鄧中華

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124)

曲面加工數(shù)控系統(tǒng)分析與研究*

鄧中華

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124)

計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)是通過數(shù)字信息技術(shù)及工作過程控制技術(shù)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵技術(shù)為逆向數(shù)字處理工程，該工程對(duì)后續(xù)模型重建的難易程度及準(zhǔn)確性具有決定性作用。為了提高機(jī)械加工速度及加工精度，文中分析了目前計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置可加工的復(fù)雜曲面，并對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，該研究在一定程度上提高了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的加工速度、加工精度及加工效率，對(duì)優(yōu)化機(jī)械加工控制系統(tǒng)具有一定指導(dǎo)意義。

自動(dòng)控制；計(jì)算機(jī)數(shù)控加工；控制工程

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，各種高附加值產(chǎn)品的光學(xué)組件已經(jīng)轉(zhuǎn)向具有微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、非回轉(zhuǎn)對(duì)稱的復(fù)雜自由曲面光學(xué)元件，它們是光電信息技術(shù)和光通訊不可缺少的關(guān)鍵元件。而該技術(shù)在我國尚不成熟，非球面加工的難題一直困擾中國光學(xué)工業(yè)的發(fā)展。為此，本文以曲面數(shù)控加工系統(tǒng)為切入點(diǎn)，對(duì)曲面加工進(jìn)行研究分析。計(jì)算機(jī)數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)作為數(shù)控程序設(shè)計(jì)的核心部分，只有將其科學(xué)的融入數(shù)控程序設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)數(shù)控加工才能達(dá)到高質(zhì)量、高水平要求[1]。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)是一項(xiàng)改進(jìn)工藝，其目的是確定加工方法、設(shè)計(jì)加工程序等。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)主要包括選擇加工程序，確定加工工序和加工路線，確定夾緊方式，選擇合適機(jī)床、切割參數(shù)及熱處理、附加工藝等；同時(shí)，充分考慮計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床使用功能，發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的性能，盡可能選擇最短加工路線[2]。

1 復(fù)雜曲面加工定位

自由曲面作為一種不規(guī)則的復(fù)雜非旋轉(zhuǎn)曲面，難以通過數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行準(zhǔn)確描述，通常采用大量離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行描述[3]。對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，均存在一個(gè)最大曲率面和最小曲率面。用k1表示最大主曲率，k2表示最小主曲率，根據(jù)高斯曲率K和平均曲率H可得主曲率[4]：

由高斯曲率K和平均曲率H，可確定曲面的8個(gè)參數(shù)：峰面、脊面、鞍脊、平面、極小面、凹面、谷面和鞍谷[5]。最大主曲率k1和最小主曲率k2的乘積稱為曲面于該點(diǎn)的高斯曲率，其反映了曲面于兩點(diǎn)之間的彎曲程度。加工曲面時(shí)應(yīng)在高斯曲率較大的臨界值處進(jìn)行，首先需定位安裝，安裝時(shí)必須保證定位余量均勻；其次盡量減少復(fù)雜加工表面的加工工作量，以提高復(fù)雜曲面的加工效率[6]。

曲面匹配實(shí)際上是空間校準(zhǔn)工藝中同一曲面在兩個(gè)不同坐標(biāo)系中的兩種表示方式[7]。三軸加工的粗糙底面作為底面加工的粗定位基準(zhǔn)，由于鑄造過程中模具的加工誤差，導(dǎo)致底面加工存在加工誤差和定位誤差[8]，如圖1所示。同時(shí)，鑄造模具曲面變形，導(dǎo)致加工時(shí)，模具曲面余量未被平均分配，形成了多個(gè)加工空行程，浪費(fèi)加工工時(shí)。

圖1 定位變量變化

曲面模具數(shù)控加工占據(jù)了數(shù)控加工的大量時(shí)間，因此應(yīng)確保模具表面和加工變量的一致性，以提高數(shù)控加工機(jī)床的加工效率，定位須充分考慮安裝曲面和底面的有限性，以確保加工曲面具有足夠的加工余量。模具鑄造時(shí)，鑄造數(shù)據(jù)應(yīng)在圖中變量基礎(chǔ)上保留偏移量。對(duì)于被加工的復(fù)雜曲面，鑄造數(shù)據(jù)沿曲面法線偏移，該曲面法線為沿z向位移獲得的復(fù)雜變量線。

對(duì)于機(jī)床床身、立柱、加工臺(tái)、橫梁、箱體及底座，機(jī)床結(jié)構(gòu)具有空間基準(zhǔn)線結(jié)構(gòu)和空間力系載體兩個(gè)特點(diǎn)。機(jī)床可在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)介質(zhì)中直接或間接地產(chǎn)生各種作用力，如切削力、重力、摩擦力、夾緊力、慣性力和沖擊振動(dòng)干擾力。機(jī)床設(shè)計(jì)中，通常將各種力概括為靜力和動(dòng)力，并對(duì)靜剛度和動(dòng)剛度進(jìn)行研究。高速精密機(jī)床雖然有大加工臺(tái)、重型、體積大等特點(diǎn)，但應(yīng)充分考慮沖擊和振動(dòng)干擾力。對(duì)于高精度的機(jī)床，由于工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，因此，需考慮加工臺(tái)的熱變形。因此，加工定位需對(duì)加工臺(tái)所受的各種力、變形和剛度進(jìn)行分析。

