摘要：文章為了能夠使普通車床加工精度得到提高，利用數(shù)學(xué)模型的分析及實(shí)驗(yàn)對(duì)普通車削加工過(guò)程中刀具主、副偏對(duì)于被加工件表面質(zhì)量影響進(jìn)行了全面的分析，從而提出了基于回轉(zhuǎn)刀架的三自由度車削加工方法和控制原理，并且利用建模軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架精準(zhǔn)控制方法的建模及仿真。通過(guò)仿真結(jié)果表示，基于回轉(zhuǎn)刀架的三自由度精密車削和控制能夠提高復(fù)雜回轉(zhuǎn)面表面的精度，降低誤差，提高穩(wěn)定性，還能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)復(fù)雜曲面動(dòng)態(tài)變化，整體性比普通車削加工要優(yōu)。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)刀架;三自由度;數(shù)控車削;加工建模仿真

中圖分類號(hào)：TG519.1;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0125-04

數(shù)控加工已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品制造過(guò)程中，包括數(shù)控仿真的使用也較為廣泛。對(duì)傳統(tǒng)NC程序的檢驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，數(shù)控加工仿真的安全性及有效性更高。其能夠利用屬積的數(shù)控機(jī)床切削加工的過(guò)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模和仿真，實(shí)現(xiàn)切削加工全過(guò)程的精準(zhǔn)模擬，從而精準(zhǔn)展現(xiàn)切削過(guò)程中的問(wèn)題，并且通過(guò)反復(fù)修改及測(cè)試，以此調(diào)試數(shù)控機(jī)床及編寫(xiě)數(shù)控程序。其次，實(shí)現(xiàn)數(shù)控切削仿真加工模型的創(chuàng)建，此方面是仿真功能重點(diǎn)[1]?；诖?，對(duì)數(shù)控車削加工建模仿真進(jìn)行全面的分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)和控制方法

1.1 回轉(zhuǎn)刀架和控制

將傳統(tǒng)的刀架作為基礎(chǔ)，設(shè)置渦輪蝸桿傳動(dòng)，并且添加交流伺服，使回轉(zhuǎn)刀架實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。此種回轉(zhuǎn)刀架能夠?qū)?shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和控制，從而使其能夠有效滿足刀具切削點(diǎn)位置的精準(zhǔn)重合及精度需求，從而對(duì)切削加工穩(wěn)定性及精準(zhǔn)度進(jìn)行保證。在實(shí)現(xiàn)切削加工的過(guò)程中，通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)溜板箱和進(jìn)給箱整體在X方向和Y方向做直線的運(yùn)動(dòng)，基于回轉(zhuǎn)臺(tái)安裝回轉(zhuǎn)刀架，刀架通過(guò)渦輪蝸桿裝置能夠基于水平表面實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

將傳感器在兩根蝸桿及絲杠中安裝，收集角位移、角速度收集信息到計(jì)算機(jī)中發(fā)送，計(jì)算機(jī)對(duì)比程序的結(jié)果發(fā)送到伺服系統(tǒng)中。伺服系統(tǒng)在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，能夠?qū)⒚}沖指令發(fā)送到伺服電機(jī)中，調(diào)節(jié)絲杠和蝸桿角位移、轉(zhuǎn)速，從而控制刀具的位置、轉(zhuǎn)角及速度，從而形成了閉環(huán)系統(tǒng)[2]。

1.2 三自由度車削控制理論

在實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角θ導(dǎo)人以后，傳統(tǒng)的X與Y軸2個(gè)自由度數(shù)控車船具有3個(gè)自由度，通過(guò)3個(gè)軸向速度進(jìn)行聯(lián)系，以此能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相互的聯(lián)動(dòng)，從而保證切削刀具位置和姿態(tài)的精度。圖1為轉(zhuǎn)角θ、X和Y軸的速度關(guān)系，比如第一象限，假設(shè)需要加工的工件母線方程設(shè)置為：

