数控机床应用技术
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Bearbeitungszeit: 35.788s
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有相邻路
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径控制功能
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X
3、相邻路径的一致性-虚拟仿真-2
相邻路径的一致度差
相邻路径的一致度好
Page 24
DALIAN
4、相邻路径的一致性 – 切削试验
Page 11
DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 试验1
步长集中在0.4mm
建议使用AICC 或AInano CC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7
步长集中在1mm以上
0.9 > 1
建议使用AI APC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1
Page 12
一定要对机床设计技术、机械调试技术、伺服优化技术、加工工艺、 NC编程、数控系统试验方法和试验策略进行深入集成研究。才能开发出 市场需求的数控系统,不然数控系统成长太慢，最终将被市场抛弃。
Page 8
DALIAN MACHINE
二、数控系统硬件是根本
机床制造商关心的系统硬件主要技术指标：
1、电流环控制周期
间常数。
Page 15
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
2、圆弧插补试验 周期误差*变小，刀路细腻
CMR=2时，XY圆弧插补
CMR=20时， XY 圆弧插
Page 16
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
3、方形带四分之一圆弧试验： 动态刚度*提高，周期误差*变小，刀路细腻
T T △r≒
( 1 . 2 1 . 2). F 2 2 12 2R
R :圆弧半径（mm） T1:加减速时间常数（s) T2:伺服时间常数（s）
=1/Kp Kp:伺服环增益
：30mm :0.1s :0.033s
：30s-1
F(m/min) 500 1000 5000
△r(mm) 0.0128 0.0514
5、反馈试验：FANUC31i纳米级插补反馈更加的均匀，平滑
POSC POSF
POSF
CMR=20
Page 19
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 –纳米级插补
HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端数控系统都采用纳米级插补； SIEMENS828D计算精度是80位； FANUC0iMD系统使用了纳米级插补，试验证明FANUC0iMate D模具加工能力 与FANUC0iMC相同，台湾和国内一些机床厂为了降低成本，使用FANUC0iMate D 取代FANUC0iMD。
Page 10
DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 步长、字节处理 能力和切削速度之间关系
NC程序步长越小，程序段量越大，因此对数控系统字节的处理能力要求越高。
给量 mm/min
500 1000 2000 3000 5000 10000
AI APC 0.07 0.13 0.27 0.40 0.67 1.33
Page 32
DALIAN
7、加速度控制-动态刚度
FANUC：精细加减速 SIEMEN：动态刚度控制
激励能够通过高动态设置的速度控制器 引起控制系统采样时间和驱动产生不同的结 果，引起控制系统采样时间变化几ms，引起 驱动系统变化多达几百个μs，根据系统的优 化优化情况，这些激励会导致机械振动。
Page 27
DALIAN
6、轨迹特性控制 – 程序段过渡处控制
程序段过渡处理技术 – 影响加工效率、 加工质量。
FANUC：减速处理 SIEMEN：加减速或插入图素（G642、G643、
G644指令,G 645) HEIDENHAIN：滤波技术
动态刚度差:动态刚度误差大*
Page 28
DALIAN
加工效果*，试验证明：提高了小线段处理的效果，加工速度变快， 光洁度，亮度高，刀纹的细腻程度比之前有提高。
Page 14
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
1、动态响应试验 测试条件：测试结果对动态响应曲线影响不大
动态频率响应曲线
CMR=2
CMR=20
测试条件：FANUC0IMD，空载。在提高CMR前后，使用一样的环路增益，加减速 时
Page 5
DALIAN MACHINE
3）、加工工件对数控系统的要求
产品件加工
五轴产品件加工
五轴定向产品件加工对系统要求： 1、不需要高性能处理板 2、正付主轴可以使用异步内置电机 3、直线轴可以使用滚珠丝杠
我们把数控系统选型和配置 交给数控系统生产商，影响我国 数控机床的发展*！
五轴产品件加工对系统要求： 1、高性能处理板 2、正付主轴必须是同步内置电机 3、Z1轴最好是直线电机
Page 21
DALIAN
1、影响曲面加工质量因素
曲面加工质量四个主要指标： 1、加工精度 2、表面粗糙度；
3、相邻路径的一致度（或正反向加工的重复性）-----俗称光亮度
4、加工速度
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DALIAN
2、相邻路径的一致性-虚拟仿真-1
Z Z
相邻路径的一致性度在国内没用引起重视！ 3D Abweichung LC Istdaten zu NC-Programm, zacke01 Parameter: Tol_5(0.01) Bearbeitungszeit: 32.9325s
1.28
