貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)中精度研究與評(píng)價(jià)方法

摘 要：貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)對(duì)貴金屬首飾的全自動(dòng)化機(jī)器加工而研發(fā)的，貴金屬首飾車花的普遍要求為首飾紋路均勻?qū)ΨQ、平滑亮澤和加工過(guò)程中盡量不浪費(fèi)原料。這對(duì)數(shù)控車花系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性提出高要求，系統(tǒng)精度的高低也是決定貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。文章研究了貴金屬首飾車花的特點(diǎn)，并逐一分析了影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素，以作者經(jīng)驗(yàn)給出了車花機(jī)幾何精度不合乎要求可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，最后借鑒數(shù)控機(jī)床的精度評(píng)價(jià)方法，提出以幾何精度為主，控制機(jī)器振動(dòng)為輔的貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度評(píng)價(jià)方法，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法有效。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車花機(jī)；精度；影響因素；評(píng)價(jià)方法

1 概述

首飾車花數(shù)控系統(tǒng)是指根據(jù)車花工藝要求而研發(fā)的能自動(dòng)完成貴金屬首飾車花的整套機(jī)器及其控制系統(tǒng)。一般使用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石銑刀在貴金屬首飾表面，刻劃出大小深淺不一、方向位置不同的，光潔度高的明亮紋路，按照事前的計(jì)算機(jī)規(guī)劃，自動(dòng)地在貴金屬首飾表面形成一定圖案，進(jìn)而增加首飾的美觀視覺(jué)效果，達(dá)到貴金屬首飾車花目的。傳統(tǒng)的首飾車花是人工操作，存在諸多弊端。近年來(lái)有些研究單位陸續(xù)研發(fā)了一些貴金屬首飾自動(dòng)車花設(shè)備，如中國(guó)地質(zhì)大學(xué)武漢珠寶學(xué)院研發(fā)的平珠車花系統(tǒng)[1]，深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的高端珠寶數(shù)控車花機(jī)[2]等。這些自動(dòng)車花設(shè)備能夠初步實(shí)現(xiàn)某些貴金屬首飾的自動(dòng)加工，但其目前主要處于實(shí)驗(yàn)、調(diào)試、改進(jìn)階段，并未大批量生產(chǎn)投入市場(chǎng)。究其原因，主要是金屬首飾批花進(jìn)給量小，在0.02～0.1mm的范圍內(nèi)，且工作時(shí)要求刀具高速精準(zhǔn)切削，且此切削運(yùn)動(dòng)易受幾何精度、機(jī)械動(dòng)態(tài)特性、伺服控制系統(tǒng)、外部環(huán)境等因素的影響，或者難以實(shí)現(xiàn)綜合誤差補(bǔ)償，使得首飾加工不精準(zhǔn)，造成首飾表面花紋雜亂粗糙無(wú)美感。

針對(duì)這種情況，文章研究了大眾對(duì)貴金屬首飾表面花紋的要求，對(duì)影響貴金屬首飾車花數(shù)控系統(tǒng)精度的各因素做出分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，最后借鑒傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了一種針對(duì)貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的精度評(píng)價(jià)方法。

2 貴金屬首飾車花的特點(diǎn)

大眾對(duì)首飾的要求普遍為帶來(lái)美的視覺(jué)感受。從柏拉圖的大希庇阿斯篇中知道美是難以定義和區(qū)分的，且對(duì)美的事物的認(rèn)可具有主觀性。對(duì)某樣首飾美觀與否或美觀程度的評(píng)價(jià)全由個(gè)人主觀感受決定，沒(méi)有任何客觀的刻度標(biāo)準(zhǔn)可以用來(lái)度量美觀。在圖1的（a）（b）（c）（d）中，大眾普遍認(rèn)為（a）圖和（b）圖的貴金屬首飾花紋能夠給人帶來(lái)美的視覺(jué)感受，（c）圖和（d）圖中銀珠上的花紋則不然。對(duì)某樣貴金屬切削性首飾而言，普遍認(rèn)為，紋路均勻?qū)ΨQ、平滑亮澤是美，具有一定復(fù)雜圖案為最佳。