F（x，y）=C

其中的t-t，、n-n，都在母線中點(diǎn)P地方切線和法線，刀具在母線任意的點(diǎn)P相對(duì)工件速度表示為Vp，但是V1及Vn指的是刀具在此點(diǎn)中以其切線及法線的方向和速度，在進(jìn)行實(shí)際加工的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)定值。使點(diǎn)P成為F（x，y） =C母線的動(dòng)點(diǎn)，刀具的瞬時(shí)加工狀態(tài)屬于傾斜角及速度的函數(shù)，利用以下公式實(shí)現(xiàn)：

1.3 三自由度車削數(shù)字控制的方法

利用上述三自由度車削控制理論，在本文研究過(guò)程中通過(guò)方法數(shù)字控制原理實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)車削的加工：

1）在實(shí)現(xiàn)加工之前，車窗刀具基于坐標(biāo)原點(diǎn)位置能夠輸入被加工工件母線的曲線方程，通過(guò)被加工工件性質(zhì)、材料的輸入值對(duì)軌跡中的任何點(diǎn)P作為P（x，y，θ）。

2）在任何的點(diǎn)P，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)母線切線傾斜角進(jìn)行計(jì)算：

θ=arctan dy/dx

以加工性質(zhì)輸入值根據(jù)上述公式對(duì)車床刀具中的相對(duì)X和Y坐標(biāo)軸的速度進(jìn)行計(jì)算。

3）每隔一個(gè)插補(bǔ)周期DT中利用積分對(duì)坐標(biāo)位移量和刀具偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算，并且對(duì)X軸和Y軸、回轉(zhuǎn)刀架伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指令參數(shù)的發(fā)送，伺服電機(jī)根據(jù)指令運(yùn)行使刀具能夠運(yùn)動(dòng)[4]。圖l為控制的流程。

2 三自由度數(shù)控車削加工的建模

2.1 建模流程

Pro/E建模的流程為：

1）創(chuàng)建和選擇基準(zhǔn)特征能夠模型空間定位基礎(chǔ)，比如基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面及基準(zhǔn)坐標(biāo)系等，在實(shí)現(xiàn)實(shí)體特征創(chuàng)建的過(guò)程中，要通過(guò)基準(zhǔn)特征作為參考。

2）實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)體特征的創(chuàng)建，比如混合、掃描、拉伸及旋轉(zhuǎn)等。

3）實(shí)現(xiàn)工程特征的創(chuàng)建，比如肋、倒角、孔及拔模等。

4）修改特征，包括特征復(fù)制、陣列等編輯操作。

5）實(shí)現(xiàn)材質(zhì)的添加及渲染處理。

數(shù)控車床主體結(jié)構(gòu)三維建模主要包括機(jī)床、工件、夾具、刀具等[5]。

2.2 機(jī)床模型

通過(guò)Sinumerik840D數(shù)控系統(tǒng)回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控車床的配置為例，其主要包括車身和車身導(dǎo)軌、左右滑鞍、壓板和滑鞍導(dǎo)航等構(gòu)成。在機(jī)床工作的過(guò)程中，滑鞍促使刀架根據(jù)床身進(jìn)行水平工作，刀架根據(jù)滑鞍導(dǎo)軌進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。圖2為回轉(zhuǎn)刀架三自由度數(shù)控車床模型的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出各個(gè)模型備用。在VET中，以機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)組件的創(chuàng)建，并且實(shí)現(xiàn)模型的添加，回轉(zhuǎn)刀架車床運(yùn)動(dòng)軸定義成為X、Z及U、W4個(gè)運(yùn)動(dòng)部，其中的Z組件實(shí)現(xiàn)刀具1的加載，組件W中實(shí)現(xiàn)刀具2的加載，并且到UG中導(dǎo)人模型，將其保存成為機(jī)床文件。

2.3 刀具模型 一般常用的刀具都能夠直接在軟件中創(chuàng)建，設(shè)置相應(yīng)刀具參數(shù)就行，如果刀具較為特殊，那么能夠利用UG創(chuàng)建模型之后轉(zhuǎn)變成為STL格式，之后通過(guò)Verigut進(jìn)行讀入。本文所使用的刀具都具有錐柄，能夠結(jié)合機(jī)床刀具錐孔，刀體的部分屬于回轉(zhuǎn)體，底部屬于拉伸體，通過(guò)刀片、刀頭及壓板等構(gòu)成，因?yàn)榈毒呓Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，那么能夠通過(guò)UG平臺(tái)中創(chuàng)建刀具實(shí)體模型。圖3為刀具的模型結(jié)構(gòu)。

