数控车床的对刀原理与有效方法分析

摘要：在数控车床对刀过程中，车床、刀具、夹具及定位基准、工艺系统等都可能会产生误差，对产品的质量造成一定影响。因此，误差是不可避免的，但误差必须在允许的范围内。通过误差分析，掌握其变化的基本规律，从而采取相应的措施减少加工误差，提高加工精度。

关键词：数控车床；对刀原理；有效方法；误差

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1005-1422（2015）08-0094-02

收稿日期：2015-06-26

作者简介：王旭（1985-），男，佛山市顺德区郑敬诒职业技术学校机械教研组教师，工学学士。研究方向：数控车削教育。（广东 佛山/528308） 一、数控车床概述

装备制造业是一个国家发展工业，进而促进经济发展和国防建设的基础性和战略性产业，是一个国家综合国力和科技水平的集中体现。所以，加快发展制造业对促进我国经济发展和加强国防建设具有重要意义。车床是现代加工制造业的最基本、最重要的生产工具，被称为工作母机。随着世界各国经济和科技的进步，大型、高端的数控车床已成为世界各国装备制造业的主要工具，在降低生产成本、提高产品质量，增强企业在同行业中的竞争力方面扮演着重要角色，其综合性能、数量是衡量一个国家的工业化水平和综合国力的重要标志之一。

代表目前车床制造业最高水平的高架桥式数控龙门移动五轴联动镗铣加工中心，是集计算机控制、高性能伺服驱动和高精密加工技术于一体的高档精密高效的自动化加工设备，其结构形式、受力情况、载荷工况以及静动态特性与普通车床不同，所以，要设计性能优良的五轴联动龙门加工中心，设计人员仅仅靠过去的类比法和经验设计是远远不够的，还必须借助现代设计手段和方法。

随着计算机硬件技术的发展和基础数值理论的逐渐完善，有限元设计分析软件也进一步发展，目前CAD/CAE技术在车床制造业得到了广泛的应用，并引领现代制造技术向更高层次的发展。目前，世界上数控装备工业发达的国家，普遍采用有限元建模技术、数值模拟技术、仿真技术以及优化技术进行产品的可靠性分析、静动态特性分析和结构优化，预测产品的整体性能，进而改进产品的设计，从而提高产品的性能，缩短研发周期，减少试验所需费用。

二、数控车床对刀原理及有效方法分析

车床的发展经历了从结构简单、功能单一到结构复杂化，功能多样化、智能化的历程，因此，对车床的研究包括了机械结构、电气，液压，热、材料、精度等方面。在结构研究方面，包括对整机及其主要零部件或结构如床身、立柱、横梁、主轴箱、主轴、龙门结构等静态特性、动态特性、优化、热特性以及热-结构耦合、零部件连接方法等方面，研究结构刚度，振型、振动、受力变形，受热变形以及热-结构复合因素对车床对刀加工精度的影响。未来时间里，高速化、高精度化、环保化、智能化、复合化无疑是数控车床对刀技术的发展趋势。

我国对数控车床的对刀加工技术研发起步较晚，原因是我国的工业基础比较薄弱，加上西方发达国家对我国施行高端车床技术封锁。但随着计算机技术的进步，商业有限元分析软件的引进，一些高校和研究院所也取得一些成果。国内对数控车床对刀方法的动态特性研究可按整机分析和部件分析两个方面归纳。通过对某车床主要部件的筋板布局方式进行了优化设计，得出为使车床整机在不同的工况状态下均具有良好的静/动态特性，车床主要部件筋板需要采用不同的筋板布局形式。通过静态凝聚法和子结构技术，缩减了整机计算模型，并保证了低阶频率的精度。此外，还有学者对数控车床整机进行动力学分析时，利用阻抗匹配法对其进行动力学模型，并进行了实验验证，很好地解决了针对某立式加工中心在设计阶段就能预测其整机的综合特性的问题，并将预测数据与实验数据进行了对比分析，实现了预期目标。

为确保创建的优化分析对刀模型的准确性和全面性，我国在对某数控加工车床进行优化分析时，考虑了导轨与龙门架之间的结合面这一影响因素，将实测的结合面的阻尼系数与弹性系数作为参数输入到了优化分析数学模型中，以与加工中心的实际情况更加接近。同时提出了从灵敏度的角度进行加工中心的优化分析，其理念就是找出加工中心的结构对其加工精度的误差影响最大的因素，也就是最灵敏方向，不仅减轻了对刀加工中心的重量，而且改善了加工中心的动态特性，取得了较好的对刀优化分析效果。

上海交通大学于1980年通过对车床对刀特性进行测定及分析研究，并展开一系列误差补偿研究，提出了“对刀敏感度”和“对刀耦合”概念，并采用有限元分析方法和模态分析方法分别从时域和频域两方面研究了主轴变形的动态特性，并对传感器在车床上的多维优化布置进行了探索。南京航空航天大学还通过对QLMT6300车床主轴箱变形规律的研究，并借助有限元软件得到了主轴箱稳态、瞬态受力场分布和主轴变形，为车床结构优化和误差补偿提供了理论依据。还有学者通过建立基于 RBF神经网络的组合预测模型对某一加工中心电主轴误差机理进行了分析研究，并通过实验验证了数控机床对刀模型预测的可靠性。

数控车床的对刀原理与有效方法分析综合以上国内外的研究现状可以看到，目前采用有限元方法对数控车床建立模型并对其进行静态、动态，热特性分析已成为研究数控车床对刀技术的最主要方法。但现有大量的研究主要集中在对车床整机或关键零件或结构进行单一的静态分析、动态特性分析、热特性分析和优化设计，对车床整机、关键零部件或结构的静动态特性及热-结构耦合的综合分析较少，且大部分的热特性研究都是在车床空转状态下进行。笔者认为运用 Pro/Engineer 软件建立主轴箱三维模型，Altair.HyperWorks 软件中的HyperMesh 模块进行几何处理、网格划分等有限元前处理，利用 ANSYS 有限元分析软件进行静/动热特性分析，利用 Altair.HyperWorks 软件中的 OptiStruct 模块进行拓扑优化设计，无疑是当前数控车床对刀操作中行之有效的方法。

三、结束语

本文对数控车床加工当中易致误差的原因进行分析研究，并从中总结出一些技术要点以及注意事项，通过在机械生产过程中进行实践应用，能够有效地降低误差，提高了加工的精度，使机械加工企业获得更高的经济效益。

参考文献：

[1]王爱玲，张吉堂，吴雁.现代数控原理及控制系统[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2]刘建萍，郭建华.华中世纪星数控车床的几种精确对刀方法[J].CAD/CAM与制造业信息化，2005（21）.

[3]牧野洋，谢存禧，郑时雄.空间机构及机器人机构学[M].北京：机械工业出版社，1987.

责任编辑何丽华