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試述數控機床切削控製能力對機械加工精確度的（de）影響

2021-1-20 來（lái）源：天津工業職業學（xué）院作者：李焱

摘要：機械加工精確度是數控機床自動化研究領域的熱點議（yì）題之一，探究如何提升零件加（jiā）工（gōng）穩定性等問題，成為提升加工效率的關鍵點。基於此，通過進一步研究數控機床切削控製能力對機械加工精確度（dù）的（de）影（yǐng）響，對解決普通零件無法完成的深加工問題，降低成本支出、減少（shǎo）工人勞動強度、提高機械生產效率和經濟效益，具有重要的影響。本文基於數控機床切削控製能力對（duì）機械加（jiā）工精確度的影響中，通過對機械加工質量、機械加工經（jīng）濟效益（yì）、工藝係統受力（lì）變形等（děng）內容進行分析；探尋了提高數控機床切削控製（zhì）能力的（de）措（cuò）施，即振動控製、速度控製、加強機床維護與管理等具體舉措，以此為數控機械（xiè）加工精確度影（yǐng）響提供（gòng）有效的借鑒。

關鍵（jiàn）詞：數控機床；切削控（kòng）製能力；機械加工；精確度（dù）；影響

數（shù）控機床的自動（dòng）化（huà）加工中，對零（líng）件具（jù）有較好的穩（wěn）定（dìng）性，且能完成普通機床無法完成的複雜零件；機械加（jiā）工精確度的影響，對數控機床成本控（kòng）製、勞動強度降低、工作效率提升等具有重（chóng）要的（de）意義。對於機械加工企業而言，數控係統中切削控製（zhì）能力作為數（shù）控機床的（de）核心構（gòu）件，其可靠性以及工作性能是直（zhí）接（jiē）影響數控機床的工作效率的主因。現就數控機床切削控製能力（lì）對機械加工（gōng）精確度的影響進行分析，並就（jiù）數控機床切削控製能力的措施論述如下（xià）。

1 、數控機床切削（xuē）控（kòng）製能（néng）力對機械加工（gōng）精確度的影響

有機整合數控機（jī）床（chuáng）的硬件係統（tǒng）與軟件係統，是進一步提升數控機床機械加工工作最行之有效的方法（fǎ）之一。常規來講，數控機床（chuáng）切削（xuē）控製能力直接決定了機械加工的質（zhì）量、機械加工經濟效（xiào）益、工藝係統受力變形（xíng）改善（shàn）等內容。從細致化環節出發，產品（pǐn）機械加工精度對社會的發展產生了積極的影響，但同時，也使得產品質量評價中，相關機床控製能力中機床切削控製能力對產品形成（chéng）了決定性效應。

1.1 對機械加工質（zhì）量的影響（xiǎng）

數（shù）控機床切（qiē）削控製對機械加工精度的影響表現在直接決定機械加工的質量上。在當前市場經濟充分發展的時代，產品質量實（shí）際（jì）上就是企業的（de）生命線。以機械加（jiā）工為例，通過開展對數控機床切削（xuē）控製（zhì），在滿足市場（chǎng）需（xū）求前提下，將機械加工產品形態、性能、階段性改觀作為必要（yào）控製方案（àn）長久堅持。為進一步提升機械加工精（jīng）度，在機械加（jiā）工質量控製中消除機械產品生產負麵效應。因此，在一定程度上（shàng）機械加（jiā）工（gōng）技術的精確程度 , 就要依靠數控機床的切削（xuē）控製能力（lì）來實現。

機械（xiè）切削控製在加（jiā）工環節，本身對其製作工藝質量的要求極高，影響力也較為明顯；其加工精度（dù）對零件機械加工的效（xiào）率、毛坯工藝質（zhì）量有著直（zhí）接的影響。以（yǐ） CNC 零部件（jiàn）加工為例，從試（shì）製到批量試生產（chǎn），以修改采用的 ASTM B 179-06《用於各種鑄造工藝鑄件的鋁合金錠及熔融態鋁合金標準規範》標準，極大地（dì）提升了工（gōng）藝生產效率，提高了機械加（jiā）工經濟效益。

1.2 對（duì）機械加工經濟效益的影響

隨著現代社會的進步，消費者本（běn）身（shēn）主導了市場體製和運行模式。機械切削控（kòng）製對機械加工經濟（jì）效益產生了極大的影響。常規（guī）來（lái）講，數控機床切削（xuē）控製，以多元控製（zhì）方法和手段，配合（hé）機（jī）械加（jiā）工精度的確認，在極大程度上提升了機械產品（pǐn）的性能，並在機械產品主客觀需求的前提下，以細節處理和高標準要求，消除機械產品常見不足及隱患。

