基于多維度控制的數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

(1.四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017；2.濟源職業技術學院，河南 濟源 459000)

數控機床在加工階段時狀態數據呈現多樣化以及時序化特征，會影響數控加工精度。要保證加工精度，合理選擇多維度控制數控加工變形控制方式，完成三維空間內部多方向的運動補償就顯得尤為重要。通過分析影響數控加工變形的因素，有針對性地選擇多維度的數控加工變形控制方法，有利于實現高精度和全方位的數控加工變形控制，凸顯整體性。

多維度；數控加工；變形控制方法

近年來，隨著科學技術水平的不斷提高，機械制造技術的更新速度逐漸加快。數控機床是機械制造領域中的核心設備，加工階段數控機床的動態性能會對產品的質量以及生產效率產生直接影響。生產企業要想在市場競爭中占據優勢，必須要保證產品的質量和生產效率，因此，數控機床加工質量和效率的提升顯得尤為關鍵，數控加工變形控制方面的研究也逐漸得到了更多從業者的關注。在數控機床中融合精確預拉伸技術，對絲杠傳動結構進行優化，可解決機床加工過程中容易出現的滾道變形問題，提升數控機床加工的精度和穩定性。

1　數控加工變形影響因素分析

1.1　伺服系統驅動因素

伺服系統是數控機床系統中重要的組成部分，數控機床在實際應用過程中要完成準確定位，需要通過伺服電機驅動控制的滾珠絲杠來實現。如果在加工過程中伺服驅動系統出現問題，會使滾珠絲杠的定位作用無法發揮，因此會嚴重影響數控機床的加工精度[1]。

1.2　車刀參數變動因素

在數控機床的操作過程中，車刀應用是其中十分重要的環節，起著關鍵性作用，直接影響著加工的精度。車刀在應用過程中容易產生工作角度偏差，例如在切削階段，車刀部分會出現主偏角，加工零部件的軸向尺寸在加工過程中也會產生一定偏差，與刀尖圓弧半徑呈現正比關系，主偏角數值逐漸偏大會造成電動軸向尺寸變化，隨之會造成刀尖圓弧半徑逐漸增大。以上情況均會導致車刀參數數值變化，降低數控機床加工精度，情況嚴重時還會造成零件報廢。

1.3　程序運行參數

在數控機床的加工操作階段會涉及到控制系統，控制系統的運行需要嚴格遵循順序性和規范性。如果工作人員在實操階段未遵循程序標準，將無法滿足程序正常運行的參數要求，直接影響數控機床加工效果[2]。

2　多維度控制數控加工變形控制措施分析

2.1　自回歸移動平均模型方式

自回歸移動平均模型方式一般應用在時間序列核心技術中，其對象為非指定數控加工數控時間序列，將一定時刻數值設置為h，取值設置為y，通過對比前幾個時間段參數產生的聯系，同時會聯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、自回歸系數以及移動平均系數等，設置移動平均模型。

2.2　多維時間序列狀態模型以及相應判斷模型

多維時間序列狀態模型是采集和分析數控加工變形參數數據的重要工具，可基于差異化時間段獲取相應檢測結果，根據數控加工時間順序排列方式，可形成數字集。根據參數類型的不同，采樣頻率固定數值點也并不局限于一種，因此數控機床的加工參數可設置為序列矩陣。依據相應分類標準，加工參數可設置成多維時間序列向量，同時融合多維層面上時間序列矩陣，在時間的不斷變化下產生相應改變。在機床參數的時間序列矩陣構建中，可生成加工情況模型，設置為采樣時間跨度序列矩陣幾何，用于描述機床加工變動實際趨勢，同時其歷史狀態可設置為對口的時間窗口矩陣。操作人員通過模型采集相應變形數據，結合模型矩陣，設置統一加工狀態標準，衡量和評估函數數值，通過特征向量以及特征趨勢等標識狀況，可利用數據的差異性判斷數控加工情況。操作人員可根據差異水準，對數控機床加工之間的整體差異性進行判斷，如果加工變形相似度數值較大，加工變形的相似度也會較高，從而實現數控機床加工變形參數多維度數據的有效采集[4]。

2.3　多維度控制誤差補償措施

完成數控加工變形參數數據采集后，并以此作為基礎，采用直線運動補償方式，進行三維空間隨機直線方向的誤差補償；采用圓弧運動補償方式，進行三維空間內部圓弧方向的誤差補償，從而完成多維度的加工變形控制。

