羅 蓓

（江蘇省鎮(zhèn)江技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)金屬切削加工方式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控機(jī)床具有較高的切削精度控制能力，能夠提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率，還能夠節(jié)約更多的人力成本，因此，得以廣泛應(yīng)用。通過(guò)融合智能制造技術(shù)對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行完善，能夠有效提升金切機(jī)床運(yùn)行效果，進(jìn)一步降低生產(chǎn)制造成本?；诖耍瑢?duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。

1 智能制造環(huán)境下金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)分析

1.1 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)床是金屬加工的核心設(shè)備，傳統(tǒng)的機(jī)床受技術(shù)水平的限制，無(wú)法自主接受命令，也無(wú)法感知當(dāng)前的金屬加工狀態(tài)。通過(guò)采用智能化制造技術(shù)，金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能夠確保不同模塊之間的信息共享，實(shí)時(shí)感知加工零件的基本特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。智能制造環(huán)境能夠?yàn)轶w系結(jié)構(gòu)提供必要的數(shù)據(jù)參數(shù)支持，對(duì)大量、復(fù)雜的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。伴隨著機(jī)床系統(tǒng)與智能技術(shù)的深度融合，機(jī)床系統(tǒng)被賦予了智能化功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬切削加工的全過(guò)程感知，能夠結(jié)合當(dāng)前實(shí)際加工狀態(tài)，對(duì)加工方式、加工參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。通過(guò)采用相應(yīng)的傳感技術(shù)，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)金屬切削流程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，從而實(shí)現(xiàn)加工控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式等升級(jí)。通過(guò)采用智能技術(shù)，能夠有效促進(jìn)金屬加工技術(shù)水平提高。通過(guò)傳感技術(shù)，能夠收集與獲取當(dāng)前加工過(guò)程的實(shí)時(shí)信息，并傳遞到控制中心，控制中心依據(jù)實(shí)際加工情況發(fā)出對(duì)應(yīng)的加工指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬切削加工的全過(guò)程監(jiān)視與調(diào)整，有效避免金屬切削加工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。最為重要的是，通過(guò)采用具有不同功能的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加工過(guò)程中的不同參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，有利于控制中心優(yōu)化加工工藝參數(shù)，確保工藝應(yīng)用符合當(dāng)前實(shí)際情況，提高加工工藝效果，是智能制造技術(shù)具有的重要優(yōu)勢(shì)[2]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要包括PC控制端操作軟件和下位機(jī)軟件。軟件作為智能加工制造的核心控制單元，在傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳回控制單元后，軟件會(huì)驅(qū)動(dòng)控制中心發(fā)出相應(yīng)的指令，該指令以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能夠保證指令的準(zhǔn)確性。在加工過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制功能，系統(tǒng)按照編程程序運(yùn)行。下位機(jī)軟件是對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件與相關(guān)組件進(jìn)行編程的部分，能夠收集來(lái)自傳感器模塊的多種數(shù)據(jù)，從而對(duì)數(shù)控機(jī)床的切削轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)流程以及工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

2 金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)分析

切削工藝作為金屬加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要是按照金屬產(chǎn)品的造型需求，利用刀具將較大的金屬坯料切削為設(shè)計(jì)方案中的造型，包括粗加工與精加工兩種不同模式。金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能夠利用計(jì)算機(jī)對(duì)切削工藝進(jìn)行控制，通過(guò)采用智能化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等，有效滿足高精度的金屬切削需求。在金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要明確以下關(guān)鍵要點(diǎn)。

2.1 金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)切削程序設(shè)定

采用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，結(jié)合PLC控制器等，根據(jù)實(shí)際加工生產(chǎn)需要，能夠有效提高控制程序的科學(xué)性。在數(shù)控機(jī)床的切削工藝控制中，要明確加工坐標(biāo)系、零部件切削區(qū)域、加工數(shù)據(jù)、刀具參數(shù)、加工路徑、材料切削量以及主軸轉(zhuǎn)向速度等，根據(jù)金屬切削制造實(shí)際要求，編制科學(xué)的切削程序，提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行控制能力，將傳統(tǒng)復(fù)雜的人工操作通過(guò)運(yùn)行程序的方式完成。