1.3 工藝係統受力變形影（yǐng）響

機械加工操作的中（zhōng），工藝係統受力變形影響和數控（kòng）機床的實施關聯度甚廣。數控機床執行長期的操作後，受自身刀具（jù）使用時間延長，機（jī）床本身受到的不良影響（xiǎng）隨之遞增。基於此，受力荷載表現為持續增大、最終對機械加工精確度（dù）產生了很大的威脅。因此，在數控機床切削控製中，為解決工（gōng）藝係統受力（lì）變形的問題，采取（qǔ）多元化的措施避免對數控機（jī）床進行重新采購。

具體解決對策：滿足數（shù）控機（jī）床、刀具等設備自身剛（gāng）度要求（qiú），有效界定變形量，避免過（guò）多幹預；除（chú）此之外，在數控機床及刀（dāo）具操作中，在剛度表（biǎo）現（xiàn）小而導致的工（gōng）件變形、夾具用力方向錯誤、施力點偏差等對工件本身造成的不利作用。在規範性（xìng）操作（zuò）中，需通過（guò）合理（lǐ）運用切削控製更好地保證數控機床操作的（de）科學性。

2、數控機（jī）床切削加工過程的（de）模型參考自適應控製

基於數（shù）控（kòng）機床切削加工過程的模型參考自適應控製用以提升（shēng）機械加工精確度，並（bìng）在機（jī）床切削加（jiā）工（gōng）過程（chéng）中實際建模，且更（gèng）好地滿足了機床（chuáng）變化切削條件（jiàn），及時修正了切削用量，進一步提升（shēng）了切削性能。究其原因，受切削加工動態變化影響，各係統組件如機（jī）床、刀具（jù）、工（gōng）件組成在（zài）係統上的表現不一，為確保切削過程處於最佳狀態（tài），需綜合考量毛坯加工餘量、材料硬度、刀具磨損度、刀刃積屑瘤及其腐蝕性，機床生產中的受力變形、切削振動和熱變形等諸多問題，進而隨之依據相關（guān）變化對切削進行合理控製。具體，循證自適應控製（MRAC，構築數控機床（chuáng）切削加工過程 MRAC 模型，並進行動力學過程（chéng）仿真。結果表（biǎo）明，MRAC 的機床切（qiē）削加工性能指（zhǐ）標最好。

2.1 係統組（zǔ）成及其工作（zuò）原理

數控機床 MRAC 係統包括以（yǐ）其伺服係統、編入裝置、程序編製、輔助（zhù）控製裝置、反饋係統及其機床主體等幾部分內容。即在切削（xuē）過程控製中，以（yǐ）機床（chuáng）、刀具、工件係統所完成的切削過程來進行有序調節（jiē）。

其主要工作原理：具備一般數控機床的位置和速度控製回路（lù）、增設 MRAC 反饋回路。運行環節受各種幹擾（rǎo）隨機因（yīn）素影響，導（dǎo）致切削過程狀態參數發生極大（dà）的變化；MRAC 控製單元通過自適應控製效能，在給定評價結果（guǒ）、評價指標或約束（shù）條件判別比較（jiào）中，對 CNC 輸出和輸入（rù）參數進行（háng）控製和修正，通過切削控製實現最佳控製狀態。

修正方案中，針對機床、刀具、工件組成的係（xì）統上進行切削加工，作為一個動態過程，受工件毛坯裕量（liàng）不勻、材料硬度不一、刀具磨損、刀刃積屑瘤、受力變形、切削振動和（hé）熱變形等諸多因素和參數影響，對切削過程狀態（tài）、切削過程生產（chǎn）效率、加工質量、經濟效益、切削過程正（zhèng）常進行與否等相關。基於（yú）此（cǐ），基於係統（tǒng）工（gōng）作（zuò）原理的控製措施（shī）和方法，對解決上述問題，符合切削加工過程中采用該方法能根據隨時變化的實際切削條件及時修正切削用量的效果。依據模型參考自適應控製（MRAC）思想，建立數控機床切削（xuē）加工過程 MRAC模型，然後，對模型實施動力（lì）學過程仿（fǎng）真、加工過程反饋閉環控製、開環控製仿真，結果表明，MRAC 的機床切削加工性（xìng）能指標最好。