选择合理的切削参数非常重要，从表中可以看出，速度相差5倍，精度相差 25倍（平方关系）
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DALIAN
圆角、拐角误差实测
红色：全闭环 蓝色：半闭环 进给速度：1000mm/min
卧式加工中心：电主轴、丝杠中空冷却、主轴有热补偿功能 数控系统：FANUC18iM，没有采用纳米高性能板
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DALIAN
三、驱动软件算法是灵魂
高速加工指令
HEIDENHAIN：CYCLE32 SIEMEN：高速加工循环：CYCLE832 FANUC: AI轮廓控制G05.1
三种系统加工效果比较：
FANUC系统加工曲面表面质量好； SIEMEN系统加工曲面加工精度高 HEIDENHAIN系统加工曲面加工精度高、曲面表面质量好*
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没有相邻路
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径控制功能
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4 80
Y
X
3D Abweichung LC Istdaten zu NC-Programm, zacke25 Parameter: Brader mit Einfach Tol0.01 MP1230 100,50,100 MP1240 1000 MP1090.0 25 MP1070 3
CHD 系列车铣中心： 主要要特点：正负主轴采用异步内置电机
直线轴全部采用滚珠丝杠
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DALIAN MACHINE
2）、CHD系列车铣复合中心基础件
X1轴滑架质量轻：位置增益可以设置高； Z1轴滑架质量重：位置增益设置低。 为了保证机床的同步精度位置增益必须 设置相同值，按最低增益值设置（按Z1 轴位置增益设置），这就降低了机床精 度。 Z轴采用直线电机： 1、减少了屑对屑换刀时间； 2、提高了位置增益、提高了机床精度； 3、加速度提高，提高了切削效率； 4、提高了机床伺服刚度和动态刚度。
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DALIAN
使用数控系统处理小线段，尽管有占用大量系统资源，计算时间长 等缺点。
小线段处理技术发展方向：数控系统处理
原因： 1、速度平滑 2、能够根据系统的动态特性平滑处理； 3、数控系统能够对根据轨迹、轨迹间、动态特性轨迹公差实时控制； 4、能够使用速度滤波技术； 5、根据加工情况更改公差(使用方便）； 6、CAM后置处理简单* 。
CMR=2时，XY方带四分之一圆弧
CMR=20时，XY方带四分之一圆弧
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DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
4、反馈试验： FANUC0i-C反馈更加的 均匀，平滑
POSC
POSF
POSF
CMR=20，1802#7=1
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DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
数控机床应用技术
大连机床集团 数控技术应用试验研究所
大连数机汇控床技报集术人周团应宝：用庆试周验宝研究庆所
2011.08.02
机床制造商对高端数控系统的需求
1)、硬件的需求 2)、高速切削功能 3)、五轴加工能力 4)、简易编程（对话式、可视化编程） 5)、误差补偿; 6)、调试工具 （简化调试工作） 7)、过程干预和监控技术; 8)、智能化技术 9)、网络技术
7、轨迹特性控制 – 海德汉拐角滤技术
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DALIAN
圆角、拐角-轨迹误差计算
圆角误差计算
圆角误差△R
指数型: 直线型: 钟 形:
拐角误差计算 拐角误差E
指数型：Ｅ=０.５２ＶＴ1 直线型：Ｅ=０.１８ＶＴ1 钟 形：Ｅ=０．１２ＶＴ1
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DALIAN
圆弧-轨迹误差计算
圆弧切削时的路径误差:
没有相邻轨迹控制功能，表面质量差
有相邻轨迹控制功能，表面质量好
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DALIAN
5、路径预读功能
解决相邻路径的一致性的策略：
1、增加路径预读能力，缩短段处理时间；
2、使用3D光顺算法控制路径公差和相邻路径公差 *；
3、路径速度平滑
iTNC530： 程序段预读：1024段，程序段处理时间：0.5ms FANUC31i： 采用高速处理器： 程序段预读：1000段（600），程序段处理时间：0.4ms 西门子840D： 程序段预读：默认设置38段 插补周期=MD10050[秒] * MD10070 * 1.11
程序段处理能力：CNC每分钟能够计算的程序段数
N0001 X- 110.343… N0002 X- 110.551… N0003 X- 110.705… N0004 X- 110.911… N0005 X- 111.059… N0006 X- 111.162… N0007 X- 111.298… N0008 X-111.469... N0009 X- 111.564… N0010 X- 111.614… . . . N7497 X-111.6 … N7497 X- 111.559…
Page 6
DALIAN MACHINE
4）、高速机床和重型机床都需要高端数控系统
重型机床更需要高端数控系统支持！
高速、高精度、高表面加工机床 动态性能好
高效、高精度、高表面质量加工机床 刚性好