對(duì)貴金屬首飾上某條紋路來(lái)說(shuō)如圖1中的（a）圖，要做到平順光滑意味著切削刀速要達(dá)到足夠快，切削時(shí)進(jìn)給量足夠小。刀速越快，在貴金屬表面切削出來(lái)的紋路越锃亮，讓人愉悅，但刀速過(guò)快易引起車花機(jī)器整體受迫振動(dòng)，影響加工精度；高刀速運(yùn)動(dòng)也要求伺服控制系統(tǒng)具有更寬的控制帶寬、更大的調(diào)速范圍、更短的控制周期等來(lái)響應(yīng)高速、高加速度運(yùn)動(dòng)；在切削過(guò)程中，高刀速意味著同一時(shí)間里工件受到更多切削力沖擊，如果是雙刀工作的話，則受到更多的切削力偶沖擊，工件容易飛出，可能造成機(jī)器損壞，甚至人員傷害；并且如果刀速過(guò)快，刀具易產(chǎn)生大量熱量，刀具和工件會(huì)受熱變形，影響精準(zhǔn)加工。進(jìn)給量越小即主軸一次前進(jìn)運(yùn)動(dòng)需要切削的金屬量越小，則切削出來(lái)的紋路越光滑平順，紋路周圍不會(huì)像圖1（c）圖中產(chǎn)生毛毛刺刺，如果進(jìn)給量過(guò)多，刀具上的金剛石容易被打壞，但當(dāng)主軸進(jìn)給速度過(guò)低，則增加生產(chǎn)時(shí)間、降低經(jīng)濟(jì)效益。

貴金屬首飾車花機(jī)安裝的幾何精度都應(yīng)在所能容忍的范圍內(nèi)，并且切削時(shí)刀具正垂直于首飾切削點(diǎn)的切平面，這也是貴金屬首飾加工的工藝要求。

貴重金屬本身價(jià)值高昂，在其作為飾品進(jìn)行美化時(shí)要求加工過(guò)程中盡量不浪費(fèi)原料，這不僅要求貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的高精度，還要求控制系統(tǒng)具有較高的自適應(yīng)性與通用性。

3 影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素

現(xiàn)在企業(yè)或研究院所研發(fā)的貴金屬首飾數(shù)控車花機(jī)一般是3軸或5軸機(jī)器，切削量為0.02～0.1mm，正常工作時(shí)主軸刀速達(dá)到10000r/min左右，有些機(jī)器是雙刀工作，這些工作參數(shù)和工藝要求影響著貴金屬車花機(jī)的加工精度。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中精度分類方法，將貴金屬數(shù)控車花系統(tǒng)的精度分為準(zhǔn)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度。準(zhǔn)靜態(tài)精度是不依賴于進(jìn)給速度和軌跡、以幾何精度為主的精度。動(dòng)態(tài)精度指在機(jī)器加減速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)等達(dá)到的、依賴于進(jìn)給速率和機(jī)電耦合特性的精度，動(dòng)態(tài)精度受編程控制算法、振動(dòng)、熱脹冷縮、切削力、伺服系統(tǒng)對(duì)高勻速運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)及其穩(wěn)態(tài)特性等因素的影響。

3.1 影響貴金屬車花機(jī)幾何精度的因素

幾何精度由機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)械調(diào)試控制。目前企業(yè)說(shuō)的車花機(jī)精度一般指機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)所要求的加工精度，整體的車花設(shè)備達(dá)不到此精度要求。當(dāng)零件加工、組裝成完整車花機(jī)器時(shí)，其幾何精度會(huì)發(fā)生偏差，以深圳先進(jìn)技術(shù)研究院精密工程中心研發(fā)的臥式五軸數(shù)控雙刀車花機(jī)為例，說(shuō)明影響車花機(jī)幾何精度的因素。

