基于仿真技術(shù)提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量的探討

劉振強(qiáng)

摘? 要：數(shù)控車削加工是現(xiàn)代數(shù)控加工中使用最廣泛、最基本的加工方法，為不斷提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)研究和實(shí)施了很多有效的方法和措施?；诜抡婕夹g(shù)提高數(shù)控車削產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：過程建模、仿真以及加工誤差分析。為了全面反映數(shù)控車削加工核心本質(zhì)內(nèi)容，需要結(jié)合上述三個(gè)方面展開，構(gòu)建數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)模型，并對(duì)其車削加工產(chǎn)品的誤差進(jìn)行補(bǔ)償分析。本文主要探討這三點(diǎn)技術(shù)內(nèi)容，思考如何利用仿真技術(shù)提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量的具體方法。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)? 數(shù)控車削加工? 仿真系統(tǒng)模型? 誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（b）-0088-04

Discussion on Improving the Quality of NC Turning Products based on Simulation Technology

LIU Zhenqiang

（Tianjin First Light Industry School， Tianjin， 300232 China）

Abstract： CNC turning is the most widely used and basic processing method in modern NC machining. In order to improve the quality of NC turning products， many effective methods and measures have been studied and implemented. The key to improve the quality of NC turning products based on simulation technology is mainly reflected in three aspects： process modeling， simulation and machining error analysis. In order to fully reflect the core essence of NC turning， it is necessary to build a simulation system model of NC turning and analyze the error of turning products. This paper mainly discusses the three technical content， thinking about how to use simulation technology to improve the quality of CNC turning products

Key Words： Simulatoon technique; CNC turning; Simulation system model;Error compensation

數(shù)控車削加工中，機(jī)床、刀具、夾具、加工工藝和加工程序的選擇非常關(guān)鍵，它們直接影響數(shù)控車削的加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率。為了有效提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量，降低對(duì)操作人員的技術(shù)要求、刀具損耗和原材料消耗，必須從更多方面思考數(shù)控車削加工產(chǎn)品的質(zhì)量提升方法。

1? 數(shù)控車床仿真技術(shù)應(yīng)用基本理論

1.1 基本概念

數(shù)控車床仿真技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)軟件仿真提出的，它通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬展示實(shí)物真實(shí)模型，實(shí)現(xiàn)這一過程就要經(jīng)歷三個(gè)重要環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)，將具有模擬對(duì)象性質(zhì)與相關(guān)規(guī)律的應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理語言展現(xiàn)出來，并進(jìn)行具體描述，這是典型的數(shù)理建模過程;第二環(huán)節(jié)，結(jié)合計(jì)算機(jī)具體工作特性，建立數(shù)理模型并表達(dá)為適合于快速計(jì)算的正確方法，同時(shí)要滿足數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程，該過程被稱為仿真建模;第三環(huán)節(jié)，建立仿真模型并在計(jì)算機(jī)屏幕中展示圖像、動(dòng)畫以及專用技術(shù)，體現(xiàn)對(duì)象分析過程，該過程被稱之為“仿真試驗(yàn)”或“可視化過程”。在數(shù)控車削加工仿真過程中，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)明確虛擬加工環(huán)境，例如構(gòu)建有數(shù)控車床、車床夾具、刀具和工件等組成的虛擬仿真車削系統(tǒng)，驗(yàn)證數(shù)控車削加工全過程。數(shù)控車削產(chǎn)品仿真加工具有很好的正確性與可靠性，對(duì)具體切削過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)際工件試切方式，提高整體切削生產(chǎn)加工質(zhì)量和效率。在針對(duì)數(shù)控加工圖形進(jìn)行仿真加工過程中要結(jié)合二維建模與三維建模兩種形式，在保證三維造型技術(shù)成熟的基礎(chǔ)之上，對(duì)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中的三維圖形顯示技術(shù)進(jìn)行分析，基于光照、材質(zhì)、紋理展示功能等內(nèi)容，明確數(shù)控車床的基本結(jié)構(gòu)。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)控車床的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于數(shù)控設(shè)備已經(jīng)提前編寫好程序并存入到系統(tǒng)內(nèi)存中，因此需要結(jié)合數(shù)控裝置執(zhí)行編寫好程序，完成具體的生產(chǎn)加工過程，同時(shí)運(yùn)用數(shù)控仿真技術(shù)對(duì)設(shè)備中的主要結(jié)構(gòu)內(nèi)容、工作原理進(jìn)行分析，以上給出具體的數(shù)控車床基本結(jié)構(gòu)框架圖，如圖1。

