數控車床的對刀原理與有效方法分析

摘要：在數控車床對刀過程中，車床、刀具、夾具及定位基準、工藝系統等都可能會產生誤差，對產品的質量造成一定影響。因此，誤差是不可避免的，但誤差必須在允許的范圍內。通過誤差分析，掌握其變化的基本規律，從而采取相應的措施減少加工誤差，提高加工精度。

關鍵詞：數控車床；對刀原理；有效方法；誤差

中圖分類號：G712文獻標識碼：A文章編號：1005-1422（2015）08-0094-02

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：王旭（1985-），男，佛山市順德區鄭敬詒職業技術學校機械教研組教師，工學學士。研究方向：數控車削教育。（廣東 佛山/528308） 一、數控車床概述

裝備制造業是一個國家發展工業，進而促進經濟發展和國防建設的基礎性和戰略性產業，是一個國家綜合國力和科技水平的集中體現。所以，加快發展制造業對促進我國經濟發展和加強國防建設具有重要意義。車床是現代加工制造業的最基本、最重要的生產工具，被稱為工作母機。隨著世界各國經濟和科技的進步，大型、高端的數控車床已成為世界各國裝備制造業的主要工具，在降低生產成本、提高產品質量，增強企業在同行業中的競爭力方面扮演著重要角色，其綜合性能、數量是衡量一個國家的工業化水平和綜合國力的重要標志之一。

代表目前車床制造業最高水平的高架橋式數控龍門移動五軸聯動鏜銑加工中心，是集計算機控制、高性能伺服驅動和高精密加工技術于一體的高檔精密高效的自動化加工設備，其結構形式、受力情況、載荷工況以及靜動態特性與普通車床不同，所以，要設計性能優良的五軸聯動龍門加工中心，設計人員僅僅靠過去的類比法和經驗設計是遠遠不夠的，還必須借助現代設計手段和方法。

隨著計算機硬件技術的發展和基礎數值理論的逐漸完善，有限元設計分析軟件也進一步發展，目前CAD/CAE技術在車床制造業得到了廣泛的應用，并引領現代制造技術向更高層次的發展。目前，世界上數控裝備工業發達的國家，普遍采用有限元建模技術、數值模擬技術、仿真技術以及優化技術進行產品的可靠性分析、靜動態特性分析和結構優化，預測產品的整體性能，進而改進產品的設計，從而提高產品的性能，縮短研發周期，減少試驗所需費用。

二、數控車床對刀原理及有效方法分析

車床的發展經歷了從結構簡單、功能單一到結構復雜化，功能多樣化、智能化的歷程，因此，對車床的研究包括了機械結構、電氣，液壓，熱、材料、精度等方面。在結構研究方面，包括對整機及其主要零部件或結構如床身、立柱、橫梁、主軸箱、主軸、龍門結構等靜態特性、動態特性、優化、熱特性以及熱-結構耦合、零部件連接方法等方面，研究結構剛度，振型、振動、受力變形，受熱變形以及熱-結構復合因素對車床對刀加工精度的影響。未來時間里，高速化、高精度化、環保化、智能化、復合化無疑是數控車床對刀技術的發展趨勢。

我國對數控車床的對刀加工技術研發起步較晚，原因是我國的工業基礎比較薄弱，加上西方發達國家對我國施行高端車床技術封鎖。但隨著計算機技術的進步，商業有限元分析軟件的引進，一些高校和研究院所也取得一些成果。國內對數控車床對刀方法的動態特性研究可按整機分析和部件分析兩個方面歸納。通過對某車床主要部件的筋板布局方式進行了優化設計，得出為使車床整機在不同的工況狀態下均具有良好的靜/動態特性，車床主要部件筋板需要采用不同的筋板布局形式。通過靜態凝聚法和子結構技術，縮減了整機計算模型，并保證了低階頻率的精度。此外，還有學者對數控車床整機進行動力學分析時，利用阻抗匹配法對其進行動力學模型，并進行了實驗驗證，很好地解決了針對某立式加工中心在設計階段就能預測其整機的綜合特性的問題，并將預測數據與實驗數據進行了對比分析，實現了預期目標。

為確保創建的優化分析對刀模型的準確性和全面性，我國在對某數控加工車床進行優化分析時，考慮了導軌與龍門架之間的結合面這一影響因素，將實測的結合面的阻尼系數與彈性系數作為參數輸入到了優化分析數學模型中，以與加工中心的實際情況更加接近。同時提出了從靈敏度的角度進行加工中心的優化分析，其理念就是找出加工中心的結構對其加工精度的誤差影響最大的因素，也就是最靈敏方向，不僅減輕了對刀加工中心的重量，而且改善了加工中心的動態特性，取得了較好的對刀優化分析效果。

上海交通大學于1980年通過對車床對刀特性進行測定及分析研究，并展開一系列誤差補償研究，提出了“對刀敏感度”和“對刀耦合”概念，并采用有限元分析方法和模態分析方法分別從時域和頻域兩方面研究了主軸變形的動態特性，并對傳感器在車床上的多維優化布置進行了探索。南京航空航天大學還通過對QLMT6300車床主軸箱變形規律的研究，并借助有限元軟件得到了主軸箱穩態、瞬態受力場分布和主軸變形，為車床結構優化和誤差補償提供了理論依據。還有學者通過建立基于 RBF神經網絡的組合預測模型對某一加工中心電主軸誤差機理進行了分析研究，并通過實驗驗證了數控機床對刀模型預測的可靠性。

數控車床的對刀原理與有效方法分析綜合以上國內外的研究現狀可以看到，目前采用有限元方法對數控車床建立模型并對其進行靜態、動態，熱特性分析已成為研究數控車床對刀技術的最主要方法。但現有大量的研究主要集中在對車床整機或關鍵零件或結構進行單一的靜態分析、動態特性分析、熱特性分析和優化設計，對車床整機、關鍵零部件或結構的靜動態特性及熱-結構耦合的綜合分析較少，且大部分的熱特性研究都是在車床空轉狀態下進行。筆者認為運用 Pro/Engineer 軟件建立主軸箱三維模型，Altair.HyperWorks 軟件中的HyperMesh 模塊進行幾何處理、網格劃分等有限元前處理，利用 ANSYS 有限元分析軟件進行靜/動熱特性分析，利用 Altair.HyperWorks 軟件中的 OptiStruct 模塊進行拓撲優化設計，無疑是當前數控車床對刀操作中行之有效的方法。

三、結束語

本文對數控車床加工當中易致誤差的原因進行分析研究，并從中總結出一些技術要點以及注意事項，通過在機械生產過程中進行實踐應用，能夠有效地降低誤差，提高了加工的精度，使機械加工企業獲得更高的經濟效益。

參考文獻：

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責任編輯何麗華