基于多維度控制的數(shù)控加工過程中變形控制方法的研究

鄒左明，高清冉

基于多維度控制的數(shù)控加工過程中變形控制方法的研究

鄒左明1，高清冉2

(1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017；2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000)

數(shù)控機(jī)床在加工階段時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多樣化以及時(shí)序化特征，會(huì)影響數(shù)控加工精度。要保證加工精度，合理選擇多維度控制數(shù)控加工變形控制方式，完成三維空間內(nèi)部多方向的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償就顯得尤為重要。通過分析影響數(shù)控加工變形的因素，有針對(duì)性地選擇多維度的數(shù)控加工變形控制方法，有利于實(shí)現(xiàn)高精度和全方位的數(shù)控加工變形控制，凸顯整體性。

多維度；數(shù)控加工；變形控制方法

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，機(jī)械制造技術(shù)的更新速度逐漸加快。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械制造領(lǐng)域中的核心設(shè)備，加工階段數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響。生產(chǎn)企業(yè)要想在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，必須要保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此，數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量和效率的提升顯得尤為關(guān)鍵，數(shù)控加工變形控制方面的研究也逐漸得到了更多從業(yè)者的關(guān)注。在數(shù)控機(jī)床中融合精確預(yù)拉伸技術(shù)，對(duì)絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可解決機(jī)床加工過程中容易出現(xiàn)的滾道變形問題，提升數(shù)控機(jī)床加工的精度和穩(wěn)定性。

1　數(shù)控加工變形影響因素分析

1.1　伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中重要的組成部分，數(shù)控機(jī)床在實(shí)際應(yīng)用過程中要完成準(zhǔn)確定位，需要通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。如果在加工過程中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會(huì)使?jié)L珠絲杠的定位作用無法發(fā)揮，因此會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)控機(jī)床的加工精度[1]。

1.2　車刀參數(shù)變動(dòng)因素

在數(shù)控機(jī)床的操作過程中，車刀應(yīng)用是其中十分重要的環(huán)節(jié)，起著關(guān)鍵性作用，直接影響著加工的精度。車刀在應(yīng)用過程中容易產(chǎn)生工作角度偏差，例如在切削階段，車刀部分會(huì)出現(xiàn)主偏角，加工零部件的軸向尺寸在加工過程中也會(huì)產(chǎn)生一定偏差，與刀尖圓弧半徑呈現(xiàn)正比關(guān)系，主偏角數(shù)值逐漸偏大會(huì)造成電動(dòng)軸向尺寸變化，隨之會(huì)造成刀尖圓弧半徑逐漸增大。以上情況均會(huì)導(dǎo)致車刀參數(shù)數(shù)值變化，降低數(shù)控機(jī)床加工精度，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成零件報(bào)廢。

1.3　程序運(yùn)行參數(shù)

在數(shù)控機(jī)床的加工操作階段會(huì)涉及到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要嚴(yán)格遵循順序性和規(guī)范性。如果工作人員在實(shí)操階段未遵循程序標(biāo)準(zhǔn)，將無法滿足程序正常運(yùn)行的參數(shù)要求，直接影響數(shù)控機(jī)床加工效果[2]。

2　多維度控制數(shù)控加工變形控制措施分析

2.1　自回歸移動(dòng)平均模型方式

自回歸移動(dòng)平均模型方式一般應(yīng)用在時(shí)間序列核心技術(shù)中，其對(duì)象為非指定數(shù)控加工數(shù)控時(shí)間序列，將一定時(shí)刻數(shù)值設(shè)置為h，取值設(shè)置為y，通過對(duì)比前幾個(gè)時(shí)間段參數(shù)產(chǎn)生的聯(lián)系，同時(shí)會(huì)聯(lián)系到非指定白噪聲干擾因素[3]。通過分析得到綜合誤差干擾項(xiàng)、自回歸系數(shù)以及移動(dòng)平均系數(shù)等，設(shè)置移動(dòng)平均模型。

