王紅雨
(鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450000)
近些年來,機械制造技術(shù)得到了大力發(fā)展,在此環(huán)境下,如何提高機械加工零件的質(zhì)量和精度也已成為現(xiàn)階段亟需解決的問題[1]。但隨著金屬材料的多樣化,其屬性更加豐富,通過降低應(yīng)力變形的方式實現(xiàn)該目標已經(jīng)不具有現(xiàn)實意義,同時經(jīng)濟上也對其有著一定的制約作用[2]。影響加工質(zhì)量和精度的因素有很多,但在這其中,數(shù)控機床的運行參數(shù)是關(guān)鍵部分[3]。已有學(xué)者對機械加工控制方法進行研究,其中,文獻[4]提出建立基于多體理論的機床空間位置精度保持性評價模型[4]。在調(diào)查錯誤原因的基礎(chǔ)上,使用SOBOL全局靈敏度分析方法分析每個錯誤項的強度。文獻[5]提出現(xiàn)代機械制造工藝及精密加工技術(shù)研究[5]。在對現(xiàn)代機械制造工藝與精密加工技術(shù)的概念和共同點研究的基礎(chǔ)上,分析了電阻焊,氣體保護焊接工藝,以及精密的切削、研磨、拋光技術(shù)。文獻[6]提出鈦合金鈑金件脈沖電流輔助熱壓成形精度控制[6]。以TC1鈦合金U型件為對象,研究了脈沖電流輔助熱壓成形工藝對其缺陷,精度及性能的影響,通過補償熱量損失的方式,使材料保持在良好的成形溫度區(qū)間,提高零件表面質(zhì)量,在成形過程中,隨著壓力,時間,溫度的升高,零件的尺寸精度也逐漸得到提高。上述方法均做出了一定的研究價值,但對于反向間隙補償效果仍存在進一步提升的空間。
基于此,本文提出機械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究。通過對引起加工質(zhì)量及精度問題的誤差源進行精準辨識,對其數(shù)控機床機械加工時的運行參數(shù)進行合理控制和補償,提高其加工效果。
在控制已加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度之前,有必要找出CNC機床上已加工金屬材料表面的誤差源[7]。因此,本文首先建立一個CNC機床的3D模型,從基準坐標系開始,對CNC機床的部件編號,然后使用4×4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣創(chuàng)建CNC機床的模型。
式中,Wi數(shù)值所表示的為空間任意一點坐標,λ示此數(shù)值為原始數(shù)據(jù)坐標,Ji表示坐標系i相對于坐標系Wi的旋轉(zhuǎn)角度。
使用空間模型來描述和描述機械加工機床空間位置的關(guān)系,這為對機床加工的金屬材料表面上的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分析提供了基礎(chǔ)。
在上述基礎(chǔ)上,本文基于目標補償法原理[8],利用數(shù)據(jù)來控制數(shù)控機床機械加工及預(yù)處理過程,將其正向的偏差值設(shè)為參數(shù)Xa,平均位置的偏差模型可以用下列公式所表示式中,γ表示負向位置偏差,為目標位置,表示數(shù)控機床機械加工金屬材料表面源數(shù)據(jù)。
由于在目標補償方法中每個目標點都存在游隙,因此估計單個目標前進位置目標點的不確定性,其可以表示為
式中,Ca表示重復(fù)位參數(shù),表示位目標點,表示負向重復(fù)位參數(shù),X和x兩個參數(shù)分別所表示為偏差數(shù)值。
根據(jù)上述所列出的公式(3)中可知,所提出的單個目標不確定評估值以下列公式所表示
式中,-N參數(shù)所表示的是目標點的負向,xN和x-N兩種參數(shù)分別表示單項參數(shù)與雙向參數(shù)兩個標準點。
根據(jù)上述計算,完成對誤差源進行辨識,為數(shù)控機床機械加工金屬材料表面的質(zhì)量和精度控制提供依據(jù)。
在上述基礎(chǔ)上,以誤差源為目標,將機床螺距補償誤差值作為控制對象,對機床螺距進行控制約束,以此對數(shù)控機床機械加工金屬材料表面質(zhì)量進行控制。控制過程如圖1所示。
圖1 機械加工金屬材料表面精度控制過程
在控制過程中,首先,使用目標補償方法來確保機器各軸的速度和加速度的最佳范圍,以及在單周期補償后在線記錄和評估CNC機器的變化;在此基礎(chǔ)上,確定目標補償方法所需的閾值,設(shè)置過程如圖2所示;
圖2 閾值設(shè)定流程圖
通過設(shè)置閾值的方式,對數(shù)控機床的參數(shù)進行有效控制,以此為基礎(chǔ)進行螺距控制,降低其振蕩范圍,對引起質(zhì)量問題的誤差源的運行參數(shù)進行約束,實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。