高性能钢、钛合金、高温合金和硬切削等
Page 7
DALIAN MACHINE
数控系统框架设计师和型号设计师:
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 - FANUC指令倍乘比(CMR)优化
指令倍乘比（CMR）＝最小移动单位÷检测单位
FANUC系统指令倍率比（CMR），出厂默认值是2倍，国wk.baidu.com都是使用默认值， 但国外进口机床指令倍比都设置10倍以上，最多达到40倍。
提高指令倍率： 提高了系统计算精度(指令脉冲精度），计算精度的提高影响
2、系统控制周期
3、插补周期
4、程序段预读能力
5、内存和外存容量
系统系能对机床精度的影响：
6、程序传送速度
1、伺服刚度
2、动态刚度*
3、反向跃冲精度（象限误差、摩擦误差）*
4、周期误差*
5、动态响应误差*
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DALIAN MACHINE
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 程序段处理能力试验
Page 2
DALIAN MACHINE
一、机、电、液、机械调试、NC调试和加工编程集成技术是关键
GMX linear 系列车铣中心 主要要特点：Z1轴采用直线电机
正负主轴采用内置电机 其它直线轴采用滚珠丝杠
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DALIAN MACHINE
1）、大连机床集团六年前开发的CHD系列九轴五联动车铣 复合中心
理论上可以处理的步距*1
AICC
AI nano CC
0.03
0.02
0.07
0.03
0.13
0.07
0.20
0.20
0.33
0.17
0.67
0.33
AI nano HPCC 0
0.01 0.01 0.02 0.03 0.07
*1步长越小，例如0.07mm时，使用AI APC功能时，机床进给率只能达到F500，如果希望达到F2000， 需要使用AI nano CC功能。
DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 试验2
步长集中在0.4mm
建议使用AICC 或AInano CC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1 步长集中在0.1mm
建议使用 AInano HPCC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1
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有相邻路
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3、相邻路径的一致性-虚拟仿真-2
相邻路径的一致度差
相邻路径的一致度好
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4、相邻路径的一致性 – 切削试验
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DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 试验1
步长集中在0.4mm
建议使用AICC 或AInano CC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7
步长集中在1mm以上
0.9 > 1
建议使用AI APC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1
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一定要对机床设计技术、机械调试技术、伺服优化技术、加工工艺、 NC编程、数控系统试验方法和试验策略进行深入集成研究。才能开发出 市场需求的数控系统,不然数控系统成长太慢，最终将被市场抛弃。
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二、数控系统硬件是根本
机床制造商关心的系统硬件主要技术指标：
1、电流环控制周期
间常数。
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DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
2、圆弧插补试验 周期误差*变小，刀路细腻
CMR=2时，XY圆弧插补
CMR=20时， XY 圆弧插
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DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
3、方形带四分之一圆弧试验： 动态刚度*提高，周期误差*变小，刀路细腻
T T △r≒
( 1 . 2 1 . 2). F 2 2 12 2R
R :圆弧半径（mm） T1:加减速时间常数（s) T2:伺服时间常数（s）
=1/Kp Kp:伺服环增益
：30mm :0.1s :0.033s
：30s-1
F(m/min) 500 1000 5000
△r(mm) 0.0128 0.0514
5、反馈试验：FANUC31i纳米级插补反馈更加的均匀，平滑
POSC POSF
POSF
CMR=20
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2）、计算精度对加工质量的影响 –纳米级插补
HEIDENHAIN 、SIEMENS、FANUC高端数控系统都采用纳米级插补； SIEMENS828D计算精度是80位； FANUC0iMD系统使用了纳米级插补，试验证明FANUC0iMate D模具加工能力 与FANUC0iMC相同，台湾和国内一些机床厂为了降低成本，使用FANUC0iMate D 取代FANUC0iMD。