2.2　多維時(shí)間序列狀態(tài)模型以及相應(yīng)判斷模型

多維時(shí)間序列狀態(tài)模型是采集和分析數(shù)控加工變形參數(shù)數(shù)據(jù)的重要工具，可基于差異化時(shí)間段獲取相應(yīng)檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)數(shù)控加工時(shí)間順序排列方式，可形成數(shù)字集。根據(jù)參數(shù)類型的不同，采樣頻率固定數(shù)值點(diǎn)也并不局限于一種，因此數(shù)控機(jī)床的加工參數(shù)可設(shè)置為序列矩陣。依據(jù)相應(yīng)分類標(biāo)準(zhǔn)，加工參數(shù)可設(shè)置成多維時(shí)間序列向量，同時(shí)融合多維層面上時(shí)間序列矩陣，在時(shí)間的不斷變化下產(chǎn)生相應(yīng)改變。在機(jī)床參數(shù)的時(shí)間序列矩陣構(gòu)建中，可生成加工情況模型，設(shè)置為采樣時(shí)間跨度序列矩陣幾何，用于描述機(jī)床加工變動(dòng)實(shí)際趨勢(shì)，同時(shí)其歷史狀態(tài)可設(shè)置為對(duì)口的時(shí)間窗口矩陣。操作人員通過模型采集相應(yīng)變形數(shù)據(jù)，結(jié)合模型矩陣，設(shè)置統(tǒng)一加工狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，衡量和評(píng)估函數(shù)數(shù)值，通過特征向量以及特征趨勢(shì)等標(biāo)識(shí)狀況，可利用數(shù)據(jù)的差異性判斷數(shù)控加工情況。操作人員可根據(jù)差異水準(zhǔn)，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工之間的整體差異性進(jìn)行判斷，如果加工變形相似度數(shù)值較大，加工變形的相似度也會(huì)較高，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工變形參數(shù)多維度數(shù)據(jù)的有效采集[4]。

2.3　多維度控制誤差補(bǔ)償措施

完成數(shù)控加工變形參數(shù)數(shù)據(jù)采集后，并以此作為基礎(chǔ)，采用直線運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，進(jìn)行三維空間隨機(jī)直線方向的誤差補(bǔ)償；采用圓弧運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方式，進(jìn)行三維空間內(nèi)部圓弧方向的誤差補(bǔ)償，從而完成多維度的加工變形控制。

(1)直線運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。獲取數(shù)控加工變形參數(shù)數(shù)據(jù)后，可設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，選擇插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)成直線以及平面內(nèi)部投影夾角數(shù)值。

(2)圓弧運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。根據(jù)采集到的數(shù)控加工變形參數(shù)數(shù)據(jù)，將圓心角設(shè)置成r，重點(diǎn)向量以及P軸之間會(huì)形成正向夾角，確定圓弧起點(diǎn)、終點(diǎn)以及圓心坐標(biāo)。借助上述坐標(biāo)可有效獲取正向夾角數(shù)值等，獲取圓弧弧度以及插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值，利用插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工變形圓弧運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。在加工過程中插入誤差補(bǔ)償工作的目的是使加工工件誤差實(shí)際位置回到相應(yīng)理論位置上，確保加工精確度。在上述坐標(biāo)基礎(chǔ)上，獲取插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，通過對(duì)比同一坐標(biāo)點(diǎn)，以差異性的方式對(duì)數(shù)控加工變形進(jìn)行補(bǔ)償，相比于傳統(tǒng)方法，應(yīng)用此種方法可將變形率數(shù)值降低2%。對(duì)變形方式有效性進(jìn)行驗(yàn)證可知，此種方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加工的直線以及圓弧運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，能完成工件變形的有效彌補(bǔ)。通過測(cè)試控制數(shù)控加工變形過程中追蹤到的魯棒性，分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在使用上述方法完成誤差補(bǔ)償，迭代次數(shù)數(shù)值顯示為3時(shí)，控制用時(shí)數(shù)據(jù)顯示為2.3分鐘，其中精確預(yù)拉伸方式控制用時(shí)數(shù)值為4.7分鐘，擾動(dòng)觀測(cè)器加工誤差控制方式用時(shí)為3.7分鐘，相比于其他方式，采用以上方式用時(shí)較短，節(jié)省時(shí)間顯示為2.4分鐘以及1.4分鐘，能有效縮短數(shù)控加工控制用時(shí)，可在多種維度上處理數(shù)控加工變形問題。

3　多維度數(shù)控機(jī)床加工變形控制策略

3.1　預(yù)拉伸和坯料冷鐓

針對(duì)無限位流向要求的相應(yīng)零件以及多數(shù)纖維流向要求的相應(yīng)零件，一般需將其更改為預(yù)拉伸板材后再進(jìn)行加工，但會(huì)在一定程度上增加材料成本。由于板材內(nèi)部殘余應(yīng)力較低，采用切削加工方式會(huì)造成殘余應(yīng)力不平衡，容易出現(xiàn)明顯變形?，F(xiàn)階段數(shù)控加工中的整體壁板和整體梁等多種類型的大型鋁合金結(jié)構(gòu)件均使用大量預(yù)拉伸板材，通過采用預(yù)拉伸，可有效減少加工過程的中變形。針對(duì)一些小型的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，可采冷鐓工藝，不但可有效提高材料的利用率，還可保證產(chǎn)品表面的光潔度和產(chǎn)品精度。

