機(jī)械加工技術(shù)中數(shù)控加工的應(yīng)用

程 黎 龔玉英

（宜興高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，宜興 214200）

利用數(shù)控加工技術(shù)加工機(jī)械工件時(shí)，關(guān)鍵在于根據(jù)機(jī)械工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定刀具的選型和運(yùn)行軌跡，利用數(shù)控設(shè)備的宏程序或者其他方式完成加工程序的編寫(xiě)，并且利用模擬和仿真技術(shù)核驗(yàn)加工工藝中刀具、轉(zhuǎn)臺(tái)、工件等運(yùn)動(dòng)部分的配合效果，將修正后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)別的編碼。加工制造中還要監(jiān)控?cái)?shù)控設(shè)備的動(dòng)態(tài)運(yùn)行效果，全面提高加工的精確性與可靠性。

1 數(shù)控加工系統(tǒng)的組成及其在機(jī)械加工中的功能

數(shù)控加工主要建立在自動(dòng)化程度較高的數(shù)控機(jī)床上。從加工復(fù)雜程度來(lái)看，數(shù)控機(jī)床可分為低端、中端以及高端。國(guó)內(nèi)在低端數(shù)控機(jī)床上基本可實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，但中高端產(chǎn)品依然大量依賴(lài)進(jìn)口。數(shù)控加工系統(tǒng)的主要構(gòu)成分為以下幾個(gè)部分。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的核心控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer Numerical Control，CNC）。在加工機(jī)械產(chǎn)品前，要在CNC中完成編碼。設(shè)備在后續(xù)的作業(yè)過(guò)程中，需按照預(yù)先設(shè)定的指令逐一完成操作。CNC在數(shù)控加工系統(tǒng)中起到了“大腦”的作用。中高端數(shù)控車(chē)床最大的設(shè)計(jì)難度也集中在CNC，有時(shí)候CNC的采購(gòu)成本會(huì)占到整個(gè)機(jī)床的50%。在CNC的指揮系統(tǒng)中，軟件、邏輯電路以及伺服系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖1所示[1]。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)加工內(nèi)部流程圖

數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)受到各種外部因素的干擾，導(dǎo)致加工零件的輪廓出現(xiàn)誤差。為了確保加工零件的精度符合要求，需要對(duì)輪廓誤差進(jìn)行計(jì)算。

借助與距離輪廓較近的軌跡點(diǎn)計(jì)算輪廓誤差，公式為

式中：當(dāng)a=b=c=0時(shí)，F(xiàn)(x,y)為一條直線；當(dāng)c=d=e=0時(shí)，F(xiàn)(x,y)為橢圓或者圓；當(dāng)b=c=0時(shí)，F(xiàn)(x,y)為拋物線。利用檢測(cè)儀器讀取變量數(shù)值，即可判斷F(x,y)的類(lèi)型，進(jìn)而得到誤差輪廓準(zhǔn)確參數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)進(jìn)行校正。

1.2 伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床在加工機(jī)械產(chǎn)品的過(guò)程中必須精確控制運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)給量。如果這一參數(shù)控制不到位，那么將無(wú)法保證機(jī)械加工的精度。進(jìn)給量的控制主要依賴(lài)機(jī)床上的伺服系統(tǒng)，核心組成為驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。伺服系統(tǒng)發(fā)揮作用的基本流程是“脈沖信號(hào)→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→角度轉(zhuǎn)動(dòng)→帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)”。顯然，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度直接影響機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的操作精度。數(shù)字脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換的物理量是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，后續(xù)其他物理量都會(huì)受到這一角度的影響[2]。因此，機(jī)床的機(jī)械加工性能主要取決于伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床上所有執(zhí)行部件都設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的伺服系統(tǒng)。

1.3 位置反饋系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床在加工機(jī)械產(chǎn)品的過(guò)程中需通過(guò)位置反饋系統(tǒng)對(duì)機(jī)械執(zhí)行部件的進(jìn)給量、工件的位置信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及反饋。該系統(tǒng)中涵蓋了激光測(cè)距儀、光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器以及磁柵等。這些檢測(cè)裝置測(cè)量相關(guān)的物理量，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后由數(shù)控裝置接收這些信號(hào)量，與系統(tǒng)中預(yù)先編碼的機(jī)械加工信息進(jìn)行對(duì)比。如果實(shí)際測(cè)量的位置信息與設(shè)計(jì)值存在偏差，那么數(shù)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出新的指令，用以調(diào)節(jié)執(zhí)行部件的進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)糾偏[3]。

