机械加工技术中数控加工的应用

程 黎 龚玉英

（宜兴高等职业技术学校，宜兴 214200）

利用数控加工技术加工机械工件时，关键在于根据机械工件的结构特点确定刀具的选型和运行轨迹，利用数控设备的宏程序或者其他方式完成加工程序的编写，并且利用模拟和仿真技术核验加工工艺中刀具、转台、工件等运动部分的配合效果，将修正后的数据转化为数控系统可识别的编码。加工制造中还要监控数控设备的动态运行效果，全面提高加工的精确性与可靠性。

1 数控加工系统的组成及其在机械加工中的功能

数控加工主要建立在自动化程度较高的数控机床上。从加工复杂程度来看，数控机床可分为低端、中端以及高端。国内在低端数控机床上基本可实现自主设计和生产，但中高端产品依然大量依赖进口。数控加工系统的主要构成分为以下几个部分。

1.1 数控系统

数控机床的核心控制系统是计算机数字控制机床（Computer Numerical Control，CNC）。在加工机械产品前，要在CNC中完成编码。设备在后续的作业过程中，需按照预先设定的指令逐一完成操作。CNC在数控加工系统中起到了“大脑”的作用。中高端数控车床最大的设计难度也集中在CNC，有时候CNC的采购成本会占到整个机床的50%。在CNC的指挥系统中，软件、逻辑电路以及伺服系统共同驱动执行部件完成进给运动，如图1所示[1]。

图1 数控系统加工内部流程图

数控机床实际运行过程中可能会受到各种外部因素的干扰，导致加工零件的轮廓出现误差。为了确保加工零件的精度符合要求，需要对轮廓误差进行计算。

借助与距离轮廓较近的轨迹点计算轮廓误差，公式为

式中：当a=b=c=0时，F(x,y)为一条直线；当c=d=e=0时，F(x,y)为椭圆或者圆；当b=c=0时，F(x,y)为抛物线。利用检测仪器读取变量数值，即可判断F(x,y)的类型，进而得到误差轮廓准确参数对数控机床加工参数进行校正。

1.2 伺服系统

数控机床在加工机械产品的过程中必须精确控制运动部件的进给量。如果这一参数控制不到位，那么将无法保证机械加工的精度。进给量的控制主要依赖机床上的伺服系统，核心组成为驱动器和驱动电机。伺服系统发挥作用的基本流程是“脉冲信号→驱动电机→角度转动→带动机械传动”。显然，驱动电机转动的角度直接影响机械运动部件的操作精度。数字脉冲信号直接转换的物理量是驱动电机的转动角度，后续其他物理量都会受到这一角度的影响[2]。因此，机床的机械加工性能主要取决于伺服系统。数控机床上所有执行部件都设计有专门的伺服系统。

1.3 位置反馈系统

数控机床在加工机械产品的过程中需通过位置反馈系统对机械执行部件的进给量、工件的位置信息等进行实时检测及反馈。该系统中涵盖了激光测距仪、光栅、旋转编码器以及磁栅等。这些检测装置测量相关的物理量，将其转化为电信号，然后由数控装置接收这些信号量，与系统中预先编码的机械加工信息进行对比。如果实际测量的位置信息与设计值存在偏差，那么数控系统会发出新的指令，用以调节执行部件的进给量实现纠偏[3]。

1.4 机械执行部件

数控机床可用于执行车削、刨铣、打磨以及钻孔等一系列机械操作，在数控系统、伺服系统以及位置反馈系统的综合作用下，按照指令对金属材料实施特定的加工活动。数控车床主要用于加工制造结构复杂的机械工件或者产品，因此其机械部件在刚度、耐磨性以及精度方面具有显著优势。有些数控机床为加工中心，此时各种刀具存放在专门的刀库中。

2 数控机床在机械加工技术中的应用

现代化的机械产品对加工的复杂度、精密程度以及表面粗糙度控制等提出了很高的技术要求。数控机床的技术在飞速发展，从先进的五轴联动跨越到更先进的九轴五联动，从单一的加工类型发展为复合型加工，一台设备可完成车削、铣及磨等多种加工操作。以下将当前较为先进的五轴联动数控机床作为分析对象，研究其在机械加工中的具体应用方法[4]。

2.1 五轴联动数控机床的工作特点

最常见的五轴联动的五轴分别为平面上用于定位的X、Y、Z轴以及控制工件旋转和刀具旋转的回转轴。机械工件定位在操作台上后要进行夹紧，在紧固的同时确定其在直角坐标系中的位置。五轴联动数控机床的刀具可实现各种复杂的摆头模式，原因在于机床的设计特点。

刀具转动的同时，固定工件的载台可同步转动。这种情况下，刀具和工件之间的相对位置将会呈现复杂的变化。图2展示了俯垂型摆头式五轴联动数控机床机的工作示意图，其中具有回转自由度的旋转轴分别为B、C所在的截面，工件的位置始终不变，而刀具在B、C两个旋转轴的带动下做出复杂的加工，同时工件可沿X、Y、Z轴做特定方向的滑移，配合刀具[5]。