3.2　合理應(yīng)用低熔點(diǎn)合金

低熔點(diǎn)合金應(yīng)用是指在加工過程中將低熔點(diǎn)材料填充在工件腔體內(nèi)和工藝腔體中，將零件加工成為實(shí)心剛性體。加工結(jié)束后，通過加熱方式可完成低熔點(diǎn)合金和低熔點(diǎn)填料的三維熔化和回收，實(shí)現(xiàn)填料的重復(fù)應(yīng)用。在整個(gè)加工過程中加熱溫度數(shù)值低，有效避免了對(duì)零件材料狀態(tài)造成的影響，降低了零件出現(xiàn)變形的可能性，可以用于制造更高精度的復(fù)雜薄壁零件。與鑄造比較，低熔點(diǎn)合金澆注可有效提高加工零件的剛性，改變裝夾面以及定位基準(zhǔn)面，改進(jìn)零件的加工工藝，提高加工精度。

3.3　做好時(shí)效處理工作

振動(dòng)時(shí)效處理的主要作用在于消除、均化以及降低金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提升工件的抗動(dòng)載荷變形能力，通過此種方式可提升構(gòu)件的加工精度?，F(xiàn)階段，針對(duì)質(zhì)量較輕的薄壁零件，一般借助智能化多級(jí)振動(dòng)時(shí)效工藝和超聲振動(dòng)工藝來保證加工的精度。借助鋁合金多級(jí)振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力技術(shù)，消除鋁件材料內(nèi)應(yīng)力和切削加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，不但可提升工件的加工精度，還可有效縮短加工周期。振動(dòng)時(shí)效實(shí)際是借助共振模式對(duì)工件增加附加應(yīng)力，在工作過程中疊加應(yīng)力以及殘余應(yīng)力后，使材料達(dá)到承受應(yīng)力的極限，當(dāng)工件出現(xiàn)微觀或者宏觀層面上的塑性變形后，可有效降低和均化工件內(nèi)部殘余應(yīng)力，使尺寸精度數(shù)值滿足穩(wěn)定性的要求。采用多級(jí)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)能自動(dòng)捕捉工件共振頻率，可徹底消除和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，更適合加工重量較輕的工件。

3.4　薄壁腔體零件

試加工某鋁盒子合金薄壁零件，其腹板以及側(cè)壁壁厚數(shù)值為0.8～1.0mm。零件加工主要借助平口鉗夾緊，此種工藝應(yīng)用時(shí)需要將低熔點(diǎn)合金作為腔體填料，在加工過程中無需卸下工件，可直接澆注完成加工。低熔點(diǎn)合金可作為填料保護(hù)精加工后的薄壁夾持面，一般應(yīng)用于加工過程中夾持不規(guī)則和易損工件部分。若低熔點(diǎn)合金難以滿足定位和夾持操作過程中的剛性要求，需借助強(qiáng)力夾緊以及壓緊程序，才能繼續(xù)開展切削加工，因此可將其作為轉(zhuǎn)換工藝基準(zhǔn)使用，借助低溫因素確保可以有效降低合金在凝固和溶解過程中的熱變數(shù)值，從而確保工件尺寸的精確度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，上腔體以及下腔體的側(cè)壁厚度數(shù)值顯示為0.025mm，上腔體以及下腔體之間數(shù)值顯示為0.500mm，腹板厚度數(shù)值較為均勻，壁厚差數(shù)值顯示為0.030mm，加工質(zhì)量較好，達(dá)到了理想效果。

4　結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)加工企業(yè)想要在激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，必須要保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。通過分析影響數(shù)控加工變形的因素，有針對(duì)性地選擇多維度的數(shù)控加工變形控制方法，有利于及時(shí)解決數(shù)控加工變形控制問題，提升數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和效率，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 張尚安,齊鵬斌.小型薄壁機(jī)加件的數(shù)控加工變形控制方法研究[J].中國(guó)科技信息,2013(12):124,127.

[2] 連碧華.薄板零件數(shù)控銑削加工變形控制研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2017,46(6):29-30,48.

[3] 張雷,劉檢華,莊存波,等.基于數(shù)字孿生的多軸數(shù)控機(jī)床輪廓誤差抑制方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2021,27 (12):3391-3402.

[4] 李晶,郁舒蘭,劉瑋.基于眼動(dòng)追蹤的數(shù)控界面布局認(rèn)知特性評(píng)價(jià)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2017,29(7): 1334-1342.

Research on deformation control method of CNC machining based on multi-dimensional control

ZOU Zuoming1, GAO Qingran2

(1.Sichuan Information Vocational and Technical College, Guangyuan, Sichuan 628017, China; 2. Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan, Henan 459000, China)

In the processing stage of CNC machine tools, the state data present diversification and timing characteristics, which will affect the deformation accuracy of CNC machining. So, it is necessary to apply the deformation control method of multi-dimensional control NC machining. In this way, the motion compensation of multi-direction in the three-dimensional space is completed. This paper analyzes the deformation control method of CNC machining with multi-dimensional control, and completes the deformation control of CNC machining with high precision and high orientation through active and effective methods, highlighting the integrity.

multi-dimensional; CNC machining; deformation control method

TH164

A

2096–8736(2022)03–0049–03

鄒左明(1978—)，男，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

責(zé)任編輯：陽(yáng)湘暉

英文編輯：唐琦軍