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試述數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響
2021-1-20  來(lái)源： 天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院   作者：李焱



  
      摘要：機(jī)械加工精確度是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題之一，探究如何提升零件加工穩(wěn)定性等問(wèn)題，成為提升加工效率的關(guān)鍵點(diǎn)。基于此，通過(guò)進(jìn)一步研究數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響，對(duì)解決普通零件無(wú)法完成的深加工問(wèn)題，降低成本支出、減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高機(jī)械生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的影響。本文基于數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響中，通過(guò)對(duì)機(jī)械加工質(zhì)量、機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益、工藝系統(tǒng)受力變形等內(nèi)容進(jìn)行分析；探尋了提高數(shù)控機(jī)床切削控制能力的措施，即振動(dòng)控制、速度控制、加強(qiáng)機(jī)床維護(hù)與管理等具體舉措，以此為數(shù)控機(jī)械加工精確度影響提供有效的借鑒。
  
     關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；切削控制能力；機(jī)械加工；精確度；影響

 
     數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化加工中，對(duì)零件具有較好的穩(wěn)定性，且能完成普通機(jī)床無(wú)法完成的復(fù)雜零件；機(jī)械加工精確度的影響，對(duì)數(shù)控機(jī)床成本控制、勞動(dòng)強(qiáng)度降低、工作效率提升等具有重要的意義。對(duì)于機(jī)械加工企業(yè)而言，數(shù)控系統(tǒng)中切削控制能力作為數(shù)控機(jī)床的核心構(gòu)件，其可靠性以及工作性能是直接影響數(shù)控機(jī)床的工作效率的主因。現(xiàn)就數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響進(jìn)行分析，并就數(shù)控機(jī)床切削控制能力的措施論述如下。
  
     1 、 數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響
  
     有機(jī)整合數(shù)控機(jī)床的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，是進(jìn)一步提升數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工工作最行之有效的方法之一。常規(guī)來(lái)講，數(shù)控機(jī)床切削控制能力直接決定了機(jī)械加工的質(zhì)量、機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益、工藝系統(tǒng)受力變形改善等內(nèi)容。從細(xì)致化環(huán)節(jié)出發(fā)，產(chǎn)品機(jī)械加工精度對(duì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響，但同時(shí)，也使得產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)中，相關(guān)機(jī)床控制能力中機(jī)床切削控制能力對(duì)產(chǎn)品形成了決定性效應(yīng)。
  
     1.1  對(duì)機(jī)械加工質(zhì)量的影響
  
     數(shù)控機(jī)床切削控制對(duì)機(jī)械加工精度的影響表現(xiàn)在直接決定機(jī)械加工的質(zhì)量上。在當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)充分發(fā)展的時(shí)代，產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)際上就是企業(yè)的生命線。以機(jī)械加工為例，通過(guò)開展對(duì)數(shù)控機(jī)床切削控制，在滿足市場(chǎng)需求前提下，將機(jī)械加工產(chǎn)品形態(tài)、性能、階段性改觀作為必要控制方案長(zhǎng)久堅(jiān)持。為進(jìn)一步提升機(jī)械加工精度，在機(jī)械加工質(zhì)量控制中消除機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)負(fù)面效應(yīng)。因此，在一定程度上機(jī)械加工技術(shù)的精確程度 , 就要依靠數(shù)控機(jī)床的切削控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
      機(jī)械切削控制在加工環(huán)節(jié)，本身對(duì)其制作工藝質(zhì)量的要求極高，影響力也較為明顯；其加工精度對(duì)零件機(jī)械加工的效率、毛坯工藝質(zhì)量有著直接的影響。以 CNC 零部件加工為例，從試制到批量試生產(chǎn)，以修改采用的 ASTM  B  179-06《用于各種鑄造工藝鑄件的鋁合金錠及熔融態(tài)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，極大地提升了工藝生產(chǎn)效率，提高了機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益。
 
      1.2  對(duì)機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益的影響
  
     隨著現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步，消費(fèi)者本身主導(dǎo)了市場(chǎng)體制和運(yùn)行模式。機(jī)械切削控制對(duì)機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了極大的影響。常規(guī)來(lái)講，數(shù)控機(jī)床切削控制，以多元控制方法和手段，配合機(jī)械加工精度的確認(rèn)，在極大程度上提升了機(jī)械產(chǎn)品的性能，并在機(jī)械產(chǎn)品主客觀需求的前提下，以細(xì)節(jié)處理和高標(biāo)準(zhǔn)要求，消除機(jī)械產(chǎn)品常見不足及隱患。 
   