图2 X、Y、Z俯垂型摆头式五轴联动数控机床机械加工示意图

2.2 数控机械加工的基本工作流程

使用数控机床加工机械产品时，要先分析机械工件的结构特点，在其基础上确定编码方案，选择刀具和刀柄，制定质量控制的基本策略。整个过程要遵循数控机床的应用方法，具体步骤如图3所示。

图3 数控机床CMA主动编程基本步骤

2.2.1 分析机械工件的几何形状

现代化的机械工件大量运用了复杂的几何形状。相对而言，平面工件的加工难度较低，曲面结构的加工难度大幅增加，如叶轮、列车车轮以及螺纹型工件等。分析机械工件几何形状（尤其是曲面形状）的主要目的是计算结构物的数据节点并绘制线条。这些基础数据对制定后续的加工方案和编写数控程序指令具有重要的参考价值[6]。

2.2.2 零件及其加工工艺分析

加工前，先分析工件的几何形状，构造符合其几何构型的数字化模型。每一个细节部位的具体尺寸也是非常关键的加工要素，尤其是曲面结构，常常在很多微小的局部结构上蕴含着丰富的尺寸信息。数控机床依靠编码指令控制机械部件的进给量、旋转角度等参数，因此这些尺寸数据为编码的主要依据。在这一环节需完成如下任务：确定代加工零件的几何尺寸、精度及公差控制的基本要求；确定加工方法，选择适宜的刀具、工件夹具以及工件测量工具；确定编程的坐标系及原点位置；确定各种工件工艺参数和刀具的行走路线。

2.2.3 构建加工部位的模型数据

数控加工中要对待加工的机械部件构建三维几何立体模型，以便反映机械工件的几何特点。建模的技术路径包括3种。第1种，如果是以既有工件为蓝本，没有设计图纸为依据，要精确测量工件实体，可采用三维多层扫描技术或者三坐标测量机。第2种，利用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）模块构建模型，可以反映各个部位的几何尺寸和立体构型，其中这些数据可用作数控加工建模。第3种，利用数控计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）系统生成基本数据，然后通过图形转换接口完成数据格式转换。图形转换接口类型多样，如CADL、STL以及STEP等[7]。

2.2.4 输入工艺参数

这一步骤实际上完成数控机床的编程工作。高端数控加工中心已经可实现自动化编程，同时支持手工编程。但是，从长远来看，数控自动编程才是主流趋势，一方面自动编程的效率、可靠性、准确度等都远高于人工编程，另一方面一旦工件结构较为复杂，人工方式将难以完成。现代化数控加工设备的核心是CNC，其自动化计算、设计和编程的能力非常强大。工艺参数包括毛坯材质、毛坯尺寸、刀具类型、刀具材质、刀具尺寸、切削用量、进给速度、切削深度以及主轴转速等。

2.2.5 刀具轨迹生成及编辑

五轴联动数控机床基本上实现了自动编程。通过强大的计算能力，系统可依据工件的几何特点自动计算基点和各类节点。这些节点数据会按照一定的顺序排列起来，形成最终的刀位数据。技术人员分析相关轨迹，如果发现其中存在不合理，可通过系统人工交互界面进行编辑修改。

2.2.6 刀具轨迹验证及仿真

为了提高数控加工的正确率，防止刀具轨迹设计存在失误，数控加工系统中提供了专门的验证模块和仿真模块。这两个模块具备高度的仿真和模拟效果，能够在不加工的情况下验证相关设计参数。这种验证和模拟的功能对提高数控编程设计的正确性具有重要作用。

2.2.7 后置处理

前期形成的刀位数据和数控机床的指令之间存在很大差异，数控机床只能识别特定形式的指令集，因而在后置处理阶段，应该将前期的各项数据转化为数控机床可识别的指令[8]。

2.2.8 输出加工程序

数控加工的程序可直接存储在移动式设备中，如U盘、移动硬盘或者穿孔纸带上，也可打印出来，便于操作人员熟悉相关指令集。最关键的步骤是将完成的数控指令集输入数控系统，使得数据可经由标准数据接口进入CNC。

2.3 数控机床机械加工动态特性测定及调整

五轴联动数控机床的刀具运行轨迹非常复杂，若刀具在加工金属材料的过程中与其发生碰撞，会引发振动、偏移等情况，需采取有效的技术措施来检测并控制其加工动态，及时调整各种不规范的情况。

这一功能主要由刀尖跟随（Rotation Tool Center Point，RTCP）来实现，也称为刀尖点跟随功能。它的工作流程为“开始动态精度测定→旋转轴测定→计算直线轴之间的不匹配程度→计算旋转轴和直线轴之间的不匹配程度→对5个轴的强弱程度进行排序→调整伺服系统的工作参数→完成动态精度测定和调整”。这项技术对提高数控加工设备的精度具有重要作用。

3 结语

数控加工技术主要依托于各种类型的数控机床，目前较为先进的设备是高端五轴联动数控机床、九轴五联动数控机床等。此类设备在加工机械产品时要先开展工件几何结构、几何尺寸分析形成加工工艺，然后对待加工的部件建模，输入工艺参数、生成刀具运行轨迹，将基础数据转化成数控编码，最后将这些编码录入数控机床的数控系统。