2.4 工件及夾具模型

在實(shí)現(xiàn)毛坯仿真的過(guò)程中，創(chuàng)建毛坯能夠利用自帶圖形生成器實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)橹皇窍抻趫A柱、矩形及圓錐等拉伸體簡(jiǎn)單毛坯。在模型比較復(fù)雜的時(shí)候，能夠通過(guò)vericut中實(shí)現(xiàn)文件的讀人，從而實(shí)現(xiàn)工件的生成。本文中所研究的工作雖然是回轉(zhuǎn)體零件，但是具有復(fù)雜幾何形狀，所以使用UC實(shí)現(xiàn)毛坯模型的創(chuàng)建，使其進(jìn)行存儲(chǔ)。利用三爪卡盤(pán)夾具，將其在機(jī)床主軸中安裝，并且能夠帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)。其屬于能夠調(diào)整的夾具，包括可調(diào)整部分及基礎(chǔ)部分，基礎(chǔ)部分結(jié)合機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，能夠調(diào)整的部分根據(jù)對(duì)工件尺寸的分析實(shí)現(xiàn)調(diào)整范圍的確定，最后使工件夾緊。夾具也利用UG進(jìn)行建模[6]，圖4為工件及夾具的模型結(jié)構(gòu)。

3 裝配的連接

要想對(duì)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并不只是簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)裝配約束，而是要通過(guò)裝配連接。裝配約束指的是零件之間裝配的關(guān)系，一般要實(shí)現(xiàn)多約束條件的設(shè)置，從而對(duì)元件相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)置。Pro/E 一般的約束類型主要包括對(duì)齊、坐標(biāo)系、插入、線上點(diǎn)、相切等九種，能夠利用類型下拉列表進(jìn)行選擇。其次，還具備缺省及固定兩種裝配的約束。裝配連接指的是利用運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)元件、組件之間的裝配，對(duì)兩者的自由度進(jìn)行限制，以此使兩者之間能夠創(chuàng)建確定運(yùn)動(dòng)關(guān)系。那么也就是說(shuō)，常規(guī)裝配對(duì)元件及組件的自由度進(jìn)行了限制。但是元件及組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)要求保留多方向自由度，所以在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)裝配的過(guò)程中利用裝配連接，其能夠度主體自由度限制，還能夠?qū)⑿枰淖杂啥冗M(jìn)行保留，從而產(chǎn)生機(jī)構(gòu)適合運(yùn)動(dòng)類型。

通過(guò)X和Y工作臺(tái)及絲杠X方向運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真具體步驟進(jìn)行說(shuō)明，X和Y工作臺(tái)及絲杠傳動(dòng)原理指的是絲杠螺母副，也就是絲杠根據(jù)自身軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用螺母促進(jìn)工作臺(tái)根據(jù)X方向?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給動(dòng)作。①實(shí)現(xiàn)車身組件的添加，對(duì)缺省進(jìn)行選擇，對(duì)絲杠進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)機(jī)床身上軸承座軸線及絲杠軸線的選擇，使其成為銷釘連接，此步驟也就是使絲杠根據(jù)自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn);②實(shí)現(xiàn)X和Y工作臺(tái)組件的添加，對(duì)絲杠軸線和螺母軸線進(jìn)行選擇，從而使其能夠成為圓柱連接。對(duì)螺母螺紋線中的PNIO點(diǎn)和絲杠螺紋線進(jìn)行選擇，使其能夠成為槽連接。對(duì)螺母中基準(zhǔn)面和相互對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸承座中基準(zhǔn)面進(jìn)行選擇，并且平面連接。如果出現(xiàn)連接組件失敗，就要對(duì)其進(jìn)行重新連接[7]。

