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試述數控機床切削（xuē）控製能力對機械加工精確度的影響

2021-1-20 來源：天津工業職（zhí）業學院（yuàn）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題之一，探究如何提升零件加工穩定性等問題，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的影響，對解決普（pǔ）通零件無法完成的深加（jiā）工問題，降低成本支出、減（jiǎn）少工人勞動強度、提高（gāo）機械生產效率和經濟效益，具有重（chóng）要的影響。本文基於數（shù）控機床切削控製能力對機械加工精確度的影響中，通過對機械加工（gōng）質量、機械加工經濟效益、工藝係統受力變形等內容進行分析（xī）；探尋了提高數（shù）控機床切削（xuē）控製能力的措施，即振動控製、速度控製、加強機床維護與管理等具體舉（jǔ）措，以此為數控機械（xiè）加工精確度影（yǐng）響提供有效的借鑒。

關（guān）鍵詞：數控機床；切削控（kòng）製能力；機（jī）械加工；精確度（dù）；影響

數控機床的自動化加工中，對零件具有較好的穩定性，且能完成普通機床無法完成（chéng）的複雜零件；機械加工精確度的影響，對數控機床成本（běn）控製（zhì）、勞動強度（dù）降低、工作效率提升等（děng）具有重要的意義。對於機械加工企業而言，數控係統中切削控製能力作為數控（kòng）機床（chuáng）的核心構（gòu）件，其可靠性以（yǐ）及工作性能是（shì）直接影響數控機床的工作效（xiào）率的主因。現就數控（kòng）機床切削控製（zhì）能力（lì）對機械加工精確度的影響進行分析，並就數控機（jī）床切削控製能力的措施論述如下。

1 、數控機床切削控製能力對機械加工精確度的（de）影（yǐng）響

有（yǒu）機整合數控機床的（de）硬件係統與（yǔ）軟件係統，是進（jìn）一步提升數控機（jī）床機械（xiè）加工工作最行之有效的方（fāng）法之一。常規（guī）來講，數（shù）控機床切削控製能力直接決定了機械加工的（de）質量、機械加工經濟效益、工藝係統受力變形改善等內容。從細（xì）致化環（huán）節出發，產（chǎn）品（pǐn）機械加工精度對社會（huì）的發展產生了積極的影響，但同（tóng）時，也使得產品質量評價（jià）中，相關機床控製能力中機床切削控製能力對產品形成了決定性效應（yīng）。

1.1 對機械（xiè）加工（gōng）質量的影響

數控機床切削控（kòng）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，產品質量實際上就是企業的生命線。以機械加工為例，通過開展對數控機床切削控製，在（zài）滿足市場（chǎng）需求前提下（xià），將（jiāng）機（jī）械加工產品形態（tài）、性能、階段性改觀作為必要（yào）控製方案長久堅持（chí）。為（wéi）進一步提升機械加工精度，在機械加工質量控製中消除機（jī）械（xiè）產品生產負麵效應。因（yīn）此，在一定程度上機械加（jiā）工技術的（de）精確程度 , 就要依（yī）靠數控機床的切削控製能力來實現。

機械（xiè）切（qiē）削控製在加（jiā）工環節，本身（shēn）對其製作工藝質量的要求極高，影響力也較為（wéi）明顯；其加工精度對零件機械加工的效率、毛坯工藝質量有著直接的影響。以 CNC 零部件加工為例，從試製到（dào）批量試生產，以修（xiū）改采用的 ASTM B 179-06《用於各種（zhǒng）鑄造工藝鑄（zhù）件的鋁合金錠及熔融態鋁合（hé）金標準規範》標準，極大地提升了工（gōng）藝生產效率，提高了機械（xiè）加工經濟效益。

1.2 對機械加工經濟效益的影響

隨著現代社（shè）會的進步，消費（fèi）者本身主導了（le）市場體製和運行模式。機械切（qiē）削控製對機械加工經濟（jì）效益產生了極（jí）大的影響（xiǎng）。常規來（lái）講，數控機床切削控製，以多元控製方法和手段，配合機械加工精度的（de）確認，在（zài）極大程（chéng）度上提升了機械產品的性能，並在機械產品主客觀需求的前提下，以細節處理和高標（biāo）準要求，消除機械產品常見不足及隱患。

