基于仿真技術提高數(shù)控車削加工產品質量的探討

劉振強

摘? 要：數(shù)控車削加工是現(xiàn)代數(shù)控加工中使用最廣泛、最基本的加工方法，為不斷提高數(shù)控車削加工產品質量，已經(jīng)研究和實施了很多有效的方法和措施。基于仿真技術提高數(shù)控車削產品質量的關鍵主要體現(xiàn)在三個方面：過程建模、仿真以及加工誤差分析。為了全面反映數(shù)控車削加工核心本質內容，需要結合上述三個方面展開，構建數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)模型，并對其車削加工產品的誤差進行補償分析。本文主要探討這三點技術內容，思考如何利用仿真技術提高數(shù)控車削加工產品質量的具體方法。

關鍵詞：仿真技術? 數(shù)控車削加工? 仿真系統(tǒng)模型? 誤差補償

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（b）-0088-04

Discussion on Improving the Quality of NC Turning Products based on Simulation Technology

LIU Zhenqiang

（Tianjin First Light Industry School， Tianjin， 300232 China）

Abstract： CNC turning is the most widely used and basic processing method in modern NC machining. In order to improve the quality of NC turning products， many effective methods and measures have been studied and implemented. The key to improve the quality of NC turning products based on simulation technology is mainly reflected in three aspects： process modeling， simulation and machining error analysis. In order to fully reflect the core essence of NC turning， it is necessary to build a simulation system model of NC turning and analyze the error of turning products. This paper mainly discusses the three technical content， thinking about how to use simulation technology to improve the quality of CNC turning products

Key Words： Simulatoon technique; CNC turning; Simulation system model;Error compensation

數(shù)控車削加工中，機床、刀具、夾具、加工工藝和加工程序的選擇非常關鍵，它們直接影響數(shù)控車削的加工質量與生產效率。為了有效提高數(shù)控車削加工產品質量，降低對操作人員的技術要求、刀具損耗和原材料消耗，必須從更多方面思考數(shù)控車削加工產品的質量提升方法。

1? 數(shù)控車床仿真技術應用基本理論

1.1 基本概念

數(shù)控車床仿真技術是基于計算機軟件仿真提出的，它通過計算機技術模擬展示實物真實模型，實現(xiàn)這一過程就要經(jīng)歷三個重要環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)，將具有模擬對象性質與相關規(guī)律的應用數(shù)學和物理語言展現(xiàn)出來，并進行具體描述，這是典型的數(shù)理建模過程;第二環(huán)節(jié)，結合計算機具體工作特性，建立數(shù)理模型并表達為適合于快速計算的正確方法，同時要滿足數(shù)據(jù)結構構建過程，該過程被稱為仿真建模;第三環(huán)節(jié)，建立仿真模型并在計算機屏幕中展示圖像、動畫以及專用技術，體現(xiàn)對象分析過程，該過程被稱之為“仿真試驗”或“可視化過程”。在數(shù)控車削加工仿真過程中，需要利用計算機技術明確虛擬加工環(huán)境，例如構建有數(shù)控車床、車床夾具、刀具和工件等組成的虛擬仿真車削系統(tǒng)，驗證數(shù)控車削加工全過程。數(shù)控車削產品仿真加工具有很好的正確性與可靠性，對具體切削過程進行預測，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實際工件試切方式，提高整體切削生產加工質量和效率。在針對數(shù)控加工圖形進行仿真加工過程中要結合二維建模與三維建模兩種形式，在保證三維造型技術成熟的基礎之上，對數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中的三維圖形顯示技術進行分析，基于光照、材質、紋理展示功能等內容，明確數(shù)控車床的基本結構。

1.2 基本結構

對數(shù)控車床的基本結構進行分析，由于數(shù)控設備已經(jīng)提前編寫好程序并存入到系統(tǒng)內存中，因此需要結合數(shù)控裝置執(zhí)行編寫好程序，完成具體的生產加工過程，同時運用數(shù)控仿真技術對設備中的主要結構內容、工作原理進行分析，以上給出具體的數(shù)控車床基本結構框架圖，如圖1。

在構建數(shù)控設備結構過程中，主要希望分析它的信息輸入與輸出裝置，優(yōu)化計算機數(shù)控裝置與伺服系統(tǒng)等諸多部分。要特別關注數(shù)控裝置的設置過程，因為它是整個數(shù)控設備控制的核心部分，它其中采用到了微處理器和小型計算機技術內容，主要通過軟件實現(xiàn)部分或所有數(shù)控技術功能。例如其中就融入了零件程序輸入、微型計算機軟件功能、硬件電路硬件功能、伺服系統(tǒng)以及受控設備。

1.3 數(shù)控車削車床加工

數(shù)控車床在生產車削加工產品過程中利用到高精度、高效率的自動化機床仿真技術，配合數(shù)字信息控制零件就實現(xiàn)了對刀具的有效位移，優(yōu)化機械加工技術應用過程，全面實現(xiàn)了機械高效率化與自動化加工途徑。具體來講，數(shù)控車削車床加工的基本技術流程應該如下：

