羅 蓓

（江蘇省鎮(zhèn)江技師學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

引言

隨著科學技術的發(fā)展與進步，傳統(tǒng)金屬切削加工方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求，數(shù)控機床應運而生。數(shù)控機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，得以廣泛應用。通過融合智能制造技術對機床數(shù)控系統(tǒng)進行完善，能夠有效提升金切機床運行效果，進一步降低生產(chǎn)制造成本?；诖?，對數(shù)控機床系統(tǒng)的體系結構進行優(yōu)化創(chuàng)新。

1 智能制造環(huán)境下金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件及軟件設計分析

1.1 硬件設計

機床是金屬加工的核心設備，傳統(tǒng)的機床受技術水平的限制，無法自主接受命令，也無法感知當前的金屬加工狀態(tài)。通過采用智能化制造技術，金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構能夠確保不同模塊之間的信息共享，實時感知加工零件的基本特征以及相關數(shù)據(jù)[1]。智能制造環(huán)境能夠為體系結構提供必要的數(shù)據(jù)參數(shù)支持，對大量、復雜的加工數(shù)據(jù)進行處理。伴隨著機床系統(tǒng)與智能技術的深度融合，機床系統(tǒng)被賦予了智能化功能，能夠實現(xiàn)對金屬切削加工的全過程感知，能夠結合當前實際加工狀態(tài)，對加工方式、加工參數(shù)等進行調整與優(yōu)化。通過采用相應的傳感技術，能夠準確監(jiān)測金屬切削流程，并進行數(shù)據(jù)反饋，從而實現(xiàn)加工控制系統(tǒng)的運行模式等升級。通過采用智能技術，能夠有效促進金屬加工技術水平提高。通過傳感技術，能夠收集與獲取當前加工過程的實時信息，并傳遞到控制中心，控制中心依據(jù)實際加工情況發(fā)出對應的加工指令，從而實現(xiàn)對金屬切削加工的全過程監(jiān)視與調整，有效避免金屬切削加工出現(xiàn)質量問題。最為重要的是，通過采用具有不同功能的傳感器，能夠實現(xiàn)對加工過程中的不同參數(shù)進行監(jiān)控，有利于控制中心優(yōu)化加工工藝參數(shù)，確保工藝應用符合當前實際情況，提高加工工藝效果，是智能制造技術具有的重要優(yōu)勢[2]。

1.2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括PC控制端操作軟件和下位機軟件。軟件作為智能加工制造的核心控制單元，在傳感器將實時數(shù)據(jù)傳回控制單元后，軟件會驅動控制中心發(fā)出相應的指令，該指令以實時數(shù)據(jù)為基礎，能夠保證指令的準確性。在加工過程中，利用計算機編程技術進行控制，實現(xiàn)控制功能，系統(tǒng)按照編程程序運行。下位機軟件是對運動控制器的硬件與相關組件進行編程的部分，能夠收集來自傳感器模塊的多種數(shù)據(jù)，從而對數(shù)控機床的切削轉速、生產(chǎn)流程以及工藝參數(shù)進行監(jiān)測與控制。

2 金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計關鍵要點分析

切削工藝作為金屬加工中的關鍵環(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計方案中的造型，包括粗加工與精加工兩種不同模式。金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構能夠利用計算機對切削工藝進行控制，通過采用智能化技術、自動化技術等，有效滿足高精度的金屬切削需求。在金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計中，需要明確以下關鍵要點。

2.1 金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)切削程序設定

采用計算機輔助制造技術，結合PLC控制器等，根據(jù)實際加工生產(chǎn)需要，能夠有效提高控制程序的科學性。在數(shù)控機床的切削工藝控制中，要明確加工坐標系、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向速度等，根據(jù)金屬切削制造實際要求，編制科學的切削程序，提高數(shù)控機床的運行控制能力，將傳統(tǒng)復雜的人工操作通過運行程序的方式完成。

2.2 切削刀具切換自動化

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，必須對刀具自動化切換關鍵工藝包括刀具傳動裝置、刀具設計選擇以及刀具切換速度方面進行分析。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，確定最佳的刀具設計選擇方案，并對刀具傳動裝置的速度、力矩以及夾角等方面進行優(yōu)化。最后根據(jù)實際生產(chǎn)精度要求和作業(yè)效率要求，對刀具切換模式進行全面優(yōu)化，有效提高換刀效率，進而促進數(shù)控機床切削加工效率提升，保證金屬切削生產(chǎn)質量，以高標準、高效率、高自動化水平的切削關鍵制造工藝，提高金屬切削整體質量水平[3]。

2.3 切削加工機械臂設計要點

機械臂是數(shù)控機床中的基礎設備，對確保切削加工生產(chǎn)質量和效率發(fā)揮著重要作用，因此，需要對機械臂進行科學設計，避免出現(xiàn)壓力過大或過小的問題，保證機械手臂的兩只機械手所施加的壓力能夠達到均衡狀態(tài)，從而有效提高機械切削生產(chǎn)工藝水平。在本次系統(tǒng)設計中，數(shù)控機床機械臂設計的具體參數(shù)如下表所示。

表1 數(shù)控機床機械臂設計具體參數(shù)

2.4 PLC控制技術

PLC技術在工業(yè)生產(chǎn)領域中具有良好效果，能夠與智能制造技術實現(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，在本次金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計中，主要采用PLC技術作為控制單元，并結合實際加工需求對PLC控制方案進行優(yōu)化，從而保障金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構質量。PLC技術的控制流程較為便利，結合實際生產(chǎn)需求，設定相應的程序指令，并結合加工過程中收集的實時數(shù)據(jù)，就能夠實現(xiàn)全過程智能化控制，不需要人工額外干預。同時，金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構滿足PLC控制技術的應用需求，且不需要設計復雜的電路板。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)編程命令即可自動化完成多項操作，綜合成本較低，控制流程較為簡單，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床數(shù)控系統(tǒng)運行效率與金屬切削加工精確性。

