機械加工技術中數控加工的應用

程 黎 龔玉英

（宜興高等職業技術學校，宜興 214200）

利用數控加工技術加工機械工件時，關鍵在于根據機械工件的結構特點確定刀具的選型和運行軌跡，利用數控設備的宏程序或者其他方式完成加工程序的編寫，并且利用模擬和仿真技術核驗加工工藝中刀具、轉臺、工件等運動部分的配合效果，將修正后的數據轉化為數控系統可識別的編碼。加工制造中還要監控數控設備的動態運行效果，全面提高加工的精確性與可靠性。

1 數控加工系統的組成及其在機械加工中的功能

數控加工主要建立在自動化程度較高的數控機床上。從加工復雜程度來看，數控機床可分為低端、中端以及高端。國內在低端數控機床上基本可實現自主設計和生產，但中高端產品依然大量依賴進口。數控加工系統的主要構成分為以下幾個部分。

1.1 數控系統

數控機床的核心控制系統是計算機數字控制機床（Computer Numerical Control，CNC）。在加工機械產品前，要在CNC中完成編碼。設備在后續的作業過程中，需按照預先設定的指令逐一完成操作。CNC在數控加工系統中起到了“大腦”的作用。中高端數控車床最大的設計難度也集中在CNC，有時候CNC的采購成本會占到整個機床的50%。在CNC的指揮系統中，軟件、邏輯電路以及伺服系統共同驅動執行部件完成進給運動，如圖1所示[1]。

圖1 數控系統加工內部流程圖

數控機床實際運行過程中可能會受到各種外部因素的干擾，導致加工零件的輪廓出現誤差。為了確保加工零件的精度符合要求，需要對輪廓誤差進行計算。

借助與距離輪廓較近的軌跡點計算輪廓誤差，公式為

式中：當a=b=c=0時，F(x,y)為一條直線；當c=d=e=0時，F(x,y)為橢圓或者圓；當b=c=0時，F(x,y)為拋物線。利用檢測儀器讀取變量數值，即可判斷F(x,y)的類型，進而得到誤差輪廓準確參數對數控機床加工參數進行校正。

1.2 伺服系統

數控機床在加工機械產品的過程中必須精確控制運動部件的進給量。如果這一參數控制不到位，那么將無法保證機械加工的精度。進給量的控制主要依賴機床上的伺服系統，核心組成為驅動器和驅動電機。伺服系統發揮作用的基本流程是“脈沖信號→驅動電機→角度轉動→帶動機械傳動”。顯然，驅動電機轉動的角度直接影響機械運動部件的操作精度。數字脈沖信號直接轉換的物理量是驅動電機的轉動角度，后續其他物理量都會受到這一角度的影響[2]。因此，機床的機械加工性能主要取決于伺服系統。數控機床上所有執行部件都設計有專門的伺服系統。

1.3 位置反饋系統

數控機床在加工機械產品的過程中需通過位置反饋系統對機械執行部件的進給量、工件的位置信息等進行實時檢測及反饋。該系統中涵蓋了激光測距儀、光柵、旋轉編碼器以及磁柵等。這些檢測裝置測量相關的物理量，將其轉化為電信號，然后由數控裝置接收這些信號量，與系統中預先編碼的機械加工信息進行對比。如果實際測量的位置信息與設計值存在偏差，那么數控系統會發出新的指令，用以調節執行部件的進給量實現糾偏[3]。

1.4 機械執行部件

數控機床可用于執行車削、刨銑、打磨以及鉆孔等一系列機械操作，在數控系統、伺服系統以及位置反饋系統的綜合作用下，按照指令對金屬材料實施特定的加工活動。數控車床主要用于加工制造結構復雜的機械工件或者產品，因此其機械部件在剛度、耐磨性以及精度方面具有顯著優勢。有些數控機床為加工中心，此時各種刀具存放在專門的刀庫中。

2 數控機床在機械加工技術中的應用

現代化的機械產品對加工的復雜度、精密程度以及表面粗糙度控制等提出了很高的技術要求。數控機床的技術在飛速發展，從先進的五軸聯動跨越到更先進的九軸五聯動，從單一的加工類型發展為復合型加工，一臺設備可完成車削、銑及磨等多種加工操作。以下將當前較為先進的五軸聯動數控機床作為分析對象，研究其在機械加工中的具體應用方法[4]。

2.1 五軸聯動數控機床的工作特點

最常見的五軸聯動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和刀具旋轉的回轉軸。機械工件定位在操作臺上后要進行夾緊，在緊固的同時確定其在直角坐標系中的位置。五軸聯動數控機床的刀具可實現各種復雜的擺頭模式，原因在于機床的設計特點。

刀具轉動的同時，固定工件的載臺可同步轉動。這種情況下，刀具和工件之間的相對位置將會呈現復雜的變化。圖2展示了俯垂型擺頭式五軸聯動數控機床機的工作示意圖，其中具有回轉自由度的旋轉軸分別為B、C所在的截面，工件的位置始終不變，而刀具在B、C兩個旋轉軸的帶動下做出復雜的加工，同時工件可沿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動數控機床機械加工示意圖