2 數(shù)控加工工藝方案確定

工件定位應(yīng)使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型上點(diǎn)與待加工曲面上粗糙點(diǎn)對(duì)應(yīng)，以建立曲面測量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐班系之間的剛體運(yùn)動(dòng)變換。評(píng)估工藝，用于確保每個(gè)點(diǎn)與工件空間坐標(biāo)變換上的掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)，如圖2所示。加工坐標(biāo)系是以確定的加工原點(diǎn)為基準(zhǔn)所建立的坐標(biāo)系。加工坐標(biāo)系，是在數(shù)控機(jī)床刀具路徑設(shè)計(jì)的位置坐標(biāo)上的幾何處理，在部件輪廓加工坐標(biāo)系中確定坐標(biāo)。在加工過程中，數(shù)控機(jī)床根據(jù)原點(diǎn)的工件夾緊位置和工序進(jìn)行加工。在確定原點(diǎn)位置和加工坐標(biāo)系方向時(shí)，應(yīng)確保機(jī)床的粗定位易于實(shí)現(xiàn)、加工和切割，以滿足實(shí)際加工條件。

圖2 空間設(shè)計(jì)曲面和實(shí)際曲面圖

為了滿足數(shù)控加工的高效率、高速度、高精度、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，一般認(rèn)為，數(shù)控機(jī)床的剛度比普通機(jī)床高50%以上。本文所使用的近似方法為保有系數(shù)的迭代法，因?yàn)橄到y(tǒng)受單元間的許多關(guān)鍵因素影響，因此，通過一個(gè)方程函數(shù)獲得方程組的解，問題被分解成多個(gè)方程接近系統(tǒng)進(jìn)行解決。系統(tǒng)問題解決轉(zhuǎn)化為多個(gè)函數(shù)方程問題，其求多個(gè)自由度問題的域函數(shù)。

在加工過程中，所選擇與產(chǎn)品線性相關(guān)的運(yùn)動(dòng)為刀具運(yùn)動(dòng)模式，其選擇的加工精度對(duì)切割效率、生產(chǎn)成本、數(shù)控機(jī)床壽命和運(yùn)動(dòng)性能具有重要影響。該方法常用于復(fù)雜的不規(guī)則曲面的加工，其刀具軌跡為平直軌跡，該軌跡為彼此平行的直線，清晰直觀。由此產(chǎn)生小型數(shù)控程序，大大提高了切割效率。該模型分為單向運(yùn)動(dòng)模式和多向運(yùn)動(dòng)模式兩種如圖3所示。

(a)單向運(yùn)動(dòng) (b)多向運(yùn)動(dòng)圖3 刀具運(yùn)動(dòng)模式圖

單向運(yùn)動(dòng)模式能獲得最佳沿線加工方向，經(jīng)過加工可得到優(yōu)良曲面。但是刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很多空切割，切割效率低；多向運(yùn)動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)方式和切割力不斷變化，機(jī)床加工的曲面質(zhì)量較，但加工效率相對(duì)較高。

在數(shù)控程序中，通過后處理操作，發(fā)送于機(jī)床控制器的刀具路徑可通過數(shù)控代碼識(shí)別?，F(xiàn)常用的CAD/CAM軟件通常為通過發(fā)送指令建立后處理程序，之后執(zhí)行此后處理程序，程序員根據(jù)校對(duì)前的指令代碼和程序，編輯特定數(shù)控機(jī)床的格式文件，通過刀具路徑文件的后處理程序可以得到符合要求的數(shù)控加工文件格式。

3 結(jié)論

曲面質(zhì)量檢測是判斷加工曲面質(zhì)量優(yōu)劣的重要手段。本文分別基于傳統(tǒng)曲面建模方法和快速曲面建模方法進(jìn)行比較分析。通過優(yōu)缺點(diǎn)分析可知，當(dāng)曲面連接相對(duì)于光滑時(shí)，可選擇快速曲面建模方法；對(duì)于面積較小、局部、精度高的曲面，曲面曲率變化較大，應(yīng)選擇傳統(tǒng)曲面建模方法。本文研究在一定程度上提高了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的加工速度、加工精度及加工效率，對(duì)優(yōu)化機(jī)械加工控制系統(tǒng)具有一定指導(dǎo)意義。

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(編輯 李秀敏)

Analysis and Research of NC System for Surface Machining

DENG Zhong-hua

(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College,Changsha 410124,China)

Computer numerical control technology is the control technology of digital information technology and the work process control of mechanical motion, the key technology for reverse engineering of the project of digital processing, reconstruction of the subsequent model difficult degree and accuracy play a decisive role. In order to improve the machining speed and machining precision, this paper analyzes the current complex surface CNC machining equipment, and the analysis of the research on automatic control system, the research of improving the processing speed, computer numerical control system of the machining accuracy and machining efficiency to a certain extent, it has certain guiding significance for the optimization of machining control system.

automatic control;computer numerical control;control engineering

1001-2265(2017)08-0117-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.030

2017-02-16；

2017-04-06

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目：一種新型自銳性金剛石纖維砂輪的研制及磨削機(jī)理研究(51205126)

鄧中華(1982—)，男，湖北恩施人，長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床應(yīng)用、機(jī)床加工，(E-mail)dengzhonghua010@126.com。

TH166;TG659

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