制系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)上，操作者的工作經(jīng)驗(yàn)是無(wú)可替代的