基于多维度控制的数控加工过程中变形控制方法的研究

邹左明，高清冉

基于多维度控制的数控加工过程中变形控制方法的研究

邹左明1，高清冉2

(1.四川信息职业技术学院，四川 广元 628017；2.济源职业技术学院，河南 济源 459000)

数控机床在加工阶段时状态数据呈现多样化以及时序化特征，会影响数控加工精度。要保证加工精度，合理选择多维度控制数控加工变形控制方式，完成三维空间内部多方向的运动补偿就显得尤为重要。通过分析影响数控加工变形的因素，有针对性地选择多维度的数控加工变形控制方法，有利于实现高精度和全方位的数控加工变形控制，凸显整体性。

多维度；数控加工；变形控制方法

近年来，随着科学技术水平的不断提高，机械制造技术的更新速度逐渐加快。数控机床是机械制造领域中的核心设备，加工阶段数控机床的动态性能会对产品的质量以及生产效率产生直接影响。生产企业要想在市场竞争中占据优势，必须要保证产品的质量和生产效率，因此，数控机床加工质量和效率的提升显得尤为关键，数控加工变形控制方面的研究也逐渐得到了更多从业者的关注。在数控机床中融合精确预拉伸技术，对丝杠传动结构进行优化，可解决机床加工过程中容易出现的滚道变形问题，提升数控机床加工的精度和稳定性。

1　数控加工变形影响因素分析

1.1　伺服系统驱动因素

伺服系统是数控机床系统中重要的组成部分，数控机床在实际应用过程中要完成准确定位，需要通过伺服电机驱动控制的滚珠丝杠来实现。如果在加工过程中伺服驱动系统出现问题，会使滚珠丝杠的定位作用无法发挥，因此会严重影响数控机床的加工精度[1]。

1.2　车刀参数变动因素

在数控机床的操作过程中，车刀应用是其中十分重要的环节，起着关键性作用，直接影响着加工的精度。车刀在应用过程中容易产生工作角度偏差，例如在切削阶段，车刀部分会出现主偏角，加工零部件的轴向尺寸在加工过程中也会产生一定偏差，与刀尖圆弧半径呈现正比关系，主偏角数值逐渐偏大会造成电动轴向尺寸变化，随之会造成刀尖圆弧半径逐渐增大。以上情况均会导致车刀参数数值变化，降低数控机床加工精度，情况严重时还会造成零件报废。

1.3　程序运行参数

在数控机床的加工操作阶段会涉及到控制系统，控制系统的运行需要严格遵循顺序性和规范性。如果工作人员在实操阶段未遵循程序标准，将无法满足程序正常运行的参数要求，直接影响数控机床加工效果[2]。

2　多维度控制数控加工变形控制措施分析

2.1　自回归移动平均模型方式

自回归移动平均模型方式一般应用在时间序列核心技术中，其对象为非指定数控加工数控时间序列，将一定时刻数值设置为h，取值设置为y，通过对比前几个时间段参数产生的联系，同时会联系到非指定白噪声干扰因素[3]。通过分析得到综合误差干扰项、自回归系数以及移动平均系数等，设置移动平均模型。

2.2　多维时间序列状态模型以及相应判断模型

多维时间序列状态模型是采集和分析数控加工变形参数数据的重要工具，可基于差异化时间段获取相应检测结果，根据数控加工时间顺序排列方式，可形成数字集。根据参数类型的不同，采样频率固定数值点也并不局限于一种，因此数控机床的加工参数可设置为序列矩阵。依据相应分类标准，加工参数可设置成多维时间序列向量，同时融合多维层面上时间序列矩阵，在时间的不断变化下产生相应改变。在机床参数的时间序列矩阵构建中，可生成加工情况模型，设置为采样时间跨度序列矩阵几何，用于描述机床加工变动实际趋势，同时其历史状态可设置为对口的时间窗口矩阵。操作人员通过模型采集相应变形数据，结合模型矩阵，设置统一加工状态标准，衡量和评估函数数值，通过特征向量以及特征趋势等标识状况，可利用数据的差异性判断数控加工情况。操作人员可根据差异水准，对数控机床加工之间的整体差异性进行判断，如果加工变形相似度数值较大，加工变形的相似度也会较高，从而实现数控机床加工变形参数多维度数据的有效采集[4]。

2.3　多维度控制误差补偿措施

完成数控加工变形参数数据采集后，并以此作为基础，采用直线运动补偿方式，进行三维空间随机直线方向的误差补偿；采用圆弧运动补偿方式，进行三维空间内部圆弧方向的误差补偿，从而完成多维度的加工变形控制。

(1)直线运动补偿。获取数控加工变形参数数据后，可设置起点和终点坐标，选择插补点坐标，构成直线以及平面内部投影夹角数值。

(2)圆弧运动补偿。根据采集到的数控加工变形参数数据，将圆心角设置成r，重点向量以及P轴之间会形成正向夹角，确定圆弧起点、终点以及圆心坐标。借助上述坐标可有效获取正向夹角数值等，获取圆弧弧度以及插补点坐标数值，利用插补点坐标数值实现数控加工变形圆弧运动补偿。在加工过程中插入误差补偿工作的目的是使加工工件误差实际位置回到相应理论位置上，确保加工精确度。在上述坐标基础上，获取插补点坐标，通过对比同一坐标点，以差异性的方式对数控加工变形进行补偿，相比于传统方法，应用此种方法可将变形率数值降低2%。对变形方式有效性进行验证可知，此种方式可实现对工件加工的直线以及圆弧运动补偿，能完成工件变形的有效弥补。通过测试控制数控加工变形过程中追踪到的鲁棒性，分析试验结果可知，在使用上述方法完成误差补偿，迭代次数数值显示为3时，控制用时数据显示为2.3分钟，其中精确预拉伸方式控制用时数值为4.7分钟，扰动观测器加工误差控制方式用时为3.7分钟，相比于其他方式，采用以上方式用时较短，节省时间显示为2.4分钟以及1.4分钟，能有效缩短数控加工控制用时，可在多种维度上处理数控加工变形问题。