       1.3  工藝系統(tǒng)受力變形影響
   
      機(jī)械加工操作的中，工藝系統(tǒng)受力變形影響和數(shù)控機(jī)床的實(shí)施關(guān)聯(lián)度甚廣。數(shù)控機(jī)床執(zhí)行長(zhǎng)期的操作后，受自身刀具使用時(shí)間延長(zhǎng)，機(jī)床本身受到的不良影響隨之遞增。基于此，受力荷載表現(xiàn)為持續(xù)增大、最終對(duì)機(jī)械加工精確度產(chǎn)生了很大的威脅。因此，在數(shù)控機(jī)床切削控制中，為解決工藝系統(tǒng)受力變形的問(wèn)題，采取多元化的措施避免對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行重新采購(gòu)。
 
     具體解決對(duì)策：滿足數(shù)控機(jī)床、刀具等設(shè)備自身剛度要求，有效界定變形量，避免過(guò)多干預(yù)；除此之外，在數(shù)控機(jī)床及刀具操作中，在剛度表現(xiàn)小而導(dǎo)致的工件變形、夾具用力方向錯(cuò)誤、施力點(diǎn)偏差等對(duì)工件本身造成的不利作用。在規(guī)范性操作中，需通過(guò)合理運(yùn)用切削控制更好地保證數(shù)控機(jī)床操作的科學(xué)性。
   
       2、 數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程的模型參考自適應(yīng)控制
   
     基于數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程的模型參考自適應(yīng)控制用以提升機(jī)械加工精確度，并在機(jī)床切削加工過(guò)程中實(shí)際建模，且更好地滿足了機(jī)床變化切削條件，及時(shí)修正了切削用量，進(jìn)一步提升了切削性能。究其原因，受切削加工動(dòng)態(tài)變化影響，各系統(tǒng)組件如機(jī)床、刀具、工件組成在系統(tǒng)上的表現(xiàn)不一，為確保切削過(guò)程處于最佳狀態(tài)，需綜合考量毛坯加工余量、材料硬度、刀具磨損度、刀刃積屑瘤及其腐蝕性，機(jī)床生產(chǎn)中的受力變形、切削振動(dòng)和熱變形等諸多問(wèn)題，進(jìn)而隨之依據(jù)相關(guān)變化對(duì)切削進(jìn)行合理控制。具體，循證自適應(yīng)控制（MRAC，構(gòu)筑數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程 MRAC 模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)過(guò)程仿真。結(jié)果表明，MRAC 的機(jī)床切削加工性能指標(biāo)最好。 

     2.1  系統(tǒng)組成及其工作原理
  
     數(shù)控機(jī)床 MRAC 系統(tǒng)包括以其伺服系統(tǒng)、編入裝置、程序編制、輔助控制裝置、反饋系統(tǒng)及其機(jī)床主體等幾部分內(nèi)容。即在切削過(guò)程控制中，以機(jī)床、刀具、工件系統(tǒng)所完成的切削過(guò)程來(lái)進(jìn)行有序調(diào)節(jié)。
  
    其主要工作原理：具備一般數(shù)控機(jī)床的位置和速度控制回路、增設(shè) MRAC 反饋回路。運(yùn)行環(huán)節(jié)受各種干擾隨機(jī)因素影響，導(dǎo)致切削過(guò)程狀態(tài)參數(shù)發(fā)生極大的變化；MRAC 控制單元通過(guò)自適應(yīng)控制效能，在給定評(píng)價(jià)結(jié)果、評(píng)價(jià)指標(biāo)或約束條件判別比較中，對(duì) CNC 輸出和輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制和修正，通過(guò)切削控制實(shí)現(xiàn)最佳控制狀態(tài)。

    修正方案中，針對(duì)機(jī)床、刀具、工件組成的系統(tǒng)上進(jìn)行切削加工，作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，受工件毛坯裕量不勻、材料硬度不一、刀具磨損、刀刃積屑瘤、受力變形、切削振動(dòng)和熱變形等諸多因素和參數(shù)影響，對(duì)切削過(guò)程狀態(tài)、切削過(guò)程生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、切削過(guò)程正常進(jìn)行與否等相關(guān)。基于此，基于系統(tǒng)工作原理的控制措施和方法，對(duì)解決上述問(wèn)題，符合切削加工過(guò)程中采用該方法能根據(jù)隨時(shí)變化的實(shí)際切削條件及時(shí)修正切削用量的效果。依據(jù)模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）思想，建立數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程 MRAC模型，然后，對(duì)模型實(shí)施動(dòng)力學(xué)過(guò)程仿真、加工過(guò)程反饋閉環(huán)控制、開環(huán)控制仿真，結(jié)果表明，MRAC 的機(jī)床切削加工性能指標(biāo)最好。