在構(gòu)建數(shù)控設(shè)備結(jié)構(gòu)過程中，主要希望分析它的信息輸入與輸出裝置，優(yōu)化計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置與伺服系統(tǒng)等諸多部分。要特別關(guān)注數(shù)控裝置的設(shè)置過程，因?yàn)樗钦麄€(gè)數(shù)控設(shè)備控制的核心部分，它其中采用到了微處理器和小型計(jì)算機(jī)技術(shù)內(nèi)容，主要通過軟件實(shí)現(xiàn)部分或所有數(shù)控技術(shù)功能。例如其中就融入了零件程序輸入、微型計(jì)算機(jī)軟件功能、硬件電路硬件功能、伺服系統(tǒng)以及受控設(shè)備。

1.3 數(shù)控車削車床加工

數(shù)控車床在生產(chǎn)車削加工產(chǎn)品過程中利用到高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床仿真技術(shù)，配合數(shù)字信息控制零件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具的有效位移，優(yōu)化機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用過程，全面實(shí)現(xiàn)了機(jī)械高效率化與自動(dòng)化加工途徑。具體來講，數(shù)控車削車床加工的基本技術(shù)流程應(yīng)該如下：

第一，利用數(shù)控車床進(jìn)行工件加工。在深入了解零件圖紙后，結(jié)合全面分析了解生產(chǎn)零件的具體材料、形狀、尺寸以及精度，確定加工用機(jī)床與刀具內(nèi)容。

第二，確定具體的數(shù)控車削加工工藝路線。在該過程中要詳細(xì)分析零件的原始圖樣，并確定好具體的加工零件工裝夾具，明確定位與加工路線，最終選定正確、合理的切削用量等工藝參數(shù)。

第三，確定計(jì)算好刀具軌跡的實(shí)際坐標(biāo)值。按照計(jì)算好坐標(biāo)值設(shè)計(jì)加工路線，最終計(jì)算出零件具體工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)值與刀具中心軌跡。針對(duì)某些結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件，則需要利用計(jì)算機(jī)輔助加工系統(tǒng)完成整個(gè)車削加工產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工計(jì)算過程。

第四，編寫出實(shí)用的數(shù)控車削加工程序。在該過程中要提前確定好加工運(yùn)動(dòng)順序，按照數(shù)控車床具體要求編制加工程序，并進(jìn)行加工程序優(yōu)化。

第五，最后要校驗(yàn)數(shù)控車削加工程序代碼。將具體的加工程序代碼直接錄入到數(shù)控車削加工機(jī)床中，同時(shí)做好調(diào)試與切削運(yùn)行準(zhǔn)備工作。只有這樣才能有效保證所生產(chǎn)產(chǎn)品的加工精度[1]。

2? 數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量提升的有效對(duì)策

如前言所述，數(shù)控車削加工在實(shí)際生產(chǎn)中融入了數(shù)控仿真技術(shù)系統(tǒng)，其在產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量提升方面要做好三點(diǎn)工作：過程建模、仿真以及加工誤差分析，以下結(jié)合這三點(diǎn)展開分析，并提出數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量提升的有效對(duì)策。

2.1 構(gòu)建數(shù)控車削仿真系統(tǒng)生產(chǎn)過程模型

首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)數(shù)控車削仿真環(huán)境，使用到VC++編程工具，配合OpenGL開放式圖庫對(duì)車削仿真環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，并繪制出真實(shí)有效的三維立體圖形，明確其中具體的切削參數(shù)。在該過程中，要使用具體的預(yù)測(cè)模型，結(jié)合預(yù)測(cè)的切削變形和切削溫度進(jìn)行分析，分析加工工件切削變形情況與熱變形情況，消除它們?cè)诩庸すぜ^程中所產(chǎn)生的加工誤差。在數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)建設(shè)過程中，必須對(duì)其工藝數(shù)據(jù)模塊、加工過程仿真模塊以及切削預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行全盤調(diào)整，最后給出車削仿真系統(tǒng)生產(chǎn)架構(gòu)如圖2。