4 三自由度數(shù)控車削仿真

圖5為車削加工的仿真界面，圖6為數(shù)控車削加工仿真的流程，在實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工環(huán)境創(chuàng)建之后，對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行選擇，以數(shù)控程序需求對(duì)工件毛坯進(jìn)行初始化，從而設(shè)置必要仿真，之后對(duì)其進(jìn)行仿真。在實(shí)現(xiàn)仿真的過(guò)程中，通過(guò)NC程序?qū)λ屑庸み^(guò)程進(jìn)行控制，比如刀架移動(dòng)、主軸旋轉(zhuǎn)和停止等。還能夠?qū)崿F(xiàn)交互控制，也就是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景平移、旋轉(zhuǎn)及比例的變換，將顯示機(jī)床床身、刀架及卡盤(pán)等組件進(jìn)行隱藏。

4.1 動(dòng)態(tài)仿真模擬

在實(shí)現(xiàn)機(jī)床切割過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真主要包括圓弧插補(bǔ)及支線插補(bǔ)兩種方式。其中的直線插補(bǔ)指的是將需求精度作為基礎(chǔ)，從而使其中的曲線劃分成為多個(gè)支線，將其作為加工刀片運(yùn)動(dòng)軌跡。圓弧插補(bǔ)的方法是指始終將x軸或者v軸以支線的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)對(duì)另外一個(gè)軸的速率進(jìn)行改變，將其成為曲線。通過(guò)solidwork創(chuàng)建兩種方法的針對(duì)性案例，由于支線插補(bǔ)是利用每段直線不同的斜率及x、v軸結(jié)合移動(dòng)的。那么，在平面圖形進(jìn)行加工的過(guò)程中，控制速度要低于圓弧插補(bǔ)方法，提高定位過(guò)程中的精準(zhǔn)度。所以在今后使用過(guò)程中優(yōu)化方案的事后，能夠設(shè)計(jì)直線插補(bǔ)法。

4.2 選擇步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)一般和絲杠相互連接，從而移動(dòng)絲杠的位置。步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中屬于能夠使脈沖信號(hào)朝著機(jī)械角位移控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，其參數(shù)會(huì)影響到加工過(guò)程中的精度及效率，所以選擇步進(jìn)電機(jī)尤為重要。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、脈沖當(dāng)量、最小機(jī)械時(shí)間常數(shù)、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等參數(shù)在加工工件中尤為重要。對(duì)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行選擇，主要包括步距角α、線電阻p、凈轉(zhuǎn)矩、線電感φ、最大空載轉(zhuǎn)速ω及質(zhì)量G。通過(guò)下述計(jì)算能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)是否合適進(jìn)行判斷：

4.2.1 脈沖當(dāng)量

以傳動(dòng)比計(jì)算公式能夠得到脈沖當(dāng)量計(jì)算公式：

4.2.3步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

Tl指的是電動(dòng)機(jī)軸加載總體負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Q指的是軸向轉(zhuǎn)動(dòng)加工臺(tái)力，P指的是絲杠導(dǎo)程，通過(guò)以上數(shù)據(jù)能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)在工作過(guò)程中使用的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效計(jì)算。

如果實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于此電機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，那么表示電機(jī)能夠?qū)⒃镜男枨鬂M足。通過(guò)上述計(jì)算，就能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)中合適電機(jī)進(jìn)行刪選。以此，不僅能夠避免由于選擇電機(jī)的不當(dāng)導(dǎo)致誤差，還能夠合理使用資源，從而提高效率[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真，設(shè)置電機(jī)計(jì)算方案，對(duì)基于目標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。目前，隨著數(shù)控機(jī)床設(shè)備的不斷發(fā)展，其在國(guó)內(nèi)外的使用也不斷的成熟，如何提高使用效率為今后的研究重點(diǎn)，以此能夠降低失誤的幾率。在此發(fā)展方向中，綜合使用PLC及自動(dòng)變成技術(shù)、相應(yīng)算法，能夠有效實(shí)現(xiàn)配套模塊同步優(yōu)化，此為數(shù)控系統(tǒng)研究中的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳芳（1982-），女，碩士研究生，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，工藝設(shè)計(jì)，機(jī)械加工方法等相關(guān)方面的研究。