2.2 數控機械加工的基本工作流程

使用數控機床加工機械產品時，要先分析機械工件的結構特點，在其基礎上確定編碼方案，選擇刀具和刀柄，制定質量控制的基本策略。整個過程要遵循數控機床的應用方法，具體步驟如圖3所示。

圖3 數控機床CMA主動編程基本步驟

2.2.1 分析機械工件的幾何形狀

現代化的機械工件大量運用了復雜的幾何形狀。相對而言，平面工件的加工難度較低，曲面結構的加工難度大幅增加，如葉輪、列車車輪以及螺紋型工件等。分析機械工件幾何形狀（尤其是曲面形狀）的主要目的是計算結構物的數據節點并繪制線條。這些基礎數據對制定后續的加工方案和編寫數控程序指令具有重要的參考價值[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，構造符合其幾何構型的數字化模型。每一個細節部位的具體尺寸也是非常關鍵的加工要素，尤其是曲面結構，常常在很多微小的局部結構上蘊含著豐富的尺寸信息。數控機床依靠編碼指令控制機械部件的進給量、旋轉角度等參數，因此這些尺寸數據為編碼的主要依據。在這一環節需完成如下任務：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量工具；確定編程的坐標系及原點位置；確定各種工件工藝參數和刀具的行走路線。

2.2.3 構建加工部位的模型數據

數控加工中要對待加工的機械部件構建三維幾何立體模型，以便反映機械工件的幾何特點。建模的技術路徑包括3種。第1種，如果是以既有工件為藍本，沒有設計圖紙為依據，要精確測量工件實體，可采用三維多層掃描技術或者三坐標測量機。第2種，利用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）模塊構建模型，可以反映各個部位的幾何尺寸和立體構型，其中這些數據可用作數控加工建模。第3種，利用數控計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）系統生成基本數據，然后通過圖形轉換接口完成數據格式轉換。圖形轉換接口類型多樣，如CADL、STL以及STEP等[7]。

2.2.4 輸入工藝參數

這一步驟實際上完成數控機床的編程工作。高端數控加工中心已經可實現自動化編程，同時支持手工編程。但是，從長遠來看，數控自動編程才是主流趨勢，一方面自動編程的效率、可靠性、準確度等都遠高于人工編程，另一方面一旦工件結構較為復雜，人工方式將難以完成?，F代化數控加工設備的核心是CNC，其自動化計算、設計和編程的能力非常強大。工藝參數包括毛坯材質、毛坯尺寸、刀具類型、刀具材質、刀具尺寸、切削用量、進給速度、切削深度以及主軸轉速等。

2.2.5 刀具軌跡生成及編輯

五軸聯動數控機床基本上實現了自動編程。通過強大的計算能力，系統可依據工件的幾何特點自動計算基點和各類節點。這些節點數據會按照一定的順序排列起來，形成最終的刀位數據。技術人員分析相關軌跡，如果發現其中存在不合理，可通過系統人工交互界面進行編輯修改。

2.2.6 刀具軌跡驗證及仿真

為了提高數控加工的正確率，防止刀具軌跡設計存在失誤，數控加工系統中提供了專門的驗證模塊和仿真模塊。這兩個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證相關設計參數。這種驗證和模擬的功能對提高數控編程設計的正確性具有重要作用。

2.2.7 后置處理

前期形成的刀位數據和數控機床的指令之間存在很大差異，數控機床只能識別特定形式的指令集，因而在后置處理階段，應該將前期的各項數據轉化為數控機床可識別的指令[8]。

2.2.8 輸出加工程序

數控加工的程序可直接存儲在移動式設備中，如U盤、移動硬盤或者穿孔紙帶上，也可打印出來，便于操作人員熟悉相關指令集。最關鍵的步驟是將完成的數控指令集輸入數控系統，使得數據可經由標準數據接口進入CNC。

2.3 數控機床機械加工動態特性測定及調整

五軸聯動數控機床的刀具運行軌跡非常復雜，若刀具在加工金屬材料的過程中與其發生碰撞，會引發振動、偏移等情況，需采取有效的技術措施來檢測并控制其加工動態，及時調整各種不規范的情況。

這一功能主要由刀尖跟隨（Rotation Tool Center Point，RTCP）來實現，也稱為刀尖點跟隨功能。它的工作流程為“開始動態精度測定→旋轉軸測定→計算直線軸之間的不匹配程度→計算旋轉軸和直線軸之間的不匹配程度→對5個軸的強弱程度進行排序→調整伺服系統的工作參數→完成動態精度測定和調整”。這項技術對提高數控加工設備的精度具有重要作用。

3 結語

數控加工技術主要依托于各種類型的數控機床，目前較為先進的設備是高端五軸聯動數控機床、九軸五聯動數控機床等。此類設備在加工機械產品時要先開展工件幾何結構、幾何尺寸分析形成加工工藝，然后對待加工的部件建模，輸入工藝參數、生成刀具運行軌跡，將基礎數據轉化成數控編碼，最后將這些編碼錄入數控機床的數控系統。