2.2 切削刀具切換自動(dòng)化

刀具切換效率直接影響金屬切削的加工效率和精確性，因此，必須對(duì)刀具自動(dòng)化切換關(guān)鍵工藝包括刀具傳動(dòng)裝置、刀具設(shè)計(jì)選擇以及刀具切換速度方面進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，確定最佳的刀具設(shè)計(jì)選擇方案，并對(duì)刀具傳動(dòng)裝置的速度、力矩以及夾角等方面進(jìn)行優(yōu)化。最后根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)精度要求和作業(yè)效率要求，對(duì)刀具切換模式進(jìn)行全面優(yōu)化，有效提高換刀效率，進(jìn)而促進(jìn)數(shù)控機(jī)床切削加工效率提升，保證金屬切削生產(chǎn)質(zhì)量，以高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高自動(dòng)化水平的切削關(guān)鍵制造工藝，提高金屬切削整體質(zhì)量水平[3]。

2.3 切削加工機(jī)械臂設(shè)計(jì)要點(diǎn)

機(jī)械臂是數(shù)控機(jī)床中的基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)確保切削加工生產(chǎn)質(zhì)量和效率發(fā)揮著重要作用，因此，需要對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)壓力過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題，保證機(jī)械手臂的兩只機(jī)械手所施加的壓力能夠達(dá)到均衡狀態(tài)，從而有效提高機(jī)械切削生產(chǎn)工藝水平。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)控機(jī)床機(jī)械臂設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下表所示。

表1 數(shù)控機(jī)床機(jī)械臂設(shè)計(jì)具體參數(shù)

2.4 PLC控制技術(shù)

PLC技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中具有良好效果，能夠與智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度融合，從而為金屬切削提供更加穩(wěn)定、安全的控制方式。因此，在本次金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要采用PLC技術(shù)作為控制單元，并結(jié)合實(shí)際加工需求對(duì)PLC控制方案進(jìn)行優(yōu)化，從而保障金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)質(zhì)量。PLC技術(shù)的控制流程較為便利，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)定相應(yīng)的程序指令，并結(jié)合加工過(guò)程中收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程智能化控制，不需要人工額外干預(yù)。同時(shí)，金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)滿足PLC控制技術(shù)的應(yīng)用需求，且不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路板。綜合以上情況可以看出，將控制器接入到PLC控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)編程命令即可自動(dòng)化完成多項(xiàng)操作，綜合成本較低，控制流程較為簡(jiǎn)單，具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，能夠全面提升金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行效率與金屬切削加工精確性。

3 智能制造環(huán)境下金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的具體應(yīng)用

根據(jù)金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求選擇相應(yīng)的加工技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用CAD技術(shù)模塊和CAM技術(shù)模塊。CAD技術(shù)模塊能夠按照加工零部件的現(xiàn)實(shí)特征進(jìn)行處理，CAM技術(shù)模塊具有良好的數(shù)控加工處理能力，從而為金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行提供了可交互的編程工具，利用計(jì)算機(jī)對(duì)金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的加工制造參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效提升加工制造效率與質(zhì)量。該技術(shù)的基本運(yùn)行流程為：CAD建?！鶦AM加工定義→刀位計(jì)算與確定→加工刀位源文件→金屬切削仿真→數(shù)控代碼整理→程序輸入→金屬零部件現(xiàn)場(chǎng)加工。

3.1 加工坐標(biāo)系構(gòu)建

在金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，通過(guò)采用CAD技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬零部件的實(shí)體建模，實(shí)體建模為數(shù)控機(jī)床加工坐標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)，數(shù)控加工刀位源文件的生成是以加工坐標(biāo)體系為基礎(chǔ)，工作坐標(biāo)體系和加工坐標(biāo)體系可以重合，也可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行定義。數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng)主要包括坐標(biāo)系、坐標(biāo)原點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系需要采用右手直角笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行表現(xiàn)。在對(duì)加工坐標(biāo)系進(jìn)行定義時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)位置需要有利于生產(chǎn)人員快速準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)刀位，并有利于加工過(guò)程中更換相應(yīng)的刀具，提高加工效率。