在上述基礎(chǔ)上,要實現(xiàn)對金屬材料表面精度更高的控制要求,需要對設(shè)備運行參數(shù)進行補償。在以質(zhì)量要求為閾值基礎(chǔ)上,通過反向間隙補償?shù)姆绞酵瓿蓪?shù)補償,因此,可以控制在機械上加工的金屬材料表面的精度??刂七^程如圖3所示。
圖3 機械加工金屬材料表面質(zhì)量控制過程
假設(shè)機床加工金屬材料表面的總補償目標為Bi,閾值約束實現(xiàn)補償距離為Bn,當剩余補償量B等于目標補償量與當前補償量之差時,機器速度控制公式如下:
式中,v表示數(shù)控機床的進給速度,Δ表示最大加速度,aγ表示勻速經(jīng)過一個周期的距離,Bv表示數(shù)控加工機床一個周期的速度變化量。
通過上述公式,在設(shè)置的閾值范圍內(nèi),使數(shù)控機床在初始速度為v的基礎(chǔ)上,加速到一定水平后,它減小到0。因此,控制機械加工過程以減少機床振動并達到一定程度的控制精度。在此基礎(chǔ)上,采用目標補償法,根據(jù)機床的游隙補償角度,對數(shù)控機床加工的金屬材料的表面精度進行控制。加速后估算機床速度的系數(shù)為。
式中,YA 表示速度判斷因子,Lt表示加速一個周期所走的距離,表示設(shè)備勻速走過的距離。若V <,則認為速度足夠小,若接近0,則無需補償。通過以上計算,控制了數(shù)控機床的復(fù)數(shù)補償值,完成了由數(shù)控機床加工的金屬材料的表面精度控制。
為測試本文設(shè)計方法的實際應(yīng)用性能,進行了試驗測試。同時,為了提高對測試結(jié)果的指標分析,分別采用文獻[5]提出的機械精密加工技術(shù)和文獻[5]提出的通過脈沖電流輔助熱壓成形精度控制同時進行試驗測試。
(1)實驗環(huán)境。本文以某機械加工廠的生產(chǎn)車間為實驗對象,在該車間內(nèi),使用的數(shù)控機床為CK6125I 型號,控制系統(tǒng)為廣數(shù) GSK980T 系統(tǒng),床座類型為整體床座。主要用于金屬材料的加工。在此環(huán)境下,設(shè)置生產(chǎn)螺絲孔金屬產(chǎn)品100件,產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)如表1所示,并分別采用三種控制方法對其加工過程進行控制,并對比其生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)情況。
表1 機械加工產(chǎn)品參數(shù)表
(2)在上述實驗環(huán)境下,首先對三種方法下的產(chǎn)品實際參數(shù)誤差進行比較,本文以平均參數(shù)差異情況作為指標,得到的結(jié)果如表2所示。
表2 不同方法的機械加工誤差對比表
通過對比表2中的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在三種機械加工方法下,本文方法的產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)定值的差異最小,穩(wěn)定在0.02mm以內(nèi),明顯優(yōu)于文獻[5]和文獻[6]方法。這主要是因為采用目標補償?shù)姆绞剑瑢υO(shè)備參數(shù)進行有效控制,以此實現(xiàn)了改善其生產(chǎn)精度,提高產(chǎn)品的質(zhì)量的目的。在此基礎(chǔ)上,分別對比了三種加工方式下,合格率和返工率以及廢品率進行比較,其結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同方法的質(zhì)量控制結(jié)果
通過分析圖3可知,在三種加工方式下,本文方法的合格率可達到95%以上,且廢品率和返工率都在5%以內(nèi),這也從側(cè)面說明了產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量和精度標準。
隨著工業(yè)化程度的不斷加深,對于工業(yè)生產(chǎn)的要求也越來越高,因此,要實現(xiàn)在激烈的競爭中完成企業(yè)的發(fā)展,必須從自身出發(fā),以優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品作為核心,激發(fā)市場占有率。本文提出機械加工過程中金屬材料表面質(zhì)量及精度控制研究,實現(xiàn)了對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的有效保障。通過該研究,以期能夠為實際的生產(chǎn)加工活動提供有價值的參考。