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(xué)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(lǐng)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(guān)鍵點?；诖?，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(guān)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(fù)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(gòu)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?，F(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(guān)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(yīng)。
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(dāng)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(yīng)。因此，在一定程度上機械加工技術(shù)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(dǎo)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(guān)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(shè)備自身剛度要求，有效界定變形量，避免過多干預(yù)；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(dǎo)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(xué)性。
2、 數(shù)控機床切削加工過程的模型參考自適應(yīng)控制
基于數(shù)控機床切削加工過程的模型參考自適應(yīng)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(guān)變化對切削進行合理控制。具體，循證自適應(yīng)控制（MRAC，構(gòu)筑數(shù)控機床切削加工過程 MRAC 模型，并進行動力學(xué)過程仿真。結(jié)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(shè) MRAC 反饋回路。運行環(huán)節(jié)受各種干擾隨機因素影響，導(dǎo)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(yīng)控制效能，在給定評價結(jié)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(guān)?；诖?，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(yīng)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(xué)過程仿真、加工過程反饋閉環(huán)控制、開環(huán)控制仿真，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(qū)動電動機、數(shù)控機床、切幾部分，自適應(yīng)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(shè)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(fù)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(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 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，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間改變；采用定時器周期中斷標志啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng) T1 下溢時啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，所檢測的電流經(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 PWM 中斷，PWM 中斷完成主要的控制功能。設(shè)計速度自適應(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。該模型參考自適應(yīng)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(guān)算法
應(yīng)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(jié)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(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，通過延長加工系統(tǒng)及加工設(shè)備使用壽命。車刀刀尖設(shè)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(shè)計機床截面形狀、零件結(jié)構(gòu)、工件尺寸，擴大機床表面的相關(guān)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(yù)期效果及其可行性結(jié)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(yīng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以其切削力控制器、控制模型設(shè)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(yīng)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(guān)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(shù)應(yīng)用控制實驗成效突出。
3、結(jié)語
當(dāng)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(xué)實現(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，機械加工的精確度也越來越高 , 對技術(shù)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(guān)內(nèi)容的影響，并為進一步提升機械加工精度，結(jié)合數(shù)控機床切削加工過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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