智能制造環境下金屬切削機床數控系統體系結構研究

羅 蓓

（江蘇省鎮江技師學院，江蘇 鎮江 212001）

引言

隨著科學技術的發展與進步，傳統金屬切削加工方式已經無法滿足現代制造業的需求，數控機床應運而生。數控機床具有較高的切削精度控制能力，能夠提高制造業的生產效率，還能夠節約更多的人力成本，因此，得以廣泛應用。通過融合智能制造技術對機床數控系統進行完善，能夠有效提升金切機床運行效果，進一步降低生產制造成本。基于此，對數控機床系統的體系結構進行優化創新。

1 智能制造環境下金屬切削機床數控系統的硬件及軟件設計分析

1.1 硬件設計

機床是金屬加工的核心設備，傳統的機床受技術水平的限制，無法自主接受命令，也無法感知當前的金屬加工狀態。通過采用智能化制造技術，金屬切削機床數控系統體系結構能夠確保不同模塊之間的信息共享，實時感知加工零件的基本特征以及相關數據[1]。智能制造環境能夠為體系結構提供必要的數據參數支持，對大量、復雜的加工數據進行處理。伴隨著機床系統與智能技術的深度融合，機床系統被賦予了智能化功能，能夠實現對金屬切削加工的全過程感知，能夠結合當前實際加工狀態，對加工方式、加工參數等進行調整與優化。通過采用相應的傳感技術，能夠準確監測金屬切削流程，并進行數據反饋，從而實現加工控制系統的運行模式等升級。通過采用智能技術，能夠有效促進金屬加工技術水平提高。通過傳感技術，能夠收集與獲取當前加工過程的實時信息，并傳遞到控制中心，控制中心依據實際加工情況發出對應的加工指令，從而實現對金屬切削加工的全過程監視與調整，有效避免金屬切削加工出現質量問題。最為重要的是，通過采用具有不同功能的傳感器，能夠實現對加工過程中的不同參數進行監控，有利于控制中心優化加工工藝參數，確保工藝應用符合當前實際情況，提高加工工藝效果，是智能制造技術具有的重要優勢[2]。

1.2 軟件設計

系統的軟件部分主要包括PC控制端操作軟件和下位機軟件。軟件作為智能加工制造的核心控制單元，在傳感器將實時數據傳回控制單元后，軟件會驅動控制中心發出相應的指令，該指令以實時數據為基礎，能夠保證指令的準確性。在加工過程中，利用計算機編程技術進行控制，實現控制功能，系統按照編程程序運行。下位機軟件是對運動控制器的硬件與相關組件進行編程的部分，能夠收集來自傳感器模塊的多種數據，從而對數控機床的切削轉速、生產流程以及工藝參數進行監測與控制。

2 金屬切削機床數控系統體系結構設計關鍵要點分析

切削工藝作為金屬加工中的關鍵環節，主要是按照金屬產品的造型需求，利用刀具將較大的金屬坯料切削為設計方案中的造型，包括粗加工與精加工兩種不同模式。金屬切削機床數控系統體系結構能夠利用計算機對切削工藝進行控制，通過采用智能化技術、自動化技術等，有效滿足高精度的金屬切削需求。在金屬切削機床數控系統體系結構設計中，需要明確以下關鍵要點。

2.1 金屬切削機床數控系統切削程序設定

采用計算機輔助制造技術，結合PLC控制器等，根據實際加工生產需要，能夠有效提高控制程序的科學性。在數控機床的切削工藝控制中，要明確加工坐標系、零部件切削區域、加工數據、刀具參數、加工路徑、材料切削量以及主軸轉向速度等，根據金屬切削制造實際要求，編制科學的切削程序，提高數控機床的運行控制能力，將傳統復雜的人工操作通過運行程序的方式完成。

2.2 切削刀具切換自動化

刀具切換效率直接影響金屬切削的加工效率和精確性，因此，必須對刀具自動化切換關鍵工藝包括刀具傳動裝置、刀具設計選擇以及刀具切換速度方面進行分析。根據實際生產要求，確定最佳的刀具設計選擇方案，并對刀具傳動裝置的速度、力矩以及夾角等方面進行優化。最后根據實際生產精度要求和作業效率要求，對刀具切換模式進行全面優化，有效提高換刀效率，進而促進數控機床切削加工效率提升，保證金屬切削生產質量，以高標準、高效率、高自動化水平的切削關鍵制造工藝，提高金屬切削整體質量水平[3]。

2.3 切削加工機械臂設計要點

機械臂是數控機床中的基礎設備，對確保切削加工生產質量和效率發揮著重要作用，因此，需要對機械臂進行科學設計，避免出現壓力過大或過小的問題，保證機械手臂的兩只機械手所施加的壓力能夠達到均衡狀態，從而有效提高機械切削生產工藝水平。在本次系統設計中，數控機床機械臂設計的具體參數如下表所示。

表1 數控機床機械臂設計具體參數

2.4 PLC控制技術

PLC技術在工業生產領域中具有良好效果，能夠與智能制造技術實現深度融合，從而為金屬切削提供更加穩定、安全的控制方式。因此，在本次金屬切削機床數控系統體系結構設計中，主要采用PLC技術作為控制單元，并結合實際加工需求對PLC控制方案進行優化，從而保障金屬切削機床數控系統體系結構質量。PLC技術的控制流程較為便利，結合實際生產需求，設定相應的程序指令，并結合加工過程中收集的實時數據，就能夠實現全過程智能化控制，不需要人工額外干預。同時，金屬切削機床數控系統體系結構滿足PLC控制技術的應用需求，且不需要設計復雜的電路板。綜合以上情況可以看出，將控制器接入到PLC控制系統中，控制器根據編程命令即可自動化完成多項操作，綜合成本較低，控制流程較為簡單，具有良好的穩定性、可靠性和安全性，能夠全面提升金屬切削機床數控系統運行效率與金屬切削加工精確性。

