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试述数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响
Jan 20, 2021  来源: 天津工业职业学院   作者:李焱



  
      摘要:机械加工精确度是数控机床自动化研究领域的热点议题之一,探究如何提升零件加工稳定性等问题,成为提升加工效率的关键点。基于此,通过进一步研究数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响,对解决普通零件无法完成的深加工问题,降低成本支出、减少工人劳动强度、提高机械生产效率和经济效益,具有重要的影响。本文基于数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响中,通过对机械加工质量、机械加工经济效益、工艺系统受力变形等内容进行分析;探寻了提高数控机床切削控制能力的措施,即振动控制、速度控制、加强机床维护与管理等具体举措,以此为数控机械加工精确度影响提供有效的借鉴。
  
     关键词:数控机床;切削控制能力;机械加工;精确度;影响

 
     数控机床的自动化加工中,对零件具有较好的稳定性,且能完成普通机床无法完成的复杂零件;机械加工精确度的影响,对数控机床成本控制、劳动强度降低、工作效率提升等具有重要的意义。对于机械加工企业而言,数控系统中切削控制能力作为数控机床的核心构件,其可靠性以及工作性能是直接影响数控机床的工作效率的主因。现就数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响进行分析,并就数控机床切削控制能力的措施论述如下。
  
     1 、 数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响
  
     有机整合数控机床的硬件系统与软件系统,是进一步提升数控机床机械加工工作最行之有效的方法之一。常规来讲,数控机床切削控制能力直接决定了机械加工的质量、机械加工经济效益、工艺系统受力变形改善等内容。从细致化环节出发,产品机械加工精度对社会的发展产生了积极的影响,但同时,也使得产品质量评价中,相关机床控制能力中机床切削控制能力对产品形成了决定性效应。
  
     1.1  对机械加工质量的影响
  
     数控机床切削控制对机械加工精度的影响表现在直接决定机械加工的质量上。在当前市场经济充分发展的时代,产品质量实际上就是企业的生命线。以机械加工为例,通过开展对数控机床切削控制,在满足市场需求前提下,将机械加工产品形态、性能、阶段性改观作为必要控制方案长久坚持。为进一步提升机械加工精度,在机械加工质量控制中消除机械产品生产负面效应。因此,在一定程度上机械加工技术的精确程度 , 就要依靠数控机床的切削控制能力来实现。
 
      机械切削控制在加工环节,本身对其制作工艺质量的要求极高,影响力也较为明显;其加工精度对零件机械加工的效率、毛坯工艺质量有着直接的影响。以 CNC 零部件加工为例,从试制到批量试生产,以修改采用的 ASTM  B  179-06《用于各种铸造工艺铸件的铝合金锭及熔融态铝合金标准规范》标准,极大地提升了工艺生产效率,提高了机械加工经济效益。
 
      1.2  对机械加工经济效益的影响
  
     随着现代社会的进步,消费者本身主导了市场体制和运行模式。机械切削控制对机械加工经济效益产生了极大的影响。常规来讲,数控机床切削控制,以多元控制方法和手段,配合机械加工精度的确认,在极大程度上提升了机械产品的性能,并在机械产品主客观需求的前提下,以细节处理和高标准要求,消除机械产品常见不足及隐患。 
   
       1.3  工艺系统受力变形影响
   
      机械加工操作的中,工艺系统受力变形影响和数控机床的实施关联度甚广。数控机床执行长期的操作后,受自身刀具使用时间延长,机床本身受到的不良影响随之递增。基于此,受力荷载表现为持续增大、最终对机械加工精确度产生了很大的威胁。因此,在数控机床切削控制中,为解决工艺系统受力变形的问题,采取多元化的措施避免对数控机床进行重新采购。
 
     具体解决对策:满足数控机床、刀具等设备自身刚度要求,有效界定变形量,避免过多干预;除此之外,在数控机床及刀具操作中,在刚度表现小而导致的工件变形、夹具用力方向错误、施力点偏差等对工件本身造成的不利作用。在规范性操作中,需通过合理运用切削控制更好地保证数控机床操作的科学性。
   
       2、 数控机床切削加工过程的模型参考自适应控制
   
     基于数控机床切削加工过程的模型参考自适应控制用以提升机械加工精确度,并在机床切削加工过程中实际建模,且更好地满足了机床变化切削条件,及时修正了切削用量,进一步提升了切削性能。究其原因,受切削加工动态变化影响,各系统组件如机床、刀具、工件组成在系统上的表现不一,为确保切削过程处于最佳状态,需综合考量毛坯加工余量、材料硬度、刀具磨损度、刀刃积屑瘤及其腐蚀性,机床生产中的受力变形、切削振动和热变形等诸多问题,进而随之依据相关变化对切削进行合理控制。具体,循证自适应控制(MRAC,构筑数控机床切削加工过程 MRAC 模型,并进行动力学过程仿真。结果表明,MRAC 的机床切削加工性能指标最好。 

