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適應性進給速率控制於粗加工效率提升之應用

摘要"

現在的生產製造廠商主要致力於生產力提昇與成本降低兩個目標,而為達這兩個目標,終端使用者多希望在製造過程中,儘量減少不必要的時間浪費與更短的加工時間,特別是粗加工由於材料移除量大,對加工效率的需求更是殷切。然而在CNC工具機的加工過程中,影響切削加工效率的因素有很多,包括機台靜態與動態特性、NC加工程式、工件與刀具夾持系統、銑削策略、伺服與運動控制等都有關。其中提升切削加工效率最直接有效的方法就是增加進給速率。因此,有許多廠商提供許多有關於切削加工中適應性進給速率控制的功能。
一般而言,要提高加工效率就是要增加材料移除率,而材料移除率與進給速率、切削深度及切削寬度有關,其中的切削所能容許的最大切削深度及切削寬度,與刀具幾何尺寸有關。因此,當刀具選用與工件材料決定後,進給速率就成為決定加工效率的關鍵因素之一。而進給速率需根據所選用刀具的直徑與刃數,以及其對應不同工件材料的每刃進給量與切削速度來決定,所以進給速率實際上在手動編輯或經CAD/CAM後處理時就已內定在NC加工程式中,因此整個加工執行過程通常都依此進給速率命令來執行加工。然而這樣的加工條件並不能滿足加工現場客戶實際對加工效率的需求,因此就有適應性進給速率控制的需求產生。以下本文將介紹適應性進給速率控制及其所衍生的負載監視應用技術,期能對國內產業技術提升有所助益。

關鍵詞:粗加工、適應性控制、進給速率、負載監視、刀具使用壽命

技術簡介

適應性進給速率控制[1]的控制方法系統架構圖,如圖1所示,參考輸入是經事先量測所取得的該刀具可容許的主軸平均負載,進而設定為跟隨該刀具的刀具參考負載,控制過程中同時將線上即時擷取的主軸實際負載回授至輸入端,並與刀具參考負載相減而獲得主軸負載誤差ΔLoad,然後經控制法則計算後再加上初始倍率100%所獲得進給速率倍率而成為進給速率控制輸出命令。
適應性進給速率控制的主要應用場合在粗加工或半精加工,透過控制進給速率使得主軸負載可維持在刀具參考負載的目標範圍內,其主要目的是要提升粗加工時的加工效率與延長刀具使用壽命。實際應用時,需透過自定義M碼於NC程式執行中啟動或停止此功能,當功能啟動後且主軸負載低於刀具可容許的主軸平均負載時,此功能會增加進給速率倍率,使得加工速度可以變快,進而縮短加工時間;反之,當主軸負載高於刀具可容許的主軸平均負載時,此功能會減少進給速率倍率,以減少負載對刀具的磨損,進而延長刀具可使用壽命。此外,由於進給速率控制過程中會對主軸負載進行監視,因此衍生其他次要的應用功能,如持續的減少進給速率倍率至最低設定值後,仍無法降低主軸負載,則可依此判定刀具使用壽命已到達,必須立即更換新的刀具,又如刀具碰撞或斷刀時,主軸負載會急劇的變化,必須立即停止加工,以避免主軸、刀具、夾治具或工件進一步的損壞。
此外,適應性進給速率控制有些場合會搭配加工歷程學習的功能,其應用場合的特色是重覆的加工循環,其方法是在第1次加工時,先讓學習功能進行一次加工歷程資訊的學習與記錄,並儲存在附屬於NC程式的檔案中,然後藉由控制法則的分析,預先最適化加工歷程中所容許的主軸負載。當啟動適應性進給速率控制時,可依據加工歷程學習的結果控制進給速率,使其保持在所容許的主軸負載範圍內。

技術發展現況

Omative

Omative提供了針對粗加工與半精加工的切削加工性能改善的解決方案-ACM(Adaptive Control & Monitoring),此功能主要是建立在切削加工歷程資訊的學習與記錄,基於加工歷程資訊的記錄,可進行切削加工狀態的即時監視[2],並於必要時進行進給速率的適應性控制,進而提高切削加工的效率,如圖2。
Omative ACM功能應用獨家的專家系統,透過主軸負載變化的即時監視,結合刀具資料庫、工件材料和加工參數,計算並自動調整最適化的切削進給速率,以縮短加工時間與降低刀具磨耗。圖3為一般加工與搭配ACM的主軸負載與進給速率圖形的比較。
由於ACM會對主軸負載變化的模式進行記錄,因此ACM可根據歷史記錄與主軸當前的負載監視資料即時進行比對,確保主軸負載不會超過預先設定的臨界值。若主軸負載的變化超過臨界值時,ACM內部的專家系統可依臨界值的區域立即發出Warning或Alarm,若有必要時甚至可停止加工,從而達到刀具、夾治具與工件損壞的保護,如圖4。
此外,根據Omative在汽車產業引擎零件(曲柄軸、汽缸體)與傳動變速箱的加工應用案例報告[3],其中的曲柄軸銑削製程,載具為Komatsu曲柄軸銑削專用機,控制器為日系Fanuc控制器,在應用Omative ACM功能最適化之後,其驗證結果顯示可大幅延長刀具使用壽命為原來的150%,使刀具可加工件數從原本的600件增加為900件,而且刀具使用壽命的變化也較以往更為穩定。
觀察圖5此案例加工過程的即時負載與進給速率的資料記錄,顯示曲柄軸銑削過程有許多材料移除率急劇變化的情形,而ACM會根據當下的切削情況,適應性的調整進給速率以延長刀具使用壽命。空切時,ACM限制進給速率為NC程式進給速率的100%;進刀時,由於刀具與工件會發生碰撞,為保護刀具免於破損,ACM會使進給速率下降至NC程式進給速率的50-60%。重切與高刀具磨耗情況時,為保護刀具免於過負載,ACM會使進給速率下降至NC程式進給速率的70-80%。
驗證結果顯示,ACM可有效降低刀具損壞,而且可提高加工製程的穩定性。刀具壽命最大可延長至63%,刀具使用成本最大可降低至38%。

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