廣東省茂名市交通高級(jí)技工學(xué)?！≈x海嬌

數(shù)控機(jī)床在切割時(shí)穩(wěn)定性研究

廣東省茂名市交通高級(jí)技工學(xué)校謝海嬌

提高我國(guó)數(shù)控機(jī)床的創(chuàng)新創(chuàng)造能力至關(guān)重要，眾多的機(jī)床企業(yè)紛紛大力組建創(chuàng)新技術(shù)同盟，協(xié)同提升機(jī)床制造業(yè)整體水平，組建的創(chuàng)新技術(shù)同盟能夠集多家的技術(shù)優(yōu)勢(shì)取長(zhǎng)補(bǔ)短，著力于對(duì)關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸進(jìn)行攻關(guān)，對(duì)新技術(shù)的探索展開(kāi)深度合作。在數(shù)控機(jī)床的技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，對(duì)如何提高數(shù)控機(jī)床切割時(shí)的穩(wěn)定性這一課題一直是眾多技術(shù)攻關(guān)中的研究重點(diǎn)和核心。

數(shù)控機(jī)床；穩(wěn)定性；工業(yè)化標(biāo)志

引言

數(shù)控機(jī)床作為當(dāng)前國(guó)家工業(yè)化的重要組成部分，其研發(fā)實(shí)力在一定程度上反映了國(guó)家工業(yè)化的水平。如何保證數(shù)控機(jī)床在材料切割時(shí)整體的穩(wěn)定性和可靠性一直是研究的熱點(diǎn)。所謂的“穩(wěn)定性”是指給定“產(chǎn)品”在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠可靠完成任務(wù)的能力，“穩(wěn)定性”通常難以用一個(gè)固定的量來(lái)表示，一般情況下需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取合適的數(shù)據(jù)指標(biāo)?！胺€(wěn)定性”是產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中所需要的一些屬性，對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，它本身的“穩(wěn)定性”還存在一定的特殊性，它是集電、氣、化等多種高新技術(shù)于一體的現(xiàn)代化生產(chǎn)性母機(jī)，對(duì)其本身的生產(chǎn)工藝具有一定的要求。數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在極易發(fā)生功能性故障的問(wèn)題。功能性故障是指加工中心刀庫(kù)不轉(zhuǎn)位、不執(zhí)行程序指令、定位不準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不定位以及電氣系統(tǒng)大量故障等，這些故障都是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)和研發(fā)過(guò)程中需要亟待解決的問(wèn)題。

通常來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性主要指機(jī)床在運(yùn)作時(shí)出現(xiàn)故障頻率，故障頻率越低表明穩(wěn)定性越高。高速度、高效率、高精度和高穩(wěn)定性是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢(shì)，很明顯，數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性研究已經(jīng)成為當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的研發(fā)也著力于向高檔次方向發(fā)展，因此，提高數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性在當(dāng)下迫在眉睫，本文正基于此而展開(kāi)研究。

1數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控機(jī)床體系是一種方位形式的操作方式，在進(jìn)行零件加工時(shí)需要根據(jù)加工零件的具體要求進(jìn)行參數(shù)輸入，將輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)換為零件處理程序進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)零件各個(gè)數(shù)據(jù)段采用不同的處理邏輯，把數(shù)據(jù)段插補(bǔ)映射為刀具運(yùn)動(dòng)運(yùn)行軌道，并將映射完成的插補(bǔ)結(jié)果輸出到履帶部件，促使刀具加工出需要的零件。零件加工程序通常包括：零件數(shù)控程序輸入、中間數(shù)據(jù)的預(yù)處理、插補(bǔ)演算和伺服機(jī)構(gòu)的操作。

數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)需要依賴機(jī)床的程序編制，一個(gè)好的程序編制系統(tǒng)能夠很好地帶動(dòng)整個(gè)數(shù)控機(jī)床的性能，其主要包括如下幾個(gè)部分：零件圖樣采樣分析、根據(jù)零件信息（零件的資料信息，形狀尺寸、零件設(shè)計(jì)精度、表面的質(zhì)量、毛坯品種和熱度處理）進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、數(shù)值核算等，根據(jù)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行相關(guān)指令分析，從而開(kāi)展程序指令編寫(xiě)，將編寫(xiě)完成的指令作為制造控制帶的輸入數(shù)據(jù)。值得一提的是，機(jī)床穿孔機(jī)上的數(shù)據(jù)控制帶應(yīng)該經(jīng)過(guò)嚴(yán)格細(xì)心的校正，保證運(yùn)作時(shí)的穩(wěn)定性。