結(jié)合上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容進(jìn)行分析，建立數(shù)控車削過程的物理仿真與幾何仿真技術(shù)體系，對(duì)物理仿真中涉及零件的精度內(nèi)容進(jìn)行分析，了解切削過程中可能出現(xiàn)的變形、振動(dòng)以及溫度變化問題。這一過程中需要結(jié)合系統(tǒng)編譯碼分析刀具刀位數(shù)據(jù)，確保數(shù)控車削在仿真過程中能夠明確加工過程顯示內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)NC代碼編譯調(diào)整，完全遵照數(shù)控車削仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程，體現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到位。而在加工過程中則需要對(duì)數(shù)控車削過程中所產(chǎn)生的毛坯進(jìn)行切削，確保刀具與車床在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化顯示，合理控制數(shù)控車削仿真過程，保證車削操作到位。在該過程中就運(yùn)用到OpenGL軟件技術(shù)配合雙緩沖技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)車削過程的仿真優(yōu)化。

2.2 構(gòu)建數(shù)控車削切削力仿真模型

在構(gòu)建了車削加工生產(chǎn)過程仿真模型后，還需要為數(shù)控車削切削力建立仿真模型。將切削力分解為三個(gè)互相垂直的分力，其中包括圓周切削力（主切削力）Fc：在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力，是影響機(jī)床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀具和夾具車削工藝系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛性的主要因素。背向力（切深抗力）Fp：垂直于工作平面上的分力，是影響加工精度、表面粗糙度的主要因素。進(jìn)給力（進(jìn)給抗力）Ff：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，是影響進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素。同時(shí)，基于理想狀態(tài)下分析切削力模型建設(shè)過程，在構(gòu)建其仿真模型過程中需要考慮到刀具磨損情況。在現(xiàn)實(shí)切削加工過程中需分析刀面在磨損過程中所產(chǎn)生的附加力作用，其中分量表示為：

在上述分量算式中，F(xiàn)mD代表了刀具后刀面磨損時(shí)所引起的徑向力（N），F(xiàn)zv代表了由磨損引起的刀具與工件之間所產(chǎn)生的摩擦力（N）， 代表了工件材料產(chǎn)生的布氏硬度值（MPa），VBs代表了刀具后刀面所產(chǎn)生的平均磨損寬度（mm）， 代表了刀具與實(shí)際工件之間所產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦系數(shù)值。

2.3 數(shù)控車削加工誤差及誤差補(bǔ)償分析

分析數(shù)控車床零件加工誤差及誤差補(bǔ)償問題，首先要明確數(shù)控車床的幾何誤差和運(yùn)動(dòng)誤差。其中，數(shù)控車床的幾何誤差主要是裝配方面所存在的具體誤差，數(shù)控車床的運(yùn)動(dòng)誤差主要是數(shù)控車削過程中由于工件和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，幾何誤差與運(yùn)動(dòng)誤差就共同構(gòu)建形成了合成誤差。在優(yōu)化幾何誤差后，對(duì)數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，并對(duì)車床所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差變化值進(jìn)行深度分析。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示，運(yùn)動(dòng)誤差占到數(shù)控車床加工整體誤差的一定值以上（超過60%），因此需要建立誤差數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)加工質(zhì)量，然后做好數(shù)控車削加工誤差補(bǔ)償。