3 智能制造環境下金屬切削機床數控系統的具體應用

根據金屬切削機床數控系統體系結構設計方案，結合實際生產需求選擇相應的加工技術，通過計算機對數控機床進行控制，本次系統設計中采用CAD技術模塊和CAM技術模塊。CAD技術模塊能夠按照加工零部件的現實特征進行處理，CAM技術模塊具有良好的數控加工處理能力，從而為金屬切削機床數控系統運行提供了可交互的編程工具，利用計算機對金屬切削機床數控系統的加工制造參數進行優化，有效提升加工制造效率與質量。該技術的基本運行流程為：CAD建模→CAM加工定義→刀位計算與確定→加工刀位源文件→金屬切削仿真→數控代碼整理→程序輸入→金屬零部件現場加工。

3.1 加工坐標系構建

在金屬切削機床數控系統體系結構中，通過采用CAD技術，能夠實現對金屬零部件的實體建模，實體建模為數控機床加工坐標體系構建的基礎，數控加工刀位源文件的生成是以加工坐標體系為基礎，工作坐標體系和加工坐標體系可以重合，也可以根據實際生產需求進行定義。數控機床的坐標系統主要包括坐標系、坐標原點和運動方向，根據國家規定標準，標準坐標系需要采用右手直角笛卡爾坐標系進行表現。在對加工坐標系進行定義時，坐標原點位置需要有利于生產人員快速準確對準刀位，并有利于加工過程中更換相應的刀具，提高加工效率。

3.2 加工區域規劃

在不同的加工步驟中具有不同的特點，針對不同刀具加工需求，需要對不同的工藝規劃方案進行定義。在不根據結構特點對加工區域進行劃分的情況下，需要采用籠統的定義，對包含所有加工特點的加工范圍進行定義，這種方式下加工區域劃分工作量較少，數控加工編程工作量也會相應的降低，從而能夠提高編程工作效率，但是所生產的控制編程程序針對性較差，整體運行效率較低，還會出現某個區域走刀路線出現偏差的問題，導致金屬零部件的加工精度不足。在根據不同結構特征對加工步驟進行逐個區域劃分的情況下，雖然劃分工作量和編程工作量提高，但是能夠使編程程序更有針對性，從而能夠提高產品加工準確性。

3.3 加工刀具定義規劃

在部分企業的生產實踐中，金屬材料加工難度較高，金屬零部件產品的造型要求較為復雜，在加工過程中需要將大量的多余金屬材料切除，為此需要按照粗加工、半精加工以及精細加工的基本需求，對數控機床系統中的加工刀具進行定義。在本次金屬切削機床數控系統的刀具規劃設計中，粗加工所使用的刀具不需要較高的準確性，主要目的是將多余的材料切除，完成初步加工，精加工對于刀具的精準性要求較高，需要將誤差參數控制在合理的范圍之內，因此，在數控機床編程中，粗加工需要選擇大尺寸、大削量的刀具，精加工需要根據復雜型面產品的機構特點，選擇由針對性的刀具，可以選擇特殊刀具，并加強對刀具切換的程序編程，提高加工刀具工作效率和質量[4]。

3.4 加工路徑規劃

加工路徑為金屬切削機床數控系統中刀具的運動軌跡，包括金屬零部件的主要加工內容與加工工序，是金屬切削機床數控系統體系結構設計中的重要內容，對于加工路徑的精準性要求較高，通過采用傳感器獲取其實際參數，能夠有效保障加工的準確性。在金屬切削機床數控系統的加工路徑設計中，需要控制加工精度、產品表面粗糙度，并保證數值計算較為簡單。通過編制程序規劃出最短的金屬切削路徑，并保證空程量較低，是提高金屬切削路徑編程效果的有效方式。

3.5 金屬切削加工誤差補償

在通過數控機床進行金屬切削加工時，雖然加工精度得到很大提升，但是加工誤差依然是不可避免的。如果誤差過大，會嚴重影響金屬產品加工質量，導致加工完成的金屬零部件在尺寸、精度等參數方面與設計方案存在差異，故需要采用智能化的誤差補償技術。在伺服系統為半閉環式的數控機床系統中，伺服系統在運行過程中由于存在反向間隙誤差，難以實現精準定位，因此，采用誤差補償法進行補償，通過對該伺服系統的程序進行編輯，加入誤差補償功能，實現更高精度的金屬切削加工作業[5]。例如，在對金屬零部件進行精加工時，對吃刀量的選擇需要結合數控機床的具體參數，并考慮到預留精加工余量，數控機床檢測到該金屬零部件的基本形態后，結合PLC控制技術的命令，能夠采用相應的誤差補償模式，將金屬切削誤差降低，保證加工精度，提升金屬零部件切削加工質量，在實踐應用中效果良好。

4 結語

在科學技術快速發展的背景下，智能化技術、自動化技術為機械制造行業的技術創新提供了全新路徑，機械制造技術水平不斷提升，金屬切削數控機床在智能制造中得以廣泛應用。與傳統的切削技術相比，數控機床能夠有效提高作業效率與產品質量。為了進一步提高機床數控系統的運行效率與穩定性，提出了智能制造環境下金屬切削機床數控系統的的硬件與軟件設計方案，并對關鍵要點進行分析，結合設計方案詳細闡述了金屬切削機床數控系統的基本運行流程，希望能夠對我國制造業數控機床系統設計領域起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高數控機床設計方案質量，在智能制造環境下提升我國制造業發展水平。