現(xiàn)在為了保障數(shù)控機(jī)床的高效性和穩(wěn)定性，采用內(nèi)置核算機(jī)的方式，這種方式能夠極大限度地將現(xiàn)代計(jì)算的系統(tǒng)性能、自動(dòng)化的控制機(jī)制、創(chuàng)感設(shè)計(jì)和丈量設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的優(yōu)異性結(jié)合起來(lái)，能夠?qū)?shù)控機(jī)床的工藝提升到一個(gè)更高的層次。

可以將核算機(jī)系統(tǒng)劃分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，核算控制系統(tǒng)能夠根據(jù)軟硬件條件合理安排、控制數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和信息輸出等步驟，能夠更大限度地保證數(shù)控機(jī)床的操作穩(wěn)定性，保證材料加工有條不紊地進(jìn)行。

數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，操作者根據(jù)加工零件的圖樣設(shè)計(jì)，編制零件加工程序，大多數(shù)零件加工程序通過(guò)鍵盤(pán)手動(dòng)輸入，同樣也可以由上級(jí)核計(jì)算機(jī)編程控制邏輯組建將零件加工程序通過(guò)外置的輸入輸出接口傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)中。

基于數(shù)控機(jī)床的制造成本較高，當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床的適用對(duì)象主要是中小批量零件以及一些精細(xì)化的材料加工。隨著數(shù)控機(jī)床制造工藝的逐漸成熟和電子元器件成本的下降，尤其是核計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系和微型核計(jì)算機(jī)的逐漸成熟，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，其適用范圍不斷拓展，加工成本不斷降低，加工精度也在不斷提高。數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性研究

數(shù)字控制系統(tǒng)（Numerical Control System）可以簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)，它主要通過(guò)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)字指令和控制程序執(zhí)行相應(yīng)的控制邏輯和數(shù)字運(yùn)算，同時(shí)配備有完善的接口電路和伺服控制服務(wù)設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它能夠通過(guò)數(shù)字、指令和控制邏輯實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)的協(xié)同合作運(yùn)行，同時(shí)保障多臺(tái)機(jī)器的邏輯控制。數(shù)字控制系統(tǒng)的控制程序主要控制速度、角度、時(shí)間、位置等相關(guān)的位置量和機(jī)械度量尺度。

通常而言，完整的數(shù)控系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)三大部分組成。數(shù)控系統(tǒng)的硬件由負(fù)責(zé)輸入輸出的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入指令進(jìn)行插補(bǔ)預(yù)算，通過(guò)發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；位置測(cè)量系統(tǒng)則通過(guò)機(jī)械位置的變化以及速度、時(shí)間等參數(shù)，將捕獲的變化反饋到控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行指令修正和復(fù)原；伺服控制系統(tǒng)則根據(jù)控制系統(tǒng)的控制指令和位置變更系統(tǒng)的機(jī)械位置變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，控制PWM電流驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械按要求運(yùn)動(dòng)。這三部分有機(jī)結(jié)合，組成完整的閉環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的硬件組成通常具備人機(jī)交互能力，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線接口的輸入、輸出功能。伺服系統(tǒng)主要保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)能夠根據(jù)反饋指令的變化適時(shí)地調(diào)整電機(jī)位置，位置測(cè)量系統(tǒng)主要采用長(zhǎng)光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性制約因素可以歸納為以下幾個(gè)方面。

（1）伺服電機(jī)和連接桿之間的接觸松動(dòng)，致使電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與絲桿不同步從而引起尺寸誤差。檢查時(shí)需要在伺服電機(jī)和連接桿之間做好標(biāo)記。在電機(jī)啟動(dòng)和工作時(shí)需要來(lái)回移動(dòng)工作臺(tái)，由于工作臺(tái)質(zhì)量較大加上自身的慣性作用，會(huì)導(dǎo)致連接軸承之間出現(xiàn)明顯的相對(duì)位移，此類故障的處理方法通常是將加工尺寸的方向固定，保證只向一個(gè)方向移動(dòng)并緊固螺絲釘。