最常見的數(shù)控車削加工誤差主要包含了兩大類，分別為：系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。以典型車削加工工件產(chǎn)品為例，它就包含了工件原始誤差以及工件變形誤差。首先是工件原始誤差，它是指由于工件表面存在缺陷而產(chǎn)生的誤差、內(nèi)應(yīng)力作用所產(chǎn)生的誤差以及毛坯余量不均所產(chǎn)生的誤差，這些都屬于隨機(jī)誤差。另外就是工件變形誤差，它是指由于工件受到夾緊力導(dǎo)致變形而產(chǎn)生的誤差，亦或者工件在受到切削力變形而產(chǎn)生的誤差，這屬于變值系統(tǒng)誤差。如果按照不同誤差類型產(chǎn)生方式進(jìn)行分析，合理劃分平移方面誤差與偏移方面誤差，需要基于各種誤差所產(chǎn)生的具體情況進(jìn)行分析，分解成在水平面產(chǎn)生的誤差和在垂直面產(chǎn)生的誤差。這樣就能夠更為全面的分析問題，將誤差具體變化規(guī)律分解，分別分析補(bǔ)償其中的常值誤差a、方向線性產(chǎn)生的變化誤差k以及伴隨工件主軸轉(zhuǎn)角線性的變化誤差。在實(shí)際加工過程中，需要分析這些誤差并了解不同誤差的組合類型，為隨后誤差補(bǔ)償?shù)於夹g(shù)基礎(chǔ)。

針對(duì)數(shù)控車削產(chǎn)品加工的誤差補(bǔ)償需要利用到仿真模擬技術(shù)，對(duì)車床本身的尺寸誤差與表面誤差進(jìn)行組合分析，調(diào)整車削加工誤差分析與控制內(nèi)容，確保數(shù)控加工誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)轿?，提升產(chǎn)品整體質(zhì)量與效率，確保機(jī)械加工核心問題優(yōu)化到位。在工藝設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合NC程序?qū)υO(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的誤差內(nèi)容進(jìn)行分析，然后進(jìn)行加工補(bǔ)償。另外對(duì)切削過程中所存在的誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立精確可靠模型，為數(shù)控車削產(chǎn)品改進(jìn)加工精度，提高加工效率，形成虛擬制造預(yù)測(cè)體系。

在具體的加工誤差補(bǔ)償操作過程中，需要對(duì)由切削力所引起的加工變形問題進(jìn)行分析補(bǔ)償[2-3]。如果刀具發(fā)生了偏移，需要結(jié)合變形量對(duì)一定比例內(nèi)容進(jìn)行回彈分析，以此發(fā)現(xiàn)加工方面所存在的誤差問題。在分析誤差過程中，要了解數(shù)控加工編程中所存在的刀具幾何純剛性指標(biāo)變化問題，了解其中的力學(xué)因素，包括它們對(duì)于刀具變形所產(chǎn)生的真實(shí)影響，提高工件加工制造精度。在具體的數(shù)控車削加工過程中，還需要對(duì)切削力的工件變形問題進(jìn)行分析，主要是利用修改工件原有的刀位文件進(jìn)行分析，重新獲得補(bǔ)償后所產(chǎn)生的新刀位文件，更好滿足由于制造精度需求不到位所產(chǎn)生的走刀路徑偏差問題，它的具體刀具補(bǔ)償算法應(yīng)該包含以下三個(gè)步驟[4]：

第一，要參考具體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定不同關(guān)鍵控制點(diǎn)（Pi）的具體變形量Si。

第二，要按照具體分析結(jié)果對(duì)加工工件材料進(jìn)行分析，提出加工回彈系數(shù)，分析m所獲得的具體變形回彈量?jī)?nèi)容。

第三，要參考計(jì)算公式修正不同控制點(diǎn)（Pi），并同時(shí)獲得最新控制點(diǎn)位置（Pi），同時(shí)確定 修正系數(shù)，得出以下計(jì)算公式為：

如此獲得具體修正值，最終得出真實(shí)、具體的刀具路徑。參考刀具路徑的所有數(shù)控內(nèi)容與加工程序代碼進(jìn)行進(jìn)一步編制分析，分析由切削力所引發(fā)的工件變形情況，并做好補(bǔ)償，提高工件整體精度，做好刀具路徑補(bǔ)償，其具體實(shí)施流程如圖3[5-6]。

3? 結(jié)語

在提高數(shù)控車削加工過程中的仿真技術(shù)應(yīng)用方面，應(yīng)該確保結(jié)合過程建模、仿真以及加工誤差分析與補(bǔ)償提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品質(zhì)量，有效規(guī)避在加工過程中可能產(chǎn)生的受力變形誤差問題，不斷提高數(shù)控車削加工產(chǎn)品整體質(zhì)量，提高企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

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