1.3 工藝（yì）係（xì）統受力變形影響（xiǎng）

機（jī）械（xiè）加工操作的中，工藝係統受力變形影響和數控機床（chuáng）的實施關聯（lián）度甚廣。數控（kòng）機床執行長期的操作後，受自身刀具使用時間延長，機床本身受到的不良影響隨之遞增。基於此，受力荷載（zǎi）表現（xiàn）為持（chí）續增大、最終對機械加工精確度產生了很（hěn）大（dà）的（de）威脅。因此，在數控機床切削控製中，為解決工藝係統受力變形的問題，采取多（duō）元化的（de）措施避免對數（shù）控機床進行重新采購。

具體解決對策：滿足數控機床、刀具等設備（bèi）自（zì）身剛度要（yào）求，有效界定變形量，避（bì）免過多幹預；除此之外，在數控機床及刀（dāo）具操作中，在剛度表（biǎo）現小而導致的工件變形、夾具用力方向錯誤、施力點偏差等對工件本身造（zào）成（chéng）的不利（lì）作用。在規（guī）範性操作中，需通過（guò）合理運用切削控製更好地保證數控機床操作的科學（xué）性。

2、數控（kòng）機床切削加工過程的模（mó）型參考自適應控製

基於數控機床切削加工過程的（de）模型參考自適應控製用以提升機械加工精確度，並在機床切削加工過程中實（shí）際建模，且更好地滿足了機床變化切削條件，及時修正了切削（xuē）用量，進一步提（tí）升（shēng）了切削性能。究其（qí）原因，受切削加工動態變化（huà）影響，各係（xì）統組件如機床（chuáng）、刀具、工件（jiàn）組成在係統上的表現不一，為確保（bǎo）切削過程（chéng）處於（yú）最佳狀態，需綜合考量毛坯加工餘量、材料硬度、刀具磨損（sǔn）度、刀刃積屑瘤及（jí）其腐蝕性，機床生產中的受（shòu）力變形、切（qiē）削振動和熱變形（xíng）等諸（zhū）多問題，進而隨之依據相關（guān）變化對切削進行（háng）合理（lǐ）控製。具體，循證自適應控製（MRAC，構築數控機床切（qiē）削加工過程 MRAC 模型，並進（jìn）行動力學過程仿真。結果表明，MRAC 的機床（chuáng）切削加工性能指標最好。

2.1 係統組成及其工作原理（lǐ）

數控機床 MRAC 係統包括以其伺服係（xì）統、編入（rù）裝置、程（chéng）序編製、輔助控製裝置、反饋係統及其機床主體（tǐ）等幾部分內容。即在切削過程（chéng）控製中，以機床、刀具、工件係統（tǒng）所完成的切削過程來進行有序調節。

其主要工作原理（lǐ）：具備一般數控機床的位置（zhì）和速度控（kòng）製回（huí）路、增設 MRAC 反饋回路。運行環節受各種幹擾（rǎo）隨機因素影（yǐng）響（xiǎng），導致切削過程（chéng）狀態參數發（fā）生極大的變化；MRAC 控製單元通過自適應控製效能，在給（gěi）定評（píng）價結果、評價指標或約束條件判別比較中，對 CNC 輸出和輸入（rù）參數進行（háng）控製和修正，通過切削（xuē）控製實現最佳控製狀態。

修正方案中，針對機床、刀（dāo）具、工件組（zǔ）成（chéng）的係統上進行切削加工，作為一個動態過程，受工件毛坯裕量不勻、材料硬度不（bú）一、刀具磨損（sǔn）、刀刃積屑瘤、受力變形、切削振動（dòng）和熱變形等諸多因（yīn）素和參數影響，對（duì）切削過程狀態、切削過程生產效率、加工質量、經濟效益、切削過程正常進行與否等相（xiàng）關。基（jī）於此，基於係統工作原理（lǐ）的控製措施和（hé）方法，對解決上述問題，符（fú）合切削加工過程中采用該方法能根據（jù）隨時變化的（de）實際切削條件及時修正切削用量（liàng）的（de）效果。依據（jù）模（mó）型參考自適應控製（MRAC）思想，建立數控機床切削加工過程 MRAC模型，然後，對模型實施動力學過程仿真、加工過（guò）程（chéng）反饋閉（bì）環控製、開環控製仿真，結（jié）果表明，MRAC 的機床切削加工性能指標最好。