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DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 步长、字节处理 能力和切削速度之间关系
NC程序步长越小，程序段量越大，因此对数控系统字节的处理能力要求越高。
给量 mm/min
500 1000 2000 3000 5000 10000
AI APC 0.07 0.13 0.27 0.40 0.67 1.33
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7、加速度控制-动态刚度
FANUC：精细加减速 SIEMEN：动态刚度控制
激励能够通过高动态设置的速度控制器 引起控制系统采样时间和驱动产生不同的结 果，引起控制系统采样时间变化几ms，引起 驱动系统变化多达几百个μs，根据系统的优 化优化情况，这些激励会导致机械振动。
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DALIAN
6、轨迹特性控制 – 程序段过渡处控制
程序段过渡处理技术 – 影响加工效率、 加工质量。
FANUC：减速处理 SIEMEN：加减速或插入图素（G642、G643、
G644指令,G 645) HEIDENHAIN：滤波技术
动态刚度差:动态刚度误差大*
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加工效果*，试验证明：提高了小线段处理的效果，加工速度变快， 光洁度，亮度高，刀纹的细腻程度比之前有提高。
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DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
1、动态响应试验 测试条件：测试结果对动态响应曲线影响不大
动态频率响应曲线
CMR=2
CMR=20
测试条件：FANUC0IMD，空载。在提高CMR前后，使用一样的环路增益，加减速 时
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DALIAN MACHINE
3）、加工工件对数控系统的要求
产品件加工
五轴产品件加工
五轴定向产品件加工对系统要求： 1、不需要高性能处理板 2、正付主轴可以使用异步内置电机 3、直线轴可以使用滚珠丝杠
我们把数控系统选型和配置 交给数控系统生产商，影响我国 数控机床的发展*！
五轴产品件加工对系统要求： 1、高性能处理板 2、正付主轴必须是同步内置电机 3、Z1轴最好是直线电机
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DALIAN
1、影响曲面加工质量因素
曲面加工质量四个主要指标： 1、加工精度 2、表面粗糙度；
3、相邻路径的一致度（或正反向加工的重复性）-----俗称光亮度
4、加工速度
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2、相邻路径的一致性-虚拟仿真-1
Z Z
相邻路径的一致性度在国内没用引起重视！ 3D Abweichung LC Istdaten zu NC-Programm, zacke01 Parameter: Tol_5(0.01) Bearbeitungszeit: 32.9325s
1.28
选择合理的切削参数非常重要，从表中可以看出，速度相差5倍，精度相差 25倍（平方关系）
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DALIAN
圆角、拐角误差实测
红色：全闭环 蓝色：半闭环 进给速度：1000mm/min
卧式加工中心：电主轴、丝杠中空冷却、主轴有热补偿功能 数控系统：FANUC18iM，没有采用纳米高性能板
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DALIAN
三、驱动软件算法是灵魂
高速加工指令
HEIDENHAIN：CYCLE32 SIEMEN：高速加工循环：CYCLE832 FANUC: AI轮廓控制G05.1
三种系统加工效果比较：
FANUC系统加工曲面表面质量好； SIEMEN系统加工曲面加工精度高 HEIDENHAIN系统加工曲面加工精度高、曲面表面质量好*
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没有相邻路
24
径控制功能
22
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Y
X
3D Abweichung LC Istdaten zu NC-Programm, zacke25 Parameter: Brader mit Einfach Tol0.01 MP1230 100,50,100 MP1240 1000 MP1090.0 25 MP1070 3
CHD 系列车铣中心： 主要要特点：正负主轴采用异步内置电机
直线轴全部采用滚珠丝杠
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2）、CHD系列车铣复合中心基础件
X1轴滑架质量轻：位置增益可以设置高； Z1轴滑架质量重：位置增益设置低。 为了保证机床的同步精度位置增益必须 设置相同值，按最低增益值设置（按Z1 轴位置增益设置），这就降低了机床精 度。 Z轴采用直线电机： 1、减少了屑对屑换刀时间； 2、提高了位置增益、提高了机床精度； 3、加速度提高，提高了切削效率； 4、提高了机床伺服刚度和动态刚度。
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使用数控系统处理小线段，尽管有占用大量系统资源，计算时间长 等缺点。
小线段处理技术发展方向：数控系统处理
原因： 1、速度平滑 2、能够根据系统的动态特性平滑处理； 3、数控系统能够对根据轨迹、轨迹间、动态特性轨迹公差实时控制； 4、能够使用速度滤波技术； 5、根据加工情况更改公差(使用方便）； 6、CAM后置处理简单* 。
