試述數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響
2021-1-20 來源： 天津工業(yè)職業(yè)學院 作者：李焱
摘要：機械加工精確度是數(shù)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(wěn)定性等問題，成為提升加工效率的關鍵點。基于此，通過進一步研究數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響，對解決普通零件無法完成的深加工問題，降低成本支出、減少工人勞動強度、提高機械生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，具有重要的影響。本文基于數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響中，通過對機械加工質(zhì)量、機械加工經(jīng)濟效益、工藝系統(tǒng)受力變形等內(nèi)容進行分析；探尋了提高數(shù)控機床切削控制能力的措施，即振動控制、速度控制、加強機床維護與管理等具體舉措，以此為數(shù)控機械加工精確度影響提供有效的借鑒。
關鍵詞：數(shù)控機床；切削控制能力；機械加工；精確度；影響
數(shù)控機床的自動化加工中，對零件具有較好的穩(wěn)定性，且能完成普通機床無法完成的復雜零件；機械加工精確度的影響，對數(shù)控機床成本控制、勞動強度降低、工作效率提升等具有重要的意義。對于機械加工企業(yè)而言，數(shù)控系統(tǒng)中切削控制能力作為數(shù)控機床的核心構件，其可靠性以及工作性能是直接影響數(shù)控機床的工作效率的主因。現(xiàn)就數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響進行分析，并就數(shù)控機床切削控制能力的措施論述如下。
1 、 數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響
有機整合數(shù)控機床的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)，是進一步提升數(shù)控機床機械加工工作最行之有效的方法之一。常規(guī)來講，數(shù)控機床切削控制能力直接決定了機械加工的質(zhì)量、機械加工經(jīng)濟效益、工藝系統(tǒng)受力變形改善等內(nèi)容。從細致化環(huán)節(jié)出發(fā)，產(chǎn)品機械加工精度對社會的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響，但同時，也使得產(chǎn)品質(zhì)量評價中，相關機床控制能力中機床切削控制能力對產(chǎn)品形成了決定性效應。
1.1 對機械加工質(zhì)量的影響
數(shù)控機床切削控制對機械加工精度的影響表現(xiàn)在直接決定機械加工的質(zhì)量上。在當前市場經(jīng)濟充分發(fā)展的時代，產(chǎn)品質(zhì)量實際上就是企業(yè)的生命線。以機械加工為例，通過開展對數(shù)控機床切削控制，在滿足市場需求前提下，將機械加工產(chǎn)品形態(tài)、性能、階段性改觀作為必要控制方案長久堅持。為進一步提升機械加工精度，在機械加工質(zhì)量控制中消除機械產(chǎn)品生產(chǎn)負面效應。因此，在一定程度上機械加工技術的精確程度 , 就要依靠數(shù)控機床的切削控制能力來實現(xiàn)。
機械切削控制在加工環(huán)節(jié)，本身對其制作工藝質(zhì)量的要求極高，影響力也較為明顯；其加工精度對零件機械加工的效率、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)鋁合金標準規(guī)范》標準，極大地提升了工藝生產(chǎn)效率，提高了機械加工經(jīng)濟效益。
1.2 對機械加工經(jīng)濟效益的影響
隨著現(xiàn)代社會的進步，消費者本身主導了市場體制和運行模式。機械切削控制對機械加工經(jīng)濟效益產(chǎn)生了極大的影響。常規(guī)來講，數(shù)控機床切削控制，以多元控制方法和手段，配合機械加工精度的確認，在極大程度上提升了機械產(chǎn)品的性能，并在機械產(chǎn)品主客觀需求的前提下，以細節(jié)處理和高標準要求，消除機械產(chǎn)品常見不足及隱患。
1.3 工藝系統(tǒng)受力變形影響
機械加工操作的中，工藝系統(tǒng)受力變形影響和數(shù)控機床的實施關聯(lián)度甚廣。數(shù)控機床執(zhí)行長期的操作后，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。基于此，受力荷載表現(xiàn)為持續(xù)增大、最終對機械加工精確度產(chǎn)生了很大的威脅。因此，在數(shù)控機床切削控制中，為解決工藝系統(tǒng)受力變形的問題，采取多元化的措施避免對數(shù)控機床進行重新采購。
具體解決對策：滿足數(shù)控機床、刀具等設備自身剛度要求，有效界定變形量，避免過多干預；除此之外，在數(shù)控機床及刀具操作中，在剛度表現(xiàn)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成的不利作用。在規(guī)范性操作中，需通過合理運用切削控制更好地保證數(shù)控機床操作的科學性。
2、 數(shù)控機床切削加工過程的模型參考自適應控制
基于數(shù)控機床切削加工過程的模型參考自適應控制用以提升機械加工精確度，并在機床切削加工過程中實際建模，且更好地滿足了機床變化切削條件，及時修正了切削用量，進一步提升了切削性能。究其原因，受切削加工動態(tài)變化影響，各系統(tǒng)組件如機床、刀具、工件組成在系統(tǒng)上的表現(xiàn)不一，為確保切削過程處于最佳狀態(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，機床生產(chǎn)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(jù)相關變化對切削進行合理控制。具體，循證自適應控制（MRAC，構筑數(shù)控機床切削加工過程 MRAC 模型，并進行動力學過程仿真。結果表明，MRAC 的機床切削加工性能指標最好。