第一，利用數(shù)控車床進行工件加工。在深入了解零件圖紙后，結合全面分析了解生產零件的具體材料、形狀、尺寸以及精度，確定加工用機床與刀具內容。

第二，確定具體的數(shù)控車削加工工藝路線。在該過程中要詳細分析零件的原始圖樣，并確定好具體的加工零件工裝夾具，明確定位與加工路線，最終選定正確、合理的切削用量等工藝參數(shù)。

第三，確定計算好刀具軌跡的實際坐標值。按照計算好坐標值設計加工路線，最終計算出零件具體工件坐標系的坐標值與刀具中心軌跡。針對某些結構形狀復雜的零件，則需要利用計算機輔助加工系統(tǒng)完成整個車削加工產品設計加工計算過程。

第四，編寫出實用的數(shù)控車削加工程序。在該過程中要提前確定好加工運動順序，按照數(shù)控車床具體要求編制加工程序，并進行加工程序優(yōu)化。

第五，最后要校驗數(shù)控車削加工程序代碼。將具體的加工程序代碼直接錄入到數(shù)控車削加工機床中，同時做好調試與切削運行準備工作。只有這樣才能有效保證所生產產品的加工精度[1]。

2? 數(shù)控車削加工產品質量提升的有效對策

如前言所述，數(shù)控車削加工在實際生產中融入了數(shù)控仿真技術系統(tǒng)，其在產品生產質量提升方面要做好三點工作：過程建模、仿真以及加工誤差分析，以下結合這三點展開分析，并提出數(shù)控車削加工產品質量提升的有效對策。

2.1 構建數(shù)控車削仿真系統(tǒng)生產過程模型

首先要創(chuàng)設數(shù)控車削仿真環(huán)境，使用到VC++編程工具，配合OpenGL開放式圖庫對車削仿真環(huán)境進行優(yōu)化，并繪制出真實有效的三維立體圖形，明確其中具體的切削參數(shù)。在該過程中，要使用具體的預測模型，結合預測的切削變形和切削溫度進行分析，分析加工工件切削變形情況與熱變形情況，消除它們在加工工件過程中所產生的加工誤差。在數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)建設過程中，必須對其工藝數(shù)據(jù)模塊、加工過程仿真模塊以及切削預測模塊進行全盤調整，最后給出車削仿真系統(tǒng)生產架構如圖2。

結合上述系統(tǒng)結構內容進行分析，建立數(shù)控車削過程的物理仿真與幾何仿真技術體系，對物理仿真中涉及零件的精度內容進行分析，了解切削過程中可能出現(xiàn)的變形、振動以及溫度變化問題。這一過程中需要結合系統(tǒng)編譯碼分析刀具刀位數(shù)據(jù)，確保數(shù)控車削在仿真過程中能夠明確加工過程顯示內容，實現(xiàn)NC代碼編譯調整，完全遵照數(shù)控車削仿真系統(tǒng)進行編程，體現(xiàn)技術應用到位。而在加工過程中則需要對數(shù)控車削過程中所產生的毛坯進行切削，確保刀具與車床在運動過程中實現(xiàn)動態(tài)化顯示，合理控制數(shù)控車削仿真過程，保證車削操作到位。在該過程中就運用到OpenGL軟件技術配合雙緩沖技術以實現(xiàn)對車削過程的仿真優(yōu)化。

2.2 構建數(shù)控車削切削力仿真模型

在構建了車削加工生產過程仿真模型后，還需要為數(shù)控車削切削力建立仿真模型。將切削力分解為三個互相垂直的分力，其中包括圓周切削力（主切削力）Fc：在主運動方向上的分力，是影響機床主運動機構、刀具和夾具車削工藝系統(tǒng)的強度和剛性的主要因素。背向力（切深抗力）Fp：垂直于工作平面上的分力，是影響加工精度、表面粗糙度的主要因素。進給力（進給抗力）Ff：進給運動方向上的分力，是影響進給機構強度的主要因素。同時，基于理想狀態(tài)下分析切削力模型建設過程，在構建其仿真模型過程中需要考慮到刀具磨損情況。在現(xiàn)實切削加工過程中需分析刀面在磨損過程中所產生的附加力作用，其中分量表示為：

在上述分量算式中，F(xiàn)mD代表了刀具后刀面磨損時所引起的徑向力（N），F(xiàn)zv代表了由磨損引起的刀具與工件之間所產生的摩擦力（N）， 代表了工件材料產生的布氏硬度值（MPa），VBs代表了刀具后刀面所產生的平均磨損寬度（mm）， 代表了刀具與實際工件之間所產生的滑動摩擦系數(shù)值。