CMR=2时，XY方带四分之一圆弧
CMR=20时，XY方带四分之一圆弧
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2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
4、反馈试验： FANUC0i-C反馈更加的 均匀，平滑
POSC
POSF
POSF
CMR=20，1802#7=1
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2）、计算精度对加工质量的影响 – 改变指令倍乘比(CMR)试验
数控机床应用技术
大连机床集团 数控技术应用试验研究所
大连数机汇控床技报集术人周团应宝：用庆试周验宝研究庆所
2011.08.02
机床制造商对高端数控系统的需求
1)、硬件的需求 2)、高速切削功能 3)、五轴加工能力 4)、简易编程（对话式、可视化编程） 5)、误差补偿; 6)、调试工具 （简化调试工作） 7)、过程干预和监控技术; 8)、智能化技术 9)、网络技术
7、轨迹特性控制 – 海德汉拐角滤技术
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DALIAN
圆角、拐角-轨迹误差计算
圆角误差计算
圆角误差△R
指数型: 直线型: 钟 形:
拐角误差计算 拐角误差E
指数型：Ｅ=０.５２ＶＴ1 直线型：Ｅ=０.１８ＶＴ1 钟 形：Ｅ=０．１２ＶＴ1
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圆弧-轨迹误差计算
圆弧切削时的路径误差:
没有相邻轨迹控制功能，表面质量差
有相邻轨迹控制功能，表面质量好
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DALIAN
5、路径预读功能
解决相邻路径的一致性的策略：
1、增加路径预读能力，缩短段处理时间；
2、使用3D光顺算法控制路径公差和相邻路径公差 *；
3、路径速度平滑
iTNC530： 程序段预读：1024段，程序段处理时间：0.5ms FANUC31i： 采用高速处理器： 程序段预读：1000段（600），程序段处理时间：0.4ms 西门子840D： 程序段预读：默认设置38段 插补周期=MD10050[秒] * MD10070 * 1.11
程序段处理能力：CNC每分钟能够计算的程序段数
N0001 X- 110.343… N0002 X- 110.551… N0003 X- 110.705… N0004 X- 110.911… N0005 X- 111.059… N0006 X- 111.162… N0007 X- 111.298… N0008 X-111.469... N0009 X- 111.564… N0010 X- 111.614… . . . N7497 X-111.6 … N7497 X- 111.559…
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4）、高速机床和重型机床都需要高端数控系统
重型机床更需要高端数控系统支持！
高速、高精度、高表面加工机床 动态性能好
高效、高精度、高表面质量加工机床 刚性好
高性能钢、钛合金、高温合金和硬切削等
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DALIAN MACHINE
数控系统框架设计师和型号设计师:
DALIAN
2）、计算精度对加工质量的影响 - FANUC指令倍乘比(CMR)优化
指令倍乘比（CMR）＝最小移动单位÷检测单位
FANUC系统指令倍率比（CMR），出厂默认值是2倍，国wk.baidu.com都是使用默认值， 但国外进口机床指令倍比都设置10倍以上，最多达到40倍。
提高指令倍率： 提高了系统计算精度(指令脉冲精度），计算精度的提高影响
2、系统控制周期
3、插补周期
4、程序段预读能力
5、内存和外存容量
系统系能对机床精度的影响：
6、程序传送速度
1、伺服刚度
2、动态刚度*
3、反向跃冲精度（象限误差、摩擦误差）*
4、周期误差*
5、动态响应误差*
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1）、程序段处理能对切削速度影响 – 程序段处理能力试验
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DALIAN MACHINE
一、机、电、液、机械调试、NC调试和加工编程集成技术是关键
GMX linear 系列车铣中心 主要要特点：Z1轴采用直线电机
正负主轴采用内置电机 其它直线轴采用滚珠丝杠
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DALIAN MACHINE
1）、大连机床集团六年前开发的CHD系列九轴五联动车铣 复合中心
理论上可以处理的步距*1
AICC
AI nano CC
0.03
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0.20
0.33
0.17
0.67
0.33
AI nano HPCC 0
0.01 0.01 0.02 0.03 0.07
*1步长越小，例如0.07mm时，使用AI APC功能时，机床进给率只能达到F500，如果希望达到F2000， 需要使用AI nano CC功能。
DALIAN
1）、程序段处理能对切削速度影响 – 试验2
步长集中在0.4mm
建议使用AICC 或AInano CC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1 步长集中在0.1mm
建议使用 AInano HPCC（F3500）
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 > 1
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