3.2 加工區(qū)域規(guī)劃

在不同的加工步驟中具有不同的特點(diǎn)，針對(duì)不同刀具加工需求，需要對(duì)不同的工藝規(guī)劃方案進(jìn)行定義。在不根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行劃分的情況下，需要采用籠統(tǒng)的定義，對(duì)包含所有加工特點(diǎn)的加工范圍進(jìn)行定義，這種方式下加工區(qū)域劃分工作量較少，數(shù)控加工編程工作量也會(huì)相應(yīng)的降低，從而能夠提高編程工作效率，但是所生產(chǎn)的控制編程程序針對(duì)性較差，整體運(yùn)行效率較低，還會(huì)出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域走刀路線出現(xiàn)偏差的問(wèn)題，導(dǎo)致金屬零部件的加工精度不足。在根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特征對(duì)加工步驟進(jìn)行逐個(gè)區(qū)域劃分的情況下，雖然劃分工作量和編程工作量提高，但是能夠使編程程序更有針對(duì)性，從而能夠提高產(chǎn)品加工準(zhǔn)確性。

3.3 加工刀具定義規(guī)劃

在部分企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，金屬材料加工難度較高，金屬零部件產(chǎn)品的造型要求較為復(fù)雜，在加工過(guò)程中需要將大量的多余金屬材料切除，為此需要按照粗加工、半精加工以及精細(xì)加工的基本需求，對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中的加工刀具進(jìn)行定義。在本次金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的刀具規(guī)劃設(shè)計(jì)中，粗加工所使用的刀具不需要較高的準(zhǔn)確性，主要目的是將多余的材料切除，完成初步加工，精加工對(duì)于刀具的精準(zhǔn)性要求較高，需要將誤差參數(shù)控制在合理的范圍之內(nèi)，因此，在數(shù)控機(jī)床編程中，粗加工需要選擇大尺寸、大削量的刀具，精加工需要根據(jù)復(fù)雜型面產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，選擇由針對(duì)性的刀具，可以選擇特殊刀具，并加強(qiáng)對(duì)刀具切換的程序編程，提高加工刀具工作效率和質(zhì)量[4]。

3.4 加工路徑規(guī)劃

加工路徑為金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，包括金屬零部件的主要加工內(nèi)容與加工工序，是金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，對(duì)于加工路徑的精準(zhǔn)性要求較高，通過(guò)采用傳感器獲取其實(shí)際參數(shù)，能夠有效保障加工的準(zhǔn)確性。在金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的加工路徑設(shè)計(jì)中，需要控制加工精度、產(chǎn)品表面粗糙度，并保證數(shù)值計(jì)算較為簡(jiǎn)單。通過(guò)編制程序規(guī)劃出最短的金屬切削路徑，并保證空程量較低，是提高金屬切削路徑編程效果的有效方式。

3.5 金屬切削加工誤差補(bǔ)償

在通過(guò)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行金屬切削加工時(shí)，雖然加工精度得到很大提升，但是加工誤差依然是不可避免的。如果誤差過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響金屬產(chǎn)品加工質(zhì)量，導(dǎo)致加工完成的金屬零部件在尺寸、精度等參數(shù)方面與設(shè)計(jì)方案存在差異，故需要采用智能化的誤差補(bǔ)償技術(shù)。在伺服系統(tǒng)為半閉環(huán)式的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中由于存在反向間隙誤差，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，采用誤差補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)對(duì)該伺服系統(tǒng)的程序進(jìn)行編輯，加入誤差補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)更高精度的金屬切削加工作業(yè)[5]。例如，在對(duì)金屬零部件進(jìn)行精加工時(shí)，對(duì)吃刀量的選擇需要結(jié)合數(shù)控機(jī)床的具體參數(shù)，并考慮到預(yù)留精加工余量，數(shù)控機(jī)床檢測(cè)到該金屬零部件的基本形態(tài)后，結(jié)合PLC控制技術(shù)的命令，能夠采用相應(yīng)的誤差補(bǔ)償模式，將金屬切削誤差降低，保證加工精度，提升金屬零部件切削加工質(zhì)量，在實(shí)踐應(yīng)用中效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智能化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)為機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新提供了全新路徑，機(jī)械制造技術(shù)水平不斷提升，金屬切削數(shù)控機(jī)床在智能制造中得以廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的切削技術(shù)相比，數(shù)控機(jī)床能夠有效提高作業(yè)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性，提出了智能制造環(huán)境下金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的的硬件與軟件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)計(jì)方案詳細(xì)闡述了金屬切削機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本運(yùn)行流程，希望能夠?qū)ξ覈?guó)制造業(yè)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方案質(zhì)量，在智能制造環(huán)境下提升我國(guó)制造業(yè)發(fā)展水平。