(1)直線運動補償。獲取數控加工變形參數數據后，可設置起點和終點坐標，選擇插補點坐標，構成直線以及平面內部投影夾角數值。

(2)圓弧運動補償。根據采集到的數控加工變形參數數據，將圓心角設置成r，重點向量以及P軸之間會形成正向夾角，確定圓弧起點、終點以及圓心坐標。借助上述坐標可有效獲取正向夾角數值等，獲取圓弧弧度以及插補點坐標數值，利用插補點坐標數值實現數控加工變形圓弧運動補償。在加工過程中插入誤差補償工作的目的是使加工工件誤差實際位置回到相應理論位置上，確保加工精確度。在上述坐標基礎上，獲取插補點坐標，通過對比同一坐標點，以差異性的方式對數控加工變形進行補償，相比于傳統方法，應用此種方法可將變形率數值降低2%。對變形方式有效性進行驗證可知，此種方式可實現對工件加工的直線以及圓弧運動補償，能完成工件變形的有效彌補。通過測試控制數控加工變形過程中追蹤到的魯棒性，分析試驗結果可知，在使用上述方法完成誤差補償，迭代次數數值顯示為3時，控制用時數據顯示為2.3分鐘，其中精確預拉伸方式控制用時數值為4.7分鐘，擾動觀測器加工誤差控制方式用時為3.7分鐘，相比于其他方式，采用以上方式用時較短，節省時間顯示為2.4分鐘以及1.4分鐘，能有效縮短數控加工控制用時，可在多種維度上處理數控加工變形問題。

3　多維度數控機床加工變形控制策略

3.1　預拉伸和坯料冷鐓

針對無限位流向要求的相應零件以及多數纖維流向要求的相應零件，一般需將其更改為預拉伸板材后再進行加工，但會在一定程度上增加材料成本。由于板材內部殘余應力較低，采用切削加工方式會造成殘余應力不平衡，容易出現明顯變形。現階段數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構件均使用大量預拉伸板材，通過采用預拉伸，可有效減少加工過程的中變形。針對一些小型的標準緊固件，可采冷鐓工藝，不但可有效提高材料的利用率，還可保證產品表面的光潔度和產品精度。

3.2　合理應用低熔點合金

低熔點合金應用是指在加工過程中將低熔點材料填充在工件腔體內和工藝腔體中，將零件加工成為實心剛性體。加工結束后，通過加熱方式可完成低熔點合金和低熔點填料的三維熔化和回收，實現填料的重復應用。在整個加工過程中加熱溫度數值低，有效避免了對零件材料狀態造成的影響，降低了零件出現變形的可能性，可以用于制造更高精度的復雜薄壁零件。與鑄造比較，低熔點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面，改進零件的加工工藝，提高加工精度。

3.3　做好時效處理工作

振動時效處理的主要作用在于消除、均化以及降低金屬構件的殘余應力，提升工件的抗動載荷變形能力，通過此種方式可提升構件的加工精度。現階段，針對質量較輕的薄壁零件，一般借助智能化多級振動時效工藝和超聲振動工藝來保證加工的精度。借助鋁合金多級振動時效消除應力技術，消除鋁件材料內應力和切削加工過程中產生的內應力，不但可提升工件的加工精度，還可有效縮短加工周期。振動時效實際是借助共振模式對工件增加附加應力，在工作過程中疊加應力以及殘余應力后，使材料達到承受應力的極限，當工件出現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部殘余應力，使尺寸精度數值滿足穩定性的要求。采用多級振動時效技術能自動捕捉工件共振頻率，可徹底消除和均化工件內部的殘余應力，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，其腹板以及側壁壁厚數值為0.8～1.0mm。零件加工主要借助平口鉗夾緊，此種工藝應用時需要將低熔點合金作為腔體填料，在加工過程中無需卸下工件，可直接澆注完成加工。低熔點合金可作為填料保護精加工后的薄壁夾持面，一般應用于加工過程中夾持不規則和易損工件部分。若低熔點合金難以滿足定位和夾持操作過程中的剛性要求，需借助強力夾緊以及壓緊程序，才能繼續開展切削加工，因此可將其作為轉換工藝基準使用，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值，從而確保工件尺寸的精確度。試驗結果顯示，上腔體以及下腔體的側壁厚度數值顯示為0.025mm，上腔體以及下腔體之間數值顯示為0.500mm，腹板厚度數值較為均勻，壁厚差數值顯示為0.030mm，加工質量較好，達到了理想效果。

4　結語

當前，隨著市場經濟的快速發展，機械生產加工企業想要在激烈市場競爭中獲得優勢，必須要保證產品的生產質量和效率。通過分析影響數控加工變形的因素，有針對性地選擇多維度的數控加工變形控制方法，有利于及時解決數控加工變形控制問題，提升數控機床的加工質量和效率，提高企業的生產效率和產品競爭力。

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

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

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

[4] 李晶,郁舒蘭,劉瑋.基于眼動追蹤的數控界面布局認知特性評價[J].計算機輔助設計與圖形學學報,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，主要研究方向為機械工程。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