浅议数控加工精度的提高

《装备制造技术））２０１０年第１期　浅议数控加工精度的提　ｌ－ａＪ　Ｃ　．＿＿＿　Ｉ—　周鹏　（郑州旅游职业学院机电系，河南郑州４５０００９）　摘要：探讨了提高数控加工精度的方法，研究了ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化、高精度的插补方法和加工状态监视控制ＳＰＣ等环节对数控加　工精度的影响，从而使产品质量的控制由被动的事后把关变为积极的事前预防。　关键词：加工精度；ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化；插补；数控／ｚ，．Ｔ．－；ＳＰＣ　中图分类号：ＴＰ３９１．７　文献标识码：Ｂ　当前，机械行业数控机床的广泛使用，在提高零件加工精　度的同时，也提高了加工效率。在实际生产过程中，数控加工　中零件的尺寸精度，是产品质量控制的重要环节。很大一部分　数控加工，是面向相同尺寸工件的大批量重复加工，加工过程　中需要对零件的关键工序尺寸进行控制。但是由于刀具的磨　损、受热变形等，往往会使被加工零件尺寸超差。通常数控批　量加工零件尺寸误差的控制方法，是在零件加工完后，对零件　的尺寸进行检验，将不合格品检出，重新加工或报废。这种传统　的质量控制方法，是将产品的质量依赖于检验最终产品，并筛　选出不符合规范的产品。这种检验策略，通常是不经济的，因为　是事后检验，废品无法消除。现有的事前预防控制方法，是在数　控机床上安装自动检测仪等装置，通过定时检测被加工零件关　键尺寸的变化，再对这种变化进行调整补偿，来保证加工精度，　但是由于自动检测仪价格昂贵，相应增加了硬件成本。　随着计算机技术的发展及软件水平的提高，使得计算机　能够模拟产品的整个设计和制造过程。通过在构造的数字化　产品模型（虚拟产品）上，并行地进行产品的设计、性能分析、加　工过程仿真以达到各种设计参数优化。由于在产品试投产前，　就对其制造过程中的结构、加工、装配和动态特征作到恰如其　分的分析和检查，故提高了产品开发的一次成功率。如果能将　数控机床与ＣＡＤ／ＣＡＭ系统连接起来，构成所谓的联机系　统，实现计算机自动编程，并快速下传数控程序，实现数控机　床的远程管理或监控，从而完成了从设计到加工的自动化过　程，将更能充分发挥数控机床的优越性，有效地保证数控机床　的加工质量。　１　ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化技术的使用　在我国，数控加工不仅占有率低，而且ＣＡＤ和ＣＡＭ脱节　现象严重，这也是ＣＡＤ技术发挥效益不够明显的主要原因之　一。ＣＡＸ（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）是针对不同的应用要求开发的工　程软件，彼此之间缺乏相互联系，不利于开发人员之问的信息　交流和设计数据的充分共享。将ＣＡＸ系统集成为一个有机的　整体，即把设计、仿真、制造、装配等活动集成，由此ＣＡＤ系统　收稿日期：２００９—１０—１７　作者简介：周鹏（１９７６一），男，河南郑州人，助讲，研究方向：机械电子。　文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２０１０）０１—Ｏ１４１一Ｏ２　生成的数据能直接为ＣＡＥ／ＣＡＭ所利用，设计者可以在产品　设计阶段，就充分考虑产品的可加工性以及与制造相关的因　素等，尽早发现设计中存在的与制造相关的问题，利用ＣＡＭ　的结果对ＣＡＤ进行反馈修正，使所设计的零件具有最佳的可　制造性。避免传统设计方法中从设计到制造的单向联系，在满　足零件功能要求的基础上，有效地改善零件的可制造性，使产　品有更佳的结构，零件有更好的可加工性。ＣＡＤ／ＣＡＭ一体　化，使ＣＡＭ可以直接利用ＣＡＤ中的数据进行数控自动编程，　完成产品的加工过程。从而避免了在加工过程中二次输人零　件形状和加工信息，保证了产品数据的唯一性。数控自动编　程，大幅度地缩短了产品的制造周期，提高了产品的加工质　量。　２　高速、高精度插补方法的探讨　一般的数控系统，都有直线和圆弧插补功能，对经常遇到　的一些解析曲线，如抛物线、渐开线等，也必须采用直线和圆　弧进行逼近，常用的逼近方法有等间距法、等程序段法和等误　差法直线逼近法，相交圆弧、相切圆弧等圆弧逼近法。要根据　具体情况加以分析，选用适当的方法，达到采用尽可能少的线　段，且满足其精度要求的目的。　一些难于用简单的解析曲线表示的具有复杂型面的零　件，只能用列表曲线给定。针对生产中对生成曲线的光滑要求　和数控加工指令格式的特点，一般认为采用三次参数样条函　数插值，再用双圆弧样条进行拟合，是一种比较好的方法。这　种曲线需要二次逼近，先用数学方程式逼近列表曲线，方程式　表示的曲线，应通过给出的列表点（型值点），且曲线的凸凹一　致，保证光滑性。列表曲线拟合的数值方法很多，如三次样条、　三次参数样条、圆弧样条、双圆弧样条拟合等。对于小挠度的　曲线，用三次样条插值能较精确地逼近实际曲线。但在数控加　工中，可能会遇到一些大挠度曲线，三次参数样条是解决大挠　度曲线的一种较好的方法。用三次参数样条函数描述的曲线，　能通过列表曲线所有型值点，在各连接点处的一阶导数、二阶　导数连续，得到一条与列表曲线凸凹一致的光滑曲线。由于三　１４１　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．１，２０１０　次参数样条，是用参数方程表示的，不依赖坐标系的选择，适　感器测量出偏差，若此偏差需要统计，那么现场的工作人员就　于解决大挠度曲线、封闭曲线、空问曲线的拟合问题。它能使　需按一下菜单中的键进人ＳＰＣ统计中，建立新文件，将被加工　拟合光顺，且计算简单可靠，用样条拟合后的曲线，还需进行　零件关键尺寸和公差要求预先输人在监控模块的数据设置文　双圆弧拟合，进一步处理成直线或圆弧信息以便作为机床控　件中。数控加工的操作人员每加工完一组零件，就将该零件的　制装置的输人。要使构造的双圆弧曲线段无拐点存在，完全可　相应关键尺寸输人数据设置模块中，监控模块就会自动给出　以在两拐点问进行双圆弧拟合，拐点可通过比较三次参数样　该零件关键尺寸的尺点图分析曲线。