2.1 系統(tǒng)組成及其工作原理
數(shù)控機床 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)及其機床主體等幾部分內(nèi)容。即在切削過程控制中，以機床、刀具、工件系統(tǒng)所完成的切削過程來進行有序調(diào)節(jié)。
其主要工作原理：具備一般數(shù)控機床的位置和速度控制回路、增設 MRAC 反饋回路。運行環(huán)節(jié)受各種干擾隨機因素影響，導致切削過程狀態(tài)參數(shù)發(fā)生極大的變化；MRAC 控制單元通過自適應控制效能，在給定評價結果、評價指標或約束條件判別比較中，對 CNC 輸出和輸入?yún)?shù)進行控制和修正，通過切削控制實現(xiàn)最佳控制狀態(tài)。
修正方案中，針對機床、刀具、工件組成的系統(tǒng)上進行切削加工，作為一個動態(tài)過程，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、切削振動和熱變形等諸多因素和參數(shù)影響，對切削過程狀態(tài)、切削過程生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量、經(jīng)濟效益、切削過程正常進行與否等相關。基于此，基于系統(tǒng)工作原理的控制措施和方法，對解決上述問題，符合切削加工過程中采用該方法能根據(jù)隨時變化的實際切削條件及時修正切削用量的效果。依據(jù)模型參考自適應控制（MRAC）思想，建立數(shù)控機床切削加工過程 MRAC模型，然后，對模型實施動力學過程仿真、加工過程反饋閉環(huán)控制、開環(huán)控制仿真，結果表明，MRAC 的機床切削加工性能指標最好。
2.2 建立機床切削加工 MRAC 模型
機床切削加工由輸入指令開始，位置速度反饋包括主機CNC、驅動電動機、數(shù)控機床、切幾部分，自適應最終完成切削全過程動態(tài)等環(huán)節(jié)控制。其中，主程序設計內(nèi)含初始化程序和循環(huán)等待 2 部分。系統(tǒng)上電或復位后主程序自動運行，將系統(tǒng)初始化以便各模塊正常工作，電流 PI 調(diào)節(jié)、轉速自適應控制調(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。設計 PWM 中斷處理程序，根據(jù)相應載荷變化調(diào)制晶體管柵極或基極偏置，實現(xiàn)開關穩(wěn)壓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標志啟動 A/D 轉換，當 T1 下溢時啟動 A/D 轉換，所檢測的電流經(jīng)處理后接模 /數(shù)轉換器的 ADCIN00 引腳，當轉換完成后，中斷標志位都被設置為 1, 則在 A/D 中斷服務程序中將轉換結果讀出，完成 1次 A/D 采樣。轉換結束后申請 PWM 中斷，PWM 中斷完成主要的控制功能。設計速度自適應程序，以離散自適應算法為基礎，直接用于程序設計。該模型參考自適應分為參考模型和被控對象兩部分，實現(xiàn)了模型控制效果。
2.3 切削加工精度相關算法
應用多目標切削數(shù)據(jù)生成算法及切割參數(shù)優(yōu)化方法，數(shù)據(jù)庫的核心算法包括切削力、動態(tài)切削振動等切削加工狀態(tài)的計算，以及切削功率、主軸扭矩等負載狀況，加工精度、表面粗糙度等加工質(zhì)量，加工時間、材料去除率等加工效率信息，刀具磨損、生產(chǎn)成本等效益評估的計算。根據(jù)計算結果優(yōu)化切削參數(shù)，以便提高機床的利用率和零件加工效率。并將針對數(shù)控車床和數(shù)控車削中心開發(fā)的切削數(shù)據(jù)庫算法集成在國產(chǎn) I5 智能數(shù)控系統(tǒng)平臺上，方便機床用戶根據(jù)具體加工需要調(diào)用和選擇切削參數(shù)，并可在進行實際切削前預判設定參數(shù)可能產(chǎn)生的切削效果。相關算法的應用，通過延長加工系統(tǒng)及加工設備使用壽命。車刀刀尖設計成圓弧狀，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，對其切力大小、切削深度、刃口寬度進行精確切割。
加工系統(tǒng)上，強化加工系統(tǒng)剛性，合理設計機床截面形狀、零件結構、工件尺寸，擴大機床表面的相關接觸面積，增載機床負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 預期效果及其可行性結果
本次為試述數(shù)控機床切削控制能力對機械加工精確度的影響，探究了基于機床切削加工 MRAC 模型自適應控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以其切削力控制器、控制模型設計、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)干擾問題解決上；作為自適應迭代算法模型切削控制參數(shù)的優(yōu)化升級版。通常采用三自由度直角坐標機器人切削實驗平臺和六自由度關節(jié)機器人切削實驗平臺，自如驗證了本次控制方法的正確性，加工模型效果證實該切削方案技術應用控制實驗成效突出。
3、結語
當前，機械加工行業(yè)的基本追求實際上就是數(shù)控機床切削控制力的科學實現(xiàn)，尤其是在數(shù)字化技術控制和相關的技術軟件的支持下，機械加工的精確度也越來越高 , 對技術技能人員的專業(yè)技能與素質(zhì)也就越來越高。綜上所述，數(shù)控機床切削控制對機械加工精度中機械加工質(zhì)量、機械加工經(jīng)濟效益、工藝系統(tǒng)受力變形等相關內(nèi)容的影響，并為進一步提升機械加工精度，結合數(shù)控機床切削加工過程的模型參考自適應控制系統(tǒng)的建立，為提升數(shù)控機床切削控制和機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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