2.3 數(shù)控車削加工誤差及誤差補償分析

分析數(shù)控車床零件加工誤差及誤差補償問題，首先要明確數(shù)控車床的幾何誤差和運動誤差。其中，數(shù)控車床的幾何誤差主要是裝配方面所存在的具體誤差，數(shù)控車床的運動誤差主要是數(shù)控車削過程中由于工件和刀具的相對運動而產生的誤差，幾何誤差與運動誤差就共同構建形成了合成誤差。在優(yōu)化幾何誤差后，對數(shù)控車床運動情況進行分析，并對車床所產生的運動誤差變化值進行深度分析。根據(jù)相關統(tǒng)計結果表示，運動誤差占到數(shù)控車床加工整體誤差的一定值以上（超過60%），因此需要建立誤差數(shù)學模型，準確預測加工質量，然后做好數(shù)控車削加工誤差補償。

最常見的數(shù)控車削加工誤差主要包含了兩大類，分別為：系統(tǒng)誤差和隨機誤差。以典型車削加工工件產品為例，它就包含了工件原始誤差以及工件變形誤差。首先是工件原始誤差，它是指由于工件表面存在缺陷而產生的誤差、內應力作用所產生的誤差以及毛坯余量不均所產生的誤差，這些都屬于隨機誤差。另外就是工件變形誤差，它是指由于工件受到夾緊力導致變形而產生的誤差，亦或者工件在受到切削力變形而產生的誤差，這屬于變值系統(tǒng)誤差。如果按照不同誤差類型產生方式進行分析，合理劃分平移方面誤差與偏移方面誤差，需要基于各種誤差所產生的具體情況進行分析，分解成在水平面產生的誤差和在垂直面產生的誤差。這樣就能夠更為全面的分析問題，將誤差具體變化規(guī)律分解，分別分析補償其中的常值誤差a、方向線性產生的變化誤差k以及伴隨工件主軸轉角線性的變化誤差。在實際加工過程中，需要分析這些誤差并了解不同誤差的組合類型，為隨后誤差補償?shù)於夹g基礎。

針對數(shù)控車削產品加工的誤差補償需要利用到仿真模擬技術，對車床本身的尺寸誤差與表面誤差進行組合分析，調整車削加工誤差分析與控制內容，確保數(shù)控加工誤差實時補償?shù)轿唬嵘a品整體質量與效率，確保機械加工核心問題優(yōu)化到位。在工藝設計階段，要結合NC程序對設計過程中所產生的誤差內容進行分析，然后進行加工補償。另外對切削過程中所存在的誤差進行預測，建立精確可靠模型，為數(shù)控車削產品改進加工精度，提高加工效率，形成虛擬制造預測體系。

在具體的加工誤差補償操作過程中，需要對由切削力所引起的加工變形問題進行分析補償[2-3]。如果刀具發(fā)生了偏移，需要結合變形量對一定比例內容進行回彈分析，以此發(fā)現(xiàn)加工方面所存在的誤差問題。在分析誤差過程中，要了解數(shù)控加工編程中所存在的刀具幾何純剛性指標變化問題，了解其中的力學因素，包括它們對于刀具變形所產生的真實影響，提高工件加工制造精度。在具體的數(shù)控車削加工過程中，還需要對切削力的工件變形問題進行分析，主要是利用修改工件原有的刀位文件進行分析，重新獲得補償后所產生的新刀位文件，更好滿足由于制造精度需求不到位所產生的走刀路徑偏差問題，它的具體刀具補償算法應該包含以下三個步驟[4]：

第一，要參考具體計算結果進行分析，確定不同關鍵控制點（Pi）的具體變形量Si。

第二，要按照具體分析結果對加工工件材料進行分析，提出加工回彈系數(shù)，分析m所獲得的具體變形回彈量內容。

第三，要參考計算公式修正不同控制點（Pi），并同時獲得最新控制點位置（Pi），同時確定 修正系數(shù)，得出以下計算公式為：

如此獲得具體修正值，最終得出真實、具體的刀具路徑。參考刀具路徑的所有數(shù)控內容與加工程序代碼進行進一步編制分析，分析由切削力所引發(fā)的工件變形情況，并做好補償，提高工件整體精度，做好刀具路徑補償，其具體實施流程如圖3[5-6]。

3? 結語

在提高數(shù)控車削加工過程中的仿真技術應用方面，應該確保結合過程建模、仿真以及加工誤差分析與補償提高數(shù)控車削加工產品質量，有效規(guī)避在加工過程中可能產生的受力變形誤差問題，不斷提高數(shù)控車削加工產品整體質量，提高企業(yè)產品生產經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 李蘇芹.數(shù)控車削加工建模及仿真系統(tǒng)設計[D].青島：青島理工大學，2016.

[2] 熊剛.機器人銑削加工的誤差補償和力控制方法研究[D].上海：上海交通大學，2019.

[3] 劉蕾.機械加工中技術性誤差分析及優(yōu)化措施分析[J].科技風，2020（25）：108-109.

[4] 蘭博驍.高速數(shù)控車床動態(tài)性能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[D].天津：河北工業(yè)大學，2015.

[5] 李珂.基于特征建模的數(shù)控車削加工仿真算法研究[D].北京：北京交通大學，2018.

[6] 馬燁萌. 冗余自由度下曲面高速進給數(shù)控加工機床軸運動研究[D].北京：北京交通大學，2016.