3　多维度数控机床加工变形控制策略

3.1　预拉伸和坯料冷镦

针对无限位流向要求的相应零件以及多数纤维流向要求的相应零件，一般需将其更改为预拉伸板材后再进行加工，但会在一定程度上增加材料成本。由于板材内部残余应力较低，采用切削加工方式会造成残余应力不平衡，容易出现明显变形。现阶段数控加工中的整体壁板和整体梁等多种类型的大型铝合金结构件均使用大量预拉伸板材，通过采用预拉伸，可有效减少加工过程的中变形。针对一些小型的标准紧固件，可采冷镦工艺，不但可有效提高材料的利用率，还可保证产品表面的光洁度和产品精度。

3.2　合理应用低熔点合金

低熔点合金应用是指在加工过程中将低熔点材料填充在工件腔体内和工艺腔体中，将零件加工成为实心刚性体。加工结束后，通过加热方式可完成低熔点合金和低熔点填料的三维熔化和回收，实现填料的重复应用。在整个加工过程中加热温度数值低，有效避免了对零件材料状态造成的影响，降低了零件出现变形的可能性，可以用于制造更高精度的复杂薄壁零件。与铸造比较，低熔点合金浇注可有效提高加工零件的刚性，改变装夹面以及定位基准面，改进零件的加工工艺，提高加工精度。

3.3　做好时效处理工作

振动时效处理的主要作用在于消除、均化以及降低金属构件的残余应力，提升工件的抗动载荷变形能力，通过此种方式可提升构件的加工精度。现阶段，针对质量较轻的薄壁零件，一般借助智能化多级振动时效工艺和超声振动工艺来保证加工的精度。借助铝合金多级振动时效消除应力技术，消除铝件材料内应力和切削加工过程中产生的内应力，不但可提升工件的加工精度，还可有效缩短加工周期。振动时效实际是借助共振模式对工件增加附加应力，在工作过程中叠加应力以及残余应力后，使材料达到承受应力的极限，当工件出现微观或者宏观层面上的塑性变形后，可有效降低和均化工件内部残余应力，使尺寸精度数值满足稳定性的要求。采用多级振动时效技术能自动捕捉工件共振频率，可彻底消除和均化工件内部的残余应力，更适合加工重量较轻的工件。

3.4　薄壁腔体零件

试加工某铝盒子合金薄壁零件，其腹板以及侧壁壁厚数值为0.8～1.0mm。零件加工主要借助平口钳夹紧，此种工艺应用时需要将低熔点合金作为腔体填料，在加工过程中无需卸下工件，可直接浇注完成加工。低熔点合金可作为填料保护精加工后的薄壁夹持面，一般应用于加工过程中夹持不规则和易损工件部分。若低熔点合金难以满足定位和夹持操作过程中的刚性要求，需借助强力夹紧以及压紧程序，才能继续开展切削加工，因此可将其作为转换工艺基准使用，借助低温因素确保可以有效降低合金在凝固和溶解过程中的热变数值，从而确保工件尺寸的精确度。试验结果显示，上腔体以及下腔体的侧壁厚度数值显示为0.025mm，上腔体以及下腔体之间数值显示为0.500mm，腹板厚度数值较为均匀，壁厚差数值显示为0.030mm，加工质量较好，达到了理想效果。

4　结语

当前，随着市场经济的快速发展，机械生产加工企业想要在激烈市场竞争中获得优势，必须要保证产品的生产质量和效率。通过分析影响数控加工变形的因素，有针对性地选择多维度的数控加工变形控制方法，有利于及时解决数控加工变形控制问题，提升数控机床的加工质量和效率，提高企业的生产效率和产品竞争力。

[1] 张尚安,齐鹏斌.小型薄壁机加件的数控加工变形控制方法研究[J].中国科技信息,2013(12):124,127.

[2] 连碧华.薄板零件数控铣削加工变形控制研究[J].机械制造与自动化,2017,46(6):29-30,48.

[3] 张雷,刘检华,庄存波,等.基于数字孪生的多轴数控机床轮廓误差抑制方法[J].计算机集成制造系统,2021,27 (12):3391-3402.

[4] 李晶,郁舒兰,刘玮.基于眼动追踪的数控界面布局认知特性评价[J].计算机辅助设计与图形学学报,2017,29(7): 1334-1342.

Research on deformation control method of CNC machining based on multi-dimensional control

ZOU Zuoming1, GAO Qingran2

(1.Sichuan Information Vocational and Technical College, Guangyuan, Sichuan 628017, China; 2. Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan, Henan 459000, China)

In the processing stage of CNC machine tools, the state data present diversification and timing characteristics, which will affect the deformation accuracy of CNC machining. So, it is necessary to apply the deformation control method of multi-dimensional control NC machining. In this way, the motion compensation of multi-direction in the three-dimensional space is completed. This paper analyzes the deformation control method of CNC machining with multi-dimensional control, and completes the deformation control of CNC machining with high precision and high orientation through active and effective methods, highlighting the integrity.

multi-dimensional; CNC machining; deformation control method

TH164

A

2096–8736(2022)03–0049–03

邹左明(1978—)，男，硕士研究生，副教授，主要研究方向为机械工程。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军