当曲线出现异常波动的　条的各型值点的一阶导数来获得。因此选择型值点中相邻两　情况或趋势时，系统就会给出相应的报警，提示修改控制参数　拐点作为双圆弧拟合的节点，可删除大量的型值点，使拟合数　ｆ刀具的偏置等），操作人员通过修改控制参数，就可继续加工　据和圆弧段数大大减少，计算速度大大提高。　出合格尺寸的零件，应用前景很好。其功能结构如图１所示。　３　应用ＳＰＣ技术提高数控加工精度　旒　：ｌ＝：＝　＝＝：：：＝　界面显示功能选择　ＳＰＣ是一种数理统计方法，可以借助来监视生产过程的　运行情况，判断过程是否处在统计控制状态，并通过分析产品　到ｌ娃　　竺　图１统计工程中控制模块结构　的质量，从中找出过程中可改善的因素，加以改进，从而减少　过程的变化，降低生产成本，最终达到提高产品质量和生产率　４　结束语　的目的。统计过程控制，不是直接用于控制回路的一种控制算　法，而是由一组变量控制图等分析工具，组成的一种基于统计　在现代制造业中，计算机数控技术起着举足轻重的作用。　学原理的分析方法。当一组过程采集数据服从单一分布（通常　由于数控机床能较好地解决复杂、精密、小批量的零件加工问　是正态分布）并具有一些理想的特性，如产品性能指标符合规　题，已成为机械制造业的主流。为充分发挥数控加工的优越　定时，说明这个过程处于受控状态，其均值、方差的大小及分　性，需运用先进的计算机辅助手段，实现了产品的设计、制造　布曲线形状保持一致。当由于系统原因引起变化，即这个过程　和监控的集成。本文针对这一过程中的三个环节，讨论了提高　处于失控状态时，质量数据的均值、方差及分布曲线的形状会　数控加工精度的方法。　发生变化。　ＳＰＣ理论与计算机技术相结合，开发了ＳＰＣ分析与管制　参考文献：　模块，充分发挥了ＳＰＣ对生产过程的控制与预防功能。在重复　【１ｌ王先逵．　机械制造工艺学【Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００３．　大批量加工工件时，产品由生产现场的工作人员根据实际需　【２】壬永章　机床的数字控制技术【Ｍ】哈尔滨：哈尔滨工业大学出版　要，将所需要测量的工件放到测量装置上，由量规仪及相关传　杜。１９９５　【３】余承业．　特种加工新技术［Ｍ】．北京：国防工业出版社，１９９５　Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ＣＮＣ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ＺＨＯＵ　Ｐｅｎｇ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｔｏｕｒｉｓｍ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ＣＡＤ／ＣＡＭ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔａｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ＳＰＣ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｅｃｋｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ａｓ　ａ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｅｘ　ａｎｔｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ＣＡＤ／ＣＡＭ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ；ＣＮＣ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ＳＰＣ　（上接第１３３页）　Ｓｏｌｉｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｒｏｔｏｒ　Ｂｌａｄｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｕｍｐ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ｉｔ＇Ｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｎ　５－Ａｘｉｓ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＨＵ　Ｊｕｎ－ｐｉｎｇ，ＬＩ　Ｚｈｉ－ｗｅｉ　（Ｗｕｘｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１４１２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｒｏｔｏｒ　ｂｌａｄｅ　ｏｆ　ｄｉｆｕｓｅｒ－ｔｙｐｅ　ｍｉｘｅｄ　ｆｌｏｗ　ｐｕｍｐ　ｏｎ　５－ａｘｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｉｔ　ｒｅｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｅｆｆｃｅｔｉｖｅｌｙ．Ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎａａｌｙｚｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄａｔａ　ａｂｏｕｔ　ｉｆｎｉｓｈｅｄ　ｂｌａｄｅ，ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｌｅｖｅ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｌａｄｅ；ｓｏｈｄ　ｍｏｄｅｈｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　１４２