1.4 機(jī)械執(zhí)行部件

數(shù)控機(jī)床可用于執(zhí)行車(chē)削、刨銑、打磨以及鉆孔等一系列機(jī)械操作，在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及位置反饋系統(tǒng)的綜合作用下，按照指令對(duì)金屬材料實(shí)施特定的加工活動(dòng)。數(shù)控車(chē)床主要用于加工制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械工件或者產(chǎn)品，因此其機(jī)械部件在剛度、耐磨性以及精度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。有些數(shù)控機(jī)床為加工中心，此時(shí)各種刀具存放在專(zhuān)門(mén)的刀庫(kù)中。

2 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工技術(shù)中的應(yīng)用

現(xiàn)代化的機(jī)械產(chǎn)品對(duì)加工的復(fù)雜度、精密程度以及表面粗糙度控制等提出了很高的技術(shù)要求。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)在飛速發(fā)展，從先進(jìn)的五軸聯(lián)動(dòng)跨越到更先進(jìn)的九軸五聯(lián)動(dòng)，從單一的加工類(lèi)型發(fā)展為復(fù)合型加工，一臺(tái)設(shè)備可完成車(chē)削、銑及磨等多種加工操作。以下將當(dāng)前較為先進(jìn)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床作為分析對(duì)象，研究其在機(jī)械加工中的具體應(yīng)用方法[4]。

2.1 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的工作特點(diǎn)

最常見(jiàn)的五軸聯(lián)動(dòng)的五軸分別為平面上用于定位的X、Y、Z軸以及控制工件旋轉(zhuǎn)和刀具旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸。機(jī)械工件定位在操作臺(tái)上后要進(jìn)行夾緊，在緊固的同時(shí)確定其在直角坐標(biāo)系中的位置。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的刀具可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的擺頭模式，原因在于機(jī)床的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，固定工件的載臺(tái)可同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這種情況下，刀具和工件之間的相對(duì)位置將會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜的變化。圖2展示了俯垂型擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床機(jī)的工作示意圖，其中具有回轉(zhuǎn)自由度的旋轉(zhuǎn)軸分別為B、C所在的截面，工件的位置始終不變，而刀具在B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下做出復(fù)雜的加工，同時(shí)工件可沿X、Y、Z軸做特定方向的滑移，配合刀具[5]。

圖2 X、Y、Z俯垂型擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工示意圖

2.2 數(shù)控機(jī)械加工的基本工作流程

使用數(shù)控機(jī)床加工機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，要先分析機(jī)械工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上確定編碼方案，選擇刀具和刀柄，制定質(zhì)量控制的基本策略。整個(gè)過(guò)程要遵循數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用方法，具體步驟如圖3所示。

圖3 數(shù)控機(jī)床CMA主動(dòng)編程基本步驟

2.2.1 分析機(jī)械工件的幾何形狀

現(xiàn)代化的機(jī)械工件大量運(yùn)用了復(fù)雜的幾何形狀。相對(duì)而言，平面工件的加工難度較低，曲面結(jié)構(gòu)的加工難度大幅增加，如葉輪、列車(chē)車(chē)輪以及螺紋型工件等。分析機(jī)械工件幾何形狀（尤其是曲面形狀）的主要目的是計(jì)算結(jié)構(gòu)物的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)并繪制線條。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)制定后續(xù)的加工方案和編寫(xiě)數(shù)控程序指令具有重要的參考價(jià)值[6]。

2.2.2 零件及其加工工藝分析

加工前，先分析工件的幾何形狀，構(gòu)造符合其幾何構(gòu)型的數(shù)字化模型。每一個(gè)細(xì)節(jié)部位的具體尺寸也是非常關(guān)鍵的加工要素，尤其是曲面結(jié)構(gòu)，常常在很多微小的局部結(jié)構(gòu)上蘊(yùn)含著豐富的尺寸信息。數(shù)控機(jī)床依靠編碼指令控制機(jī)械部件的進(jìn)給量、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，因此這些尺寸數(shù)據(jù)為編碼的主要依據(jù)。在這一環(huán)節(jié)需完成如下任務(wù)：確定代加工零件的幾何尺寸、精度及公差控制的基本要求；確定加工方法，選擇適宜的刀具、工件夾具以及工件測(cè)量工具；確定編程的坐標(biāo)系及原點(diǎn)位置；確定各種工件工藝參數(shù)和刀具的行走路線。

2.2.3 構(gòu)建加工部位的模型數(shù)據(jù)