2.2 建立機（jī）床切削加工 MRAC 模型

機床切削加工由輸入指令開始，位置速度反饋（kuì）包括主機CNC、驅動電（diàn）動機、數控機床（chuáng）、切幾部分，自適應最終完成切削全（quán）過程動態等環節控製。其中（zhōng），主程序設計內含（hán）初始化程序和循環等待 2 部分。係統上電或複位後主程序自動運行，將係統初始化以（yǐ）便（biàn）各模塊正常工作，電流 PI 調節（jiē）、轉速自適應控製調節參數初始化、其他（tā）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（yīng）載荷變化調製晶體管柵極或（huò）基極（jí）偏置，實（shí）現開關穩壓（yā）電源輸出晶體管或晶體管導通時間改變；采用定時器周期中斷（duàn）標誌啟動 A/D 轉換，當 T1 下溢時啟動 A/D 轉換，所檢測的電流經處理後接（jiē）模 /數轉換器（qì）的 ADCIN00 引腳，當轉（zhuǎn）換完成後，中斷標誌位都被設置為 1, 則在 A/D 中斷服務程序中（zhōng）將轉換結果讀出，完成 1次（cì） A/D 采樣。轉換結束（shù）後申請（qǐng） PWM 中斷，PWM 中斷完成主要的控製功能。設計速度自適應程序，以離散自適應算法為基礎，直接用於程序設計（jì）。該模型參（cān）考自適應分為（wéi）參考模型和被控對（duì）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

應（yīng）用多目標切削數據生成算法及切割參數優化（huà）方法，數（shù）據庫的核心算法包括（kuò）切削力、動態切削振動等切削加工狀態的計算，以及切削（xuē）功率、主軸扭矩等負載狀況，加工精度、表麵粗糙度等加工質量，加工時間、材料去除率等加工效率（lǜ）信息，刀具（jù）磨損、生（shēng）產成本（běn）等效益評估的計算。根據計（jì）算結果優化切削參數，以便提高機床的（de）利用率和零件加工效率。並將針對數控車床和（hé）數控車削中心開發的切削數據庫算法集成在國產（chǎn） I5 智能數控係統平台上，方便機床用戶根據具體加工需要調用（yòng）和選擇切削（xuē）參數，並可在進行實際切（qiē）削前（qián）預（yù）判設定參數可能產生的切削效果。相關算法的應用，通過延長加工（gōng）係統及加工設備使用壽命。車刀刀尖（jiān）設計（jì）成圓弧狀，圓（yuán）弧半徑控製（zhì）在 0.4 ～ 1.6mm，使得車刀質量更牢固。刀具角度控製上，對其切力（lì）大小（xiǎo）、切削深（shēn）度、刃口寬度進行精確切割。

加工係統上，強化加工係統剛性，合理設計機床截麵（miàn）形狀、零（líng）件結構、工件尺（chǐ）寸，擴大機床表麵的相關接觸麵積，增載（zǎi）機床（chuáng）負荷以及表（biǎo）麵粗糙程（chéng）度改善，確保切削工件精度符合加工要求。

2.4 預期效果（guǒ）及其可行性結果（guǒ）

本次為試述數（shù）控機床切削控製（zhì）能力對機械（xiè）加工精確度的影響，探究了基於機床切削加工 MRAC 模型自適（shì）應（yīng）控製係統，係統（tǒng）以其切削力控製器、控製模型設（shè）計、切（qiē）削狀態參數調整控製、分段控製等效能。在（zài）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（rǎo）問題解決上；作為（wéi）自適應迭代算法模（mó）型（xíng）切削控製參數的（de）優化升（shēng）級版。通（tōng）常（cháng）采用三自由度直（zhí）角坐（zuò）標機器人切削實驗平台和六自由度（dù）關節機器人切（qiē）削實（shí）驗平台（tái），自如驗證了本次控製方法的正確性，加（jiā）工（gōng）模型效果證實該切削方案技（jì）術應用控製實驗成效突出。

3、結語

當（dāng）前（qián），機械加工行業的基本追求實際上就是數控機床切削控（kòng）製（zhì）力（lì）的科學實現（xiàn），尤（yóu）其是在數字化技術控製和相關的技術軟件的支持下，機械加工的精（jīng）確度也越來越高（gāo） , 對技術技能人員（yuán）的專業（yè）技能與素質也就越來越高。綜上所（suǒ）述，數控機床切削控製對機械加（jiā）工（gōng）精度中機械加工質量、機械加工經濟效益、工藝係統（tǒng）受力變形等相（xiàng）關內容的影響，並為進一步提升機械加工精（jīng）度，結合數控機床切削加工過程的（de）模型參考（kǎo）自適應控製係統（tǒng）的建立（lì），為提升數控機床切削控製和機械加工精度提供了可行性借鑒，值得在日常（cháng）的（de）加工生產中采用。

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