     2.2  建立機(jī)床切削加工 MRAC 模型
  
    機(jī)床切削加工由輸入指令開始，位置速度反饋包括主機(jī)CNC、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、數(shù)控機(jī)床、切幾部分，自適應(yīng)最終完成切削全過(guò)程動(dòng)態(tài)等環(huán)節(jié)控制。其中，主程序設(shè)計(jì)內(nèi)含初始化程序和循環(huán)等待 2 部分。系統(tǒng)上電或復(fù)位后主程序自動(dòng)運(yùn)行，將系統(tǒng)初始化以便各模塊正常工作，電流 PI 調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)參數(shù)初始化、其他程序全局變量初始化，開中斷并等待。設(shè)計(jì) PWM 中斷處理程序，根據(jù)相應(yīng)載荷變化調(diào)制晶體管柵極或基極偏置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間改變；采用定時(shí)器周期中斷標(biāo)志啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng) T1 下溢時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)的電流經(jīng)處理后接模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的 ADCIN00 引腳，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，中斷標(biāo)志位都被設(shè)置為 1, 則在 A/D 中斷服務(wù)程序中將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，完成 1次 A/D 采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請(qǐng) PWM 中斷，PWM 中斷完成主要的控制功能。設(shè)計(jì)速度自適應(yīng)程序，以離散自適應(yīng)算法為基礎(chǔ)，直接用于程序設(shè)計(jì)。該模型參考自適應(yīng)分為參考模型和被控對(duì)象兩部分，實(shí)現(xiàn)了模型控制效果。

     2.3  切削加工精度相關(guān)算法
  
     應(yīng)用多目標(biāo)切削數(shù)據(jù)生成算法及切割參數(shù)優(yōu)化方法，數(shù)據(jù)庫(kù)的核心算法包括切削力、動(dòng)態(tài)切削振動(dòng)等切削加工狀態(tài)的計(jì)算，以及切削功率、主軸扭矩等負(fù)載狀況，加工精度、表面粗糙度等加工質(zhì)量，加工時(shí)間、材料去除率等加工效率信息，刀具磨損、生產(chǎn)成本等效益評(píng)估的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化切削參數(shù)，以便提高機(jī)床的利用率和零件加工效率。并將針對(duì)數(shù)控車床和數(shù)控車削中心開發(fā)的切削數(shù)據(jù)庫(kù)算法集成在國(guó)產(chǎn) I5 智能數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)上，方便機(jī)床用戶根據(jù)具體加工需要調(diào)用和選擇切削參數(shù)，并可在進(jìn)行實(shí)際切削前預(yù)判設(shè)定參數(shù)可能產(chǎn)生的切削效果。相關(guān)算法的應(yīng)用，通過(guò)延長(zhǎng)加工系統(tǒng)及加工設(shè)備使用壽命。車刀刀尖設(shè)計(jì)成圓弧狀，圓弧半徑控制在 0.4 ～ 1.6mm，使得車刀質(zhì)量更牢固。刀具角度控制上，對(duì)其切力大小、切削深度、刃口寬度進(jìn)行精確切割。

     加工系統(tǒng)上，強(qiáng)化加工系統(tǒng)剛性，合理設(shè)計(jì)機(jī)床截面形狀、零件結(jié)構(gòu)、工件尺寸，擴(kuò)大機(jī)床表面的相關(guān)接觸面積，增載機(jī)床負(fù)荷以及表面粗糙程度改善，確保切削工件精度符合加工要求。

     2.4  預(yù)期效果及其可行性結(jié)果
  
     本次為試述數(shù)控機(jī)床切削控制能力對(duì)機(jī)械加工精確度的影響，探究了基于機(jī)床切削加工 MRAC 模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以其切削力控制器、控制模型設(shè)計(jì)、切削狀態(tài)參數(shù)調(diào)整控制、分段控制等效能。在噪音控制、工件表面質(zhì)量均勻性、切削系統(tǒng)共振等非線性系統(tǒng)干擾問(wèn)題解決上；作為自適應(yīng)迭代算法模型切削控制參數(shù)的優(yōu)化升級(jí)版。通常采用三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人切削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人切削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自如驗(yàn)證了本次控制方法的正確性，加工模型效果證實(shí)該切削方案技術(shù)應(yīng)用控制實(shí)驗(yàn)成效突出。

      3、結(jié)語(yǔ)
  
     當(dāng)前，機(jī)械加工行業(yè)的基本追求實(shí)際上就是數(shù)控機(jī)床切削控制力的科學(xué)實(shí)現(xiàn)，尤其是在數(shù)字化技術(shù)控制和相關(guān)的技術(shù)軟件的支持下，機(jī)械加工的精確度也越來(lái)越高 , 對(duì)技術(shù)技能人員的專業(yè)技能與素質(zhì)也就越來(lái)越高。綜上所述，數(shù)控機(jī)床切削控制對(duì)機(jī)械加工精度中機(jī)械加工質(zhì)量、機(jī)械加工經(jīng)濟(jì)效益、工藝系統(tǒng)受力變形等相關(guān)內(nèi)容的影響，并為進(jìn)一步提升機(jī)械加工精度，結(jié)合數(shù)控機(jī)床切削加工過(guò)程的模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的建立，為提升數(shù)控機(jī)床切削控制和機(jī)械加工精度提供了可行性借鑒，值得在日常的加工生產(chǎn)中采用。
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