     2.1  系统组成及其工作原理
  
     数控机床 MRAC 系统包括以其伺服系统、编入装置、程序编制、辅助控制装置、反馈系统及其机床主体等几部分内容。即在切削过程控制中,以机床、刀具、工件系统所完成的切削过程来进行有序调节。
  
    其主要工作原理:具备一般数控机床的位置和速度控制回路、增设 MRAC 反馈回路。运行环节受各种干扰随机因素影响,导致切削过程状态参数发生极大的变化;MRAC 控制单元通过自适应控制效能,在给定评价结果、评价指标或约束条件判别比较中,对 CNC 输出和输入参数进行控制和修正,通过切削控制实现最佳控制状态。

    修正方案中,针对机床、刀具、工件组成的系统上进行切削加工,作为一个动态过程,受工件毛坯裕量不匀、材料硬度不一、刀具磨损、刀刃积屑瘤、受力变形、切削振动和热变形等诸多因素和参数影响,对切削过程状态、切削过程生产效率、加工质量、经济效益、切削过程正常进行与否等相关。基于此,基于系统工作原理的控制措施和方法,对解决上述问题,符合切削加工过程中采用该方法能根据随时变化的实际切削条件及时修正切削用量的效果。依据模型参考自适应控制(MRAC)思想,建立数控机床切削加工过程 MRAC模型,然后,对模型实施动力学过程仿真、加工过程反馈闭环控制、开环控制仿真,结果表明,MRAC 的机床切削加工性能指标最好。

     2.2  建立机床切削加工 MRAC 模型
  
    机床切削加工由输入指令开始,位置速度反馈包括主机CNC、驱动电动机、数控机床、切几部分,自适应最终完成切削全过程动态等环节控制。其中,主程序设计内含初始化程序和循环等待 2 部分。系统上电或复位后主程序自动运行,将系统初始化以便各模块正常工作,电流 PI 调节、转速自适应控制调节参数初始化、其他程序全局变量初始化,开中断并等待。设计 PWM 中断处理程序,根据相应载荷变化调制晶体管栅极或基极偏置,实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间改变;采用定时器周期中断标志启动 A/D 转换,当 T1 下溢时启动 A/D 转换,所检测的电流经处理后接模 /数转换器的 ADCIN00 引脚,当转换完成后,中断标志位都被设置为 1, 则在 A/D 中断服务程序中将转换结果读出,完成 1次 A/D 采样。转换结束后申请 PWM 中断,PWM 中断完成主要的控制功能。设计速度自适应程序,以离散自适应算法为基础,直接用于程序设计。该模型参考自适应分为参考模型和被控对象两部分,实现了模型控制效果。

     2.3  切削加工精度相关算法
  
     应用多目标切削数据生成算法及切割参数优化方法,数据库的核心算法包括切削力、动态切削振动等切削加工状态的计算,以及切削功率、主轴扭矩等负载状况,加工精度、表面粗糙度等加工质量,加工时间、材料去除率等加工效率信息,刀具磨损、生产成本等效益评估的计算。根据计算结果优化切削参数,以便提高机床的利用率和零件加工效率。并将针对数控车床和数控车削中心开发的切削数据库算法集成在国产 I5 智能数控系统平台上,方便机床用户根据具体加工需要调用和选择切削参数,并可在进行实际切削前预判设定参数可能产生的切削效果。相关算法的应用,通过延长加工系统及加工设备使用寿命。车刀刀尖设计成圆弧状,圆弧半径控制在 0.4 ~ 1.6mm,使得车刀质量更牢固。刀具角度控制上,对其切力大小、切削深度、刃口宽度进行精确切割。

     加工系统上,强化加工系统刚性,合理设计机床截面形状、零件结构、工件尺寸,扩大机床表面的相关接触面积,增载机床负荷以及表面粗糙程度改善,确保切削工件精度符合加工要求。

     2.4  预期效果及其可行性结果
  
     本次为试述数控机床切削控制能力对机械加工精确度的影响,探究了基于机床切削加工 MRAC 模型自适应控制系统,系统以其切削力控制器、控制模型设计、切削状态参数调整控制、分段控制等效能。在噪音控制、工件表面质量均匀性、切削系统共振等非线性系统干扰问题解决上;作为自适应迭代算法模型切削控制参数的优化升级版。通常采用三自由度直角坐标机器人切削实验平台和六自由度关节机器人切削实验平台,自如验证了本次控制方法的正确性,加工模型效果证实该切削方案技术应用控制实验成效突出。

      3、结语
  
     当前,机械加工行业的基本追求实际上就是数控机床切削控制力的科学实现,尤其是在数字化技术控制和相关的技术软件的支持下,机械加工的精确度也越来越高 , 对技术技能人员的专业技能与素质也就越来越高。综上所述,数控机床切削控制对机械加工精度中机械加工质量、机械加工经济效益、工艺系统受力变形等相关内容的影响,并为进一步提升机械加工精度,结合数控机床切削加工过程的模型参考自适应控制系统的建立,为提升数控机床切削控制和机械加工精度提供了可行性借鉴,值得在日常的加工生产中采用。
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