（1）每把刀具的中心線應(yīng)與刀具軸的軸線重合，測(cè)出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若不合乎要求，則會(huì)出現(xiàn)刀具中心在一個(gè)圈上擺動(dòng)、十字和米字刀痕沒(méi)有交叉點(diǎn)的情況，整個(gè)圖案的基準(zhǔn)點(diǎn)在加工過(guò)程中由一點(diǎn)變成一個(gè)圓。

（2）兩把刀具和工件應(yīng)處于同一高度，測(cè)出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若不合乎要求則會(huì)出現(xiàn)對(duì)于同一點(diǎn)，不同方向的劃痕深淺不一，或同一條劃痕上面深下面淺，或同一條劃痕一邊深，一邊淺的情況。

（3）夾持工件的頂針和工件本身應(yīng)在同一條直線上，測(cè)出誤差，查看其是否處于能容忍的范圍內(nèi)。若工件與頂針錯(cuò)開過(guò)大，則在加工時(shí)工件容易飛出，可能造成機(jī)器損壞和人員傷害。

（4）工件自轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)打表測(cè)出其跳動(dòng)范圍。若不合乎要求，則首飾花紋可能隨機(jī)出現(xiàn)一紋路深，一紋路淺，易雜亂影響首飾美感。

3.2 影響貴金屬車花系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度的因素

（1）編程控制算法

貴金屬數(shù)控車花機(jī)的動(dòng)態(tài)精度受控制算法的影響，即在空間上離散的路徑規(guī)劃與在時(shí)間上離散的軌跡規(guī)劃是否滿足要求，具體為路徑、軌跡的細(xì)分?jǐn)?shù)量是否足夠?qū)⑺惴ɡ塾?jì)誤差控制在能容忍的范圍內(nèi)[2，4]。若有誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償后能否滿足要求。

（2）振動(dòng)

正常加工中，主軸刀具的工作轉(zhuǎn)速較高，在8000r/min～16000r/min范圍內(nèi)，有些貴金屬車花設(shè)備是雙刀工作，則存在兩個(gè)振源，很容易引起貴金屬首飾車花機(jī)的整體受迫振動(dòng)，使得整個(gè)車花系統(tǒng)處于以刀速為振動(dòng)頻率和以數(shù)倍刀速為振動(dòng)頻率的疊加振動(dòng)中，刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將受到極大干擾，如按照規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行，則存在較大誤差。文獻(xiàn)[5]鄭鵬指出機(jī)床振動(dòng)對(duì)加工的表面質(zhì)量造成顯著影響，如圖2中的（a）是車刀刀尖在理想的外圓車削加工狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，在軸向?yàn)榈雀撸瑥较驗(yàn)檎龍A，當(dāng)機(jī)床振動(dòng)頻率為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，刀尖軌跡如圖2中的（b），此種狀態(tài)下刀尖軌跡軸向?yàn)榈雀?，徑向?yàn)闄E圓形，圖2中的（c）是當(dāng)機(jī)床以10倍主軸頻率振動(dòng)時(shí)，刀尖軌跡圖，軸向?yàn)榈雀撸瑥较驗(yàn)榀B加圖形。

（3）熱脹冷縮

貴金屬首飾車花系統(tǒng)所使用的刀具材質(zhì)為鐵鋁合金，在鐵鋁合金上鑲嵌金剛石構(gòu)成刀尖，當(dāng)?shù)毒吒咚龠B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)十分鐘以上，人手靠近刀具能明顯感覺(jué)得到熱量，刀具主體為鐵鋁合金，工件為貴重金屬，兩者都是熱的良導(dǎo)體，在切削加工中容易受熱變形，造成工件和刀具之間的距離變短，使得在貴金屬首飾表面上的紋路變深。