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

根據(jù)金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計方案，結合實際生產(chǎn)需求選擇相應的加工技術，通過計算機對數(shù)控機床進行控制，本次系統(tǒng)設計中采用CAD技術模塊和CAM技術模塊。CAD技術模塊能夠按照加工零部件的現(xiàn)實特征進行處理，CAM技術模塊具有良好的數(shù)控加工處理能力，從而為金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)運行提供了可交互的編程工具，利用計算機對金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的加工制造參數(shù)進行優(yōu)化，有效提升加工制造效率與質量。該技術的基本運行流程為：CAD建模→CAM加工定義→刀位計算與確定→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)場加工。

3.1 加工坐標系構建

在金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構中，通過采用CAD技術，能夠實現(xiàn)對金屬零部件的實體建模，實體建模為數(shù)控機床加工坐標體系構建的基礎，數(shù)控加工刀位源文件的生成是以加工坐標體系為基礎，工作坐標體系和加工坐標體系可以重合，也可以根據(jù)實際生產(chǎn)需求進行定義。數(shù)控機床的坐標系統(tǒng)主要包括坐標系、坐標原點和運動方向，根據(jù)國家規(guī)定標準，標準坐標系需要采用右手直角笛卡爾坐標系進行表現(xiàn)。在對加工坐標系進行定義時，坐標原點位置需要有利于生產(chǎn)人員快速準確對準刀位，并有利于加工過程中更換相應的刀具，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，針對不同刀具加工需求，需要對不同的工藝規(guī)劃方案進行定義。在不根據(jù)結構特點對加工區(qū)域進行劃分的情況下，需要采用籠統(tǒng)的定義，對包含所有加工特點的加工范圍進行定義，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相應的降低，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性較差，整體運行效率較低，還會出現(xiàn)某個區(qū)域走刀路線出現(xiàn)偏差的問題，導致金屬零部件的加工精度不足。在根據(jù)不同結構特征對加工步驟進行逐個區(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性，從而能夠提高產(chǎn)品加工準確性。

3.3 加工刀具定義規(guī)劃

在部分企業(yè)的生產(chǎn)實踐中，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雜，在加工過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、半精加工以及精細加工的基本需求，對數(shù)控機床系統(tǒng)中的加工刀具進行定義。在本次金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的刀具規(guī)劃設計中，粗加工所使用的刀具不需要較高的準確性，主要目的是將多余的材料切除，完成初步加工，精加工對于刀具的精準性要求較高，需要將誤差參數(shù)控制在合理的范圍之內，因此，在數(shù)控機床編程中，粗加工需要選擇大尺寸、大削量的刀具，精加工需要根據(jù)復雜型面產(chǎn)品的機構特點，選擇由針對性的刀具，可以選擇特殊刀具，并加強對刀具切換的程序編程，提高加工刀具工作效率和質量[4]。

3.4 加工路徑規(guī)劃

加工路徑為金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)中刀具的運動軌跡，包括金屬零部件的主要加工內容與加工工序，是金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計中的重要內容，對于加工路徑的精準性要求較高，通過采用傳感器獲取其實際參數(shù)，能夠有效保障加工的準確性。在金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的加工路徑設計中，需要控制加工精度、產(chǎn)品表面粗糙度，并保證數(shù)值計算較為簡單。通過編制程序規(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償

在通過數(shù)控機床進行金屬切削加工時，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。如果誤差過大，會嚴重影響金屬產(chǎn)品加工質量，導致加工完成的金屬零部件在尺寸、精度等參數(shù)方面與設計方案存在差異，故需要采用智能化的誤差補償技術。在伺服系統(tǒng)為半閉環(huán)式的數(shù)控機床系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)在運行過程中由于存在反向間隙誤差，難以實現(xiàn)精準定位，因此，采用誤差補償法進行補償，通過對該伺服系統(tǒng)的程序進行編輯，加入誤差補償功能，實現(xiàn)更高精度的金屬切削加工作業(yè)[5]。例如，在對金屬零部件進行精加工時，對吃刀量的選擇需要結合數(shù)控機床的具體參數(shù)，并考慮到預留精加工余量，數(shù)控機床檢測到該金屬零部件的基本形態(tài)后，結合PLC控制技術的命令，能夠采用相應的誤差補償模式，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量，在實踐應用中效果良好。

4 結語

在科學技術快速發(fā)展的背景下，智能化技術、自動化技術為機械制造行業(yè)的技術創(chuàng)新提供了全新路徑，機械制造技術水平不斷提升，金屬切削數(shù)控機床在智能制造中得以廣泛應用。與傳統(tǒng)的切削技術相比，數(shù)控機床能夠有效提高作業(yè)效率與產(chǎn)品質量。為了進一步提高機床數(shù)控系統(tǒng)的運行效率與穩(wěn)定性，提出了智能制造環(huán)境下金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的的硬件與軟件設計方案，并對關鍵要點進行分析，結合設計方案詳細闡述了金屬切削機床數(shù)控系統(tǒng)的基本運行流程，希望能夠對我國制造業(yè)數(shù)控機床系統(tǒng)設計領域起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高數(shù)控機床設計方案質量，在智能制造環(huán)境下提升我國制造業(yè)發(fā)展水平。