（2）滾珠絲杠和螺母之間因?yàn)榻佑|時(shí)間較長(zhǎng)出現(xiàn)接觸凝固，從而導(dǎo)致工作臺(tái)在工作時(shí)阻力明顯增大，無(wú)法精準(zhǔn)地執(zhí)行移動(dòng)指令。此類故障通常表現(xiàn)為零件的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，是接觸時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致的凝固，只需要增加潤(rùn)滑便可解決。

（3）機(jī)床工作臺(tái)（或刀架）中刀片的切割阻力過(guò)大，通常原因是各組件之間的連接條凝合過(guò)緊，機(jī)床的潤(rùn)滑不夠。該故障現(xiàn)象一般表現(xiàn)為零件尺寸在幾絲范圍內(nèi)無(wú)規(guī)則變動(dòng)，只需將鑲條重新調(diào)整并改善導(dǎo)軌潤(rùn)滑即可。

（4）滾動(dòng)軸承磨損或調(diào)整不當(dāng)，造成運(yùn)動(dòng)阻力過(guò)大。該故障現(xiàn)象也通常表現(xiàn)為尺寸在幾絲范圍內(nèi)無(wú)規(guī)則變動(dòng)。通常只需要將磨損嚴(yán)重的軸承進(jìn)行更換并重新調(diào)整刻度即可消除故障。

（5）絲杠間隙或間隙補(bǔ)償量不當(dāng)，通過(guò)調(diào)整間隙或改變間隙補(bǔ)償值就可排除故障。

解決方案：使用水平儀調(diào)整機(jī)床的水平度，打下扎實(shí)的地基，把機(jī)床固定好提高其韌性；選擇合理的工藝和適當(dāng)?shù)那邢鬟M(jìn)給量避免刀具受力讓刀；調(diào)整尾座。

針對(duì)以上數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性因素，可以從以下幾點(diǎn)展開(kāi)研究并著手解決。

（1）通常在加工刀架的底部放置百分表，以系統(tǒng)調(diào)用的方式編輯一個(gè)固定的循環(huán)程序重復(fù)地核算精度，當(dāng)精度出現(xiàn)偏差時(shí)則進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，如有可能則更換軸承，通過(guò)百分表的不斷校正可以保持刀架在正常的軌跡上，并使加工零件能夠準(zhǔn)確回到程序原點(diǎn)進(jìn)行再處理。

（2）快速定位速度太快，為了保證整體的穩(wěn)定性可適當(dāng)調(diào)整GO的速度，使得切割加速度和時(shí)間驅(qū)動(dòng)能夠讓電機(jī)在額定的運(yùn)行功率下正常工作。在出現(xiàn)機(jī)床磨損后產(chǎn)生拖板、絲桿鶴軸承過(guò)緊卡死，則必須重新調(diào)整修復(fù)。刀架更換后出現(xiàn)松動(dòng)則應(yīng)該檢查刀架的反轉(zhuǎn)時(shí)間是否滿足，刀架內(nèi)部的渦旋線杠是否受到磨損，間隙是否過(guò)大，安裝的松緊程度等。如果是程序原因造成的，則必須修改程序，按照工件圖紙要求改進(jìn)，選擇合理的加工工藝，按照說(shuō)明書(shū)的指令要求編寫(xiě)正確的程序；若發(fā)現(xiàn)尺寸偏差太大則要檢查系統(tǒng)參數(shù)是否設(shè)置合理，特別是電子齒輪和步距角等參數(shù)是否被破壞，出現(xiàn)此現(xiàn)象可通過(guò)打百分表測(cè)量。

（3）若各個(gè)部件之間出現(xiàn)共振現(xiàn)象，則應(yīng)該找出共振部件并調(diào)整頻率?？紤]工件材料的加工工藝，合理編制程序；對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，加工速率F不可設(shè)置過(guò)大；機(jī)床是否安裝牢固，放置平穩(wěn)，拖板是否磨損后過(guò)緊，間隙增大或刀架松動(dòng)等；更換同步帶。

3總結(jié)

數(shù)控機(jī)床作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分，提高數(shù)控機(jī)床切割時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率具有至關(guān)重要的作用。數(shù)控機(jī)床開(kāi)展至今已有40多年的歷史，它與電子技能、特別是核算機(jī)技能的開(kāi)展密切相關(guān)，今后必將在更廣泛的范疇內(nèi)使用。

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謝海嬌，1980年6月出生，廣東省茂名市人，學(xué)士，中級(jí)講師，研究方向：機(jī)電一體化（機(jī)械）。