數(shù)控車床的對刀原理與有效方法分析

摘要：在數(shù)控車床對刀過程中，車床、刀具、夾具及定位基準(zhǔn)、工藝系統(tǒng)等都可能會產(chǎn)生誤差，對產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定影響。因此，誤差是不可避免的，但誤差必須在允許的范圍內(nèi)。通過誤差分析，掌握其變化的基本規(guī)律，從而采取相應(yīng)的措施減少加工誤差，提高加工精度。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；對刀原理；有效方法；誤差

中圖分類號：G712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-1422（2015）08-0094-02

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：王旭（1985-），男，佛山市順德區(qū)鄭敬詒職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)械教研組教師，工學(xué)學(xué)士。研究方向：數(shù)控車削教育。（廣東 佛山/528308） 一、數(shù)控車床概述

裝備制造業(yè)是一個國家發(fā)展工業(yè)，進(jìn)而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是一個國家綜合國力和科技水平的集中體現(xiàn)。所以，加快發(fā)展制造業(yè)對促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)國防建設(shè)具有重要意義。車床是現(xiàn)代加工制造業(yè)的最基本、最重要的生產(chǎn)工具，被稱為工作母機(jī)。隨著世界各國經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步，大型、高端的數(shù)控車床已成為世界各國裝備制造業(yè)的主要工具，在降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)在同行業(yè)中的競爭力方面扮演著重要角色，其綜合性能、數(shù)量是衡量一個國家的工業(yè)化水平和綜合國力的重要標(biāo)志之一。

代表目前車床制造業(yè)最高水平的高架橋式數(shù)控龍門移動五軸聯(lián)動鏜銑加工中心，是集計算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動和高精密加工技術(shù)于一體的高檔精密高效的自動化加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式、受力情況、載荷工況以及靜動態(tài)特性與普通車床不同，所以，要設(shè)計性能優(yōu)良的五軸聯(lián)動龍門加工中心，設(shè)計人員僅僅靠過去的類比法和經(jīng)驗設(shè)計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須借助現(xiàn)代設(shè)計手段和方法。

隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)數(shù)值理論的逐漸完善，有限元設(shè)計分析軟件也進(jìn)一步發(fā)展，目前CAD/CAE技術(shù)在車床制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并引領(lǐng)現(xiàn)代制造技術(shù)向更高層次的發(fā)展。目前，世界上數(shù)控裝備工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，普遍采用有限元建模技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)、仿真技術(shù)以及優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性分析、靜動態(tài)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計，從而提高產(chǎn)品的性能，縮短研發(fā)周期，減少試驗所需費用。

二、數(shù)控車床對刀原理及有效方法分析

車床的發(fā)展經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)簡單、功能單一到結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，功能多樣化、智能化的歷程，因此，對車床的研究包括了機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣，液壓，熱、材料、精度等方面。在結(jié)構(gòu)研究方面，包括對整機(jī)及其主要零部件或結(jié)構(gòu)如床身、立柱、橫梁、主軸箱、主軸、龍門結(jié)構(gòu)等靜態(tài)特性、動態(tài)特性、優(yōu)化、熱特性以及熱-結(jié)構(gòu)耦合、零部件連接方法等方面，研究結(jié)構(gòu)剛度，振型、振動、受力變形，受熱變形以及熱-結(jié)構(gòu)復(fù)合因素對車床對刀加工精度的影響。未來時間里，高速化、高精度化、環(huán)?；⒅悄芑?、復(fù)合化無疑是數(shù)控車床對刀技術(shù)的發(fā)展趨勢。