（4）切削力

刀尖金剛石鑲嵌在圓形或矩形的刀座上，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，金剛石與工件相互作用一次，則工件受到一次切削力沖擊或切削力偶沖擊，當(dāng)?shù)毒吒咚偾邢髻F金屬工件幾分鐘后，工件受到的沖擊累計(jì)下來(lái)易影響工件與其加持工具間的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（5）伺服系統(tǒng)對(duì)高勻速運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)

貴金屬車花機(jī)的定位精度和重復(fù)定位精度應(yīng)符合GB/T 17421.1機(jī)床精度檢驗(yàn)的通用標(biāo)準(zhǔn)。此外，伺服系統(tǒng)中啟停、高速、高加速度、換向的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性，溫度漂移，零點(diǎn)漂移等參數(shù)都應(yīng)引起注意，使其處于本機(jī)器的最佳狀態(tài)。

4 貴金屬首飾數(shù)控車花機(jī)精度評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)

4.1 貴金屬首飾數(shù)控車花機(jī)精度評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)[6]提出使用運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際位移與數(shù)控指令之間的符合程度來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)床精度，以穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)誤差和勻速段速度波動(dòng)誤差三類誤差來(lái)計(jì)算機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度。此種評(píng)價(jià)方法并不適合貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)，車花系統(tǒng)是以首飾加工最后呈現(xiàn)的紋路美觀與否作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)零件切削特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)機(jī)床精度變化與切削加工過(guò)程的隱馬爾可夫鏈模型，以耦合系統(tǒng)最佳切削特性狀態(tài)為目標(biāo)，形成零件切削性評(píng)價(jià)模型。此種方法符合數(shù)控車花系統(tǒng)中多層次的機(jī)電耦合行為，但首飾切削特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以測(cè)量，并且其精度計(jì)算方法和評(píng)價(jià)方法過(guò)于繁瑣復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]指出低速時(shí)幾何誤差是主導(dǎo)誤差。

基于以上分析和作者對(duì)車花機(jī)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)提出以幾何精度為主，控制貴金屬車花機(jī)振動(dòng)為輔的貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)的精度評(píng)價(jià)方法。在貴金屬車花系統(tǒng)中，進(jìn)給速度只有6～15mm/min，符合文獻(xiàn)[8]中的低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，幾何誤差為主導(dǎo)誤差。刀具高速切削引起的機(jī)器振動(dòng)是影響貴金屬首飾車花系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度的主導(dǎo)因素，進(jìn)給速度10毫米每分鐘，按照文獻(xiàn)[9]計(jì)算，其切削力的影響相對(duì)與振動(dòng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。

4.2 實(shí)驗(yàn)

在保證幾何精度的前提下，控制車花機(jī)振動(dòng)處于能容忍范圍內(nèi)，以深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研發(fā)的高端珠寶數(shù)控車花機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以長(zhǎng)為9.50mm，寬為6.28mm的銀質(zhì)橢球體珠為加工對(duì)象，加工出來(lái)的珠子如圖3所示，能滿足貴金屬首飾車花的基本要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)貴金屬首飾車花的特點(diǎn)和影響貴金屬首飾數(shù)控車花系統(tǒng)精度的因素，提出以幾何精度為主，控制車花機(jī)振動(dòng)為輔的精度評(píng)價(jià)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)切削，證明方法有效。此評(píng)價(jià)方法只是定性說(shuō)明，并未測(cè)出其百分比，在實(shí)驗(yàn)中采取給車花機(jī)增加配重的辦法來(lái)減少機(jī)器振動(dòng)，此后可對(duì)車花機(jī)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，分出振動(dòng)狀態(tài)形成車花機(jī)工作參數(shù)選擇，未涉及精度影響因素各自的比重，或分狀態(tài)考慮各精度影響因素的比重，此為以后的研究方向。

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