數(shù)控加工中要對(duì)待加工的機(jī)械部件構(gòu)建三維幾何立體模型，以便反映機(jī)械工件的幾何特點(diǎn)。建模的技術(shù)路徑包括3種。第1種，如果是以既有工件為藍(lán)本，沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，要精確測(cè)量工件實(shí)體，可采用三維多層掃描技術(shù)或者三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。第2種，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）模塊構(gòu)建模型，可以反映各個(gè)部位的幾何尺寸和立體構(gòu)型，其中這些數(shù)據(jù)可用作數(shù)控加工建模。第3種，利用數(shù)控計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）系統(tǒng)生成基本數(shù)據(jù)，然后通過(guò)圖形轉(zhuǎn)換接口完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。圖形轉(zhuǎn)換接口類(lèi)型多樣，如CADL、STL以及STEP等[7]。

2.2.4 輸入工藝參數(shù)

這一步驟實(shí)際上完成數(shù)控機(jī)床的編程工作。高端數(shù)控加工中心已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編程，同時(shí)支持手工編程。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，數(shù)控自動(dòng)編程才是主流趨勢(shì)，一方面自動(dòng)編程的效率、可靠性、準(zhǔn)確度等都遠(yuǎn)高于人工編程，另一方面一旦工件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，人工方式將難以完成。現(xiàn)代化數(shù)控加工設(shè)備的核心是CNC，其自動(dòng)化計(jì)算、設(shè)計(jì)和編程的能力非常強(qiáng)大。工藝參數(shù)包括毛坯材質(zhì)、毛坯尺寸、刀具類(lèi)型、刀具材質(zhì)、刀具尺寸、切削用量、進(jìn)給速度、切削深度以及主軸轉(zhuǎn)速等。

2.2.5 刀具軌跡生成及編輯

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編程。通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算能力，系統(tǒng)可依據(jù)工件的幾何特點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算基點(diǎn)和各類(lèi)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)按照一定的順序排列起來(lái)，形成最終的刀位數(shù)據(jù)。技術(shù)人員分析相關(guān)軌跡，如果發(fā)現(xiàn)其中存在不合理，可通過(guò)系統(tǒng)人工交互界面進(jìn)行編輯修改。

2.2.6 刀具軌跡驗(yàn)證及仿真

為了提高數(shù)控加工的正確率，防止刀具軌跡設(shè)計(jì)存在失誤，數(shù)控加工系統(tǒng)中提供了專(zhuān)門(mén)的驗(yàn)證模塊和仿真模塊。這兩個(gè)模塊具備高度的仿真和模擬效果，能夠在不加工的情況下驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。這種驗(yàn)證和模擬的功能對(duì)提高數(shù)控編程設(shè)計(jì)的正確性具有重要作用。

2.2.7 后置處理

前期形成的刀位數(shù)據(jù)和數(shù)控機(jī)床的指令之間存在很大差異，數(shù)控機(jī)床只能識(shí)別特定形式的指令集，因而在后置處理階段，應(yīng)該將前期的各項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床可識(shí)別的指令[8]。

2.2.8 輸出加工程序

數(shù)控加工的程序可直接存儲(chǔ)在移動(dòng)式設(shè)備中，如U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)或者穿孔紙帶上，也可打印出來(lái)，便于操作人員熟悉相關(guān)指令集。最關(guān)鍵的步驟是將完成的數(shù)控指令集輸入數(shù)控系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)可經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口進(jìn)入CNC。

2.3 數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工動(dòng)態(tài)特性測(cè)定及調(diào)整

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的刀具運(yùn)行軌跡非常復(fù)雜，若刀具在加工金屬材料的過(guò)程中與其發(fā)生碰撞，會(huì)引發(fā)振動(dòng)、偏移等情況，需采取有效的技術(shù)措施來(lái)檢測(cè)并控制其加工動(dòng)態(tài)，及時(shí)調(diào)整各種不規(guī)范的情況。

這一功能主要由刀尖跟隨（Rotation Tool Center Point，RTCP）來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱(chēng)為刀尖點(diǎn)跟隨功能。它的工作流程為“開(kāi)始動(dòng)態(tài)精度測(cè)定→旋轉(zhuǎn)軸測(cè)定→計(jì)算直線軸之間的不匹配程度→計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸和直線軸之間的不匹配程度→對(duì)5個(gè)軸的強(qiáng)弱程度進(jìn)行排序→調(diào)整伺服系統(tǒng)的工作參數(shù)→完成動(dòng)態(tài)精度測(cè)定和調(diào)整”。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)提高數(shù)控加工設(shè)備的精度具有重要作用。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控加工技術(shù)主要依托于各種類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床，目前較為先進(jìn)的設(shè)備是高端五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、九軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床等。此類(lèi)設(shè)備在加工機(jī)械產(chǎn)品時(shí)要先開(kāi)展工件幾何結(jié)構(gòu)、幾何尺寸分析形成加工工藝，然后對(duì)待加工的部件建模，輸入工藝參數(shù)、生成刀具運(yùn)行軌跡，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)控編碼，最后將這些編碼錄入數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。