我國對數(shù)控車床的對刀加工技術(shù)研發(fā)起步較晚，原因是我國的工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，加上西方發(fā)達(dá)國家對我國施行高端車床技術(shù)封鎖。但隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，商業(yè)有限元分析軟件的引進(jìn)，一些高校和研究院所也取得一些成果。國內(nèi)對數(shù)控車床對刀方法的動態(tài)特性研究可按整機(jī)分析和部件分析兩個方面歸納。通過對某車床主要部件的筋板布局方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得出為使車床整機(jī)在不同的工況狀態(tài)下均具有良好的靜/動態(tài)特性，車床主要部件筋板需要采用不同的筋板布局形式。通過靜態(tài)凝聚法和子結(jié)構(gòu)技術(shù)，縮減了整機(jī)計算模型，并保證了低階頻率的精度。此外，還有學(xué)者對數(shù)控車床整機(jī)進(jìn)行動力學(xué)分析時，利用阻抗匹配法對其進(jìn)行動力學(xué)模型，并進(jìn)行了實驗驗證，很好地解決了針對某立式加工中心在設(shè)計階段就能預(yù)測其整機(jī)的綜合特性的問題，并將預(yù)測數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

為確保創(chuàng)建的優(yōu)化分析對刀模型的準(zhǔn)確性和全面性，我國在對某數(shù)控加工車床進(jìn)行優(yōu)化分析時，考慮了導(dǎo)軌與龍門架之間的結(jié)合面這一影響因素，將實測的結(jié)合面的阻尼系數(shù)與彈性系數(shù)作為參數(shù)輸入到了優(yōu)化分析數(shù)學(xué)模型中，以與加工中心的實際情況更加接近。同時提出了從靈敏度的角度進(jìn)行加工中心的優(yōu)化分析，其理念就是找出加工中心的結(jié)構(gòu)對其加工精度的誤差影響最大的因素，也就是最靈敏方向，不僅減輕了對刀加工中心的重量，而且改善了加工中心的動態(tài)特性，取得了較好的對刀優(yōu)化分析效果。

上海交通大學(xué)于1980年通過對車床對刀特性進(jìn)行測定及分析研究，并展開一系列誤差補償研究，提出了“對刀敏感度”和“對刀耦合”概念，并采用有限元分析方法和模態(tài)分析方法分別從時域和頻域兩方面研究了主軸變形的動態(tài)特性，并對傳感器在車床上的多維優(yōu)化布置進(jìn)行了探索。南京航空航天大學(xué)還通過對QLMT6300車床主軸箱變形規(guī)律的研究，并借助有限元軟件得到了主軸箱穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)受力場分布和主軸變形，為車床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和誤差補償提供了理論依據(jù)。還有學(xué)者通過建立基于 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合預(yù)測模型對某一加工中心電主軸誤差機(jī)理進(jìn)行了分析研究，并通過實驗驗證了數(shù)控機(jī)床對刀模型預(yù)測的可靠性。

數(shù)控車床的對刀原理與有效方法分析綜合以上國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看到，目前采用有限元方法對數(shù)控車床建立模型并對其進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)，熱特性分析已成為研究數(shù)控車床對刀技術(shù)的最主要方法。但現(xiàn)有大量的研究主要集中在對車床整機(jī)或關(guān)鍵零件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行單一的靜態(tài)分析、動態(tài)特性分析、熱特性分析和優(yōu)化設(shè)計，對車床整機(jī)、關(guān)鍵零部件或結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性及熱-結(jié)構(gòu)耦合的綜合分析較少，且大部分的熱特性研究都是在車床空轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行。筆者認(rèn)為運用 Pro/Engineer 軟件建立主軸箱三維模型，Altair.HyperWorks 軟件中的HyperMesh 模塊進(jìn)行幾何處理、網(wǎng)格劃分等有限元前處理，利用 ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行靜/動熱特性分析，利用 Altair.HyperWorks 軟件中的 OptiStruct 模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，無疑是當(dāng)前數(shù)控車床對刀操作中行之有效的方法。

三、結(jié)束語

本文對數(shù)控車床加工當(dāng)中易致誤差的原因進(jìn)行分析研究，并從中總結(jié)出一些技術(shù)要點以及注意事項，通過在機(jī)械生產(chǎn)過程中進(jìn)行實踐應(yīng)用，能夠有效地降低誤差，提高了加工的精度，使機(jī)械加工企業(yè)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

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責(zé)任編輯何麗華