2.2 建立機床切削加工（gōng） MRAC 模型

機床切削加工（gōng）由輸入指令開始，位置速度反（fǎn）饋包括主機CNC、驅動電（diàn）動機、數（shù）控機床、切幾部分，自適應最終完（wán）成切削全過程動態（tài）等（děng）環節控製。其中，主程序設計內含初始化（huà）程序和（hé）循環等待 2 部分。係統（tǒng）上電或複位（wèi）後主程序自動運行，將（jiāng）係（xì）統初始化以（yǐ）便各模塊（kuài）正常工作，電流 PI 調節、轉速自適應控製調節參數初始化、其他程序全局變量初始化，開中斷並等待。設計 PWM 中斷處理程序，根據相應載荷變化調製晶體管柵極或基極偏置，實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體（tǐ）管導通時間（jiān）改變；采用定時器周期中斷標誌啟動 A/D 轉換，當 T1 下溢時啟動（dòng） A/D 轉換，所檢（jiǎn）測（cè）的電流經處理後接模 /數轉換器（qì）的 ADCIN00 引腳，當轉換完成（chéng）後，中斷標誌位都被設置為 1, 則（zé）在 A/D 中斷服務程序中將轉換結果讀出，完成 1次 A/D 采樣。轉換結束後申請 PWM 中斷，PWM 中斷完成主要的控（kòng）製功能。設（shè）計速（sù）度自（zì）適應程序，以離散自適應算法為基礎，直接用於（yú）程序設計。該模型參考自適應分為參考模型和（hé）被控對象兩部分，實現了模型控製效果。

2.3 切削加工精度相關算法（fǎ）

應用多目標切削數據生成算法及切割（gē）參數優化方法，數據庫的核心算法包括切削力、動態切削振動等切削加（jiā）工狀態的計算，以及切（qiē）削功率、主軸扭矩等負載狀（zhuàng）況，加（jiā）工精（jīng）度、表麵粗糙度等加工質量，加工時間、材料去除率等加工效率信息，刀具磨（mó）損、生產成本等效益評估的計算。根據計算結果優化切削參數，以便提高機床的利用率（lǜ）和零（líng）件加工（gōng）效率。並將（jiāng）針對數控車床和數控車削中心開發的切削（xuē）數據庫算法集成在國產 I5 智能數（shù）控係統平台（tái）上，方便機床用戶根據具體加工需要調用和選擇切削（xuē）參數（shù），並可在進行實際切削前預判設定（dìng）參數可能產生的切削效果（guǒ）。相關算法的應用，通過延長加（jiā）工係統及（jí）加工設備使用壽命。車刀刀尖設計成圓弧狀，圓（yuán）弧半徑控製在 0.4 ～ 1.6mm，使得車刀質量（liàng）更牢固。刀具（jù）角度（dù）控製上，對其切力大小、切削（xuē）深度、刃口（kǒu）寬度進行精確切割（gē）。

加工係統（tǒng）上，強化加（jiā）工（gōng）係統剛（gāng）性，合理設計機（jī）床截麵形狀、零件結構（gòu）、工件尺寸，擴大機（jī）床表麵的相關接觸麵積（jī），增載機床負荷以及表麵粗糙程（chéng）度改善，確保（bǎo）切削工件精度符合加工要（yào）求。

2.4 預期效果及其可行性結果

本次為試述數控機床切削控製能力對機械加工精確度的影響，探究了（le）基於機床切削加工（gōng） MRAC 模型自適（shì）應控製係統，係統以其切削力控製器、控製模型設計、切削狀態參數調整（zhěng）控製、分段（duàn）控製等效能。在噪音控製、工件表麵質量均勻性、切削係統共振等非線性係統幹擾問題解決上；作為（wéi）自（zì）適應迭代（dài）算法模型切削控製參數的優化升級版。通（tōng）常采用三自由度直（zhí）角坐標機器（qì）人切削實驗平台和六（liù）自由度關（guān）節機器人切削實驗平台，自如驗證了（le）本次控製方法的正確性，加（jiā）工模型效果證實該切削方案技術應用控製實驗成（chéng）效突出。

3、結（jié）語

當前，機（jī）械加工行業的基本追（zhuī）求實際上就是數控機床（chuáng）切削控製（zhì）力的科學實現，尤其是在數字化技術控製和相關的技術軟件的（de）支持下，機械加工的精確（què）度也越來越高 , 對技術技能人員的專業（yè）技能與素質也就越來越高。綜上所述，數控機（jī）床切削控製對機械加工精度中機械加工質量、機械加工經濟效益、工藝（yì）係統受力變形等相關內容的影響，並為進（jìn）一步提升（shēng）機（jī）械加工精度，結合數控機床（chuáng）切削加工（gōng）過程的模型參考自適（shì）應控（kòng）製係統的建立，為提升數控機床切削（xuē）控製和機械加工精度提供了可（kě）行性（xìng）借鑒，值（zhí）得在日常的加工生產（chǎn）中采用。

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