智能制造环境下金属切削机床数控系统体系结构研究

罗 蓓

（江苏省镇江技师学院，江苏 镇江 212001）

引言

随着科学技术的发展与进步，传统金属切削加工方式已经无法满足现代制造业的需求，数控机床应运而生。数控机床具有较高的切削精度控制能力，能够提高制造业的生产效率，还能够节约更多的人力成本，因此，得以广泛应用。通过融合智能制造技术对机床数控系统进行完善，能够有效提升金切机床运行效果，进一步降低生产制造成本。基于此，对数控机床系统的体系结构进行优化创新。

1 智能制造环境下金属切削机床数控系统的硬件及软件设计分析

1.1 硬件设计

机床是金属加工的核心设备，传统的机床受技术水平的限制，无法自主接受命令，也无法感知当前的金属加工状态。通过采用智能化制造技术，金属切削机床数控系统体系结构能够确保不同模块之间的信息共享，实时感知加工零件的基本特征以及相关数据[1]。智能制造环境能够为体系结构提供必要的数据参数支持，对大量、复杂的加工数据进行处理。伴随着机床系统与智能技术的深度融合，机床系统被赋予了智能化功能，能够实现对金属切削加工的全过程感知，能够结合当前实际加工状态，对加工方式、加工参数等进行调整与优化。通过采用相应的传感技术，能够准确监测金属切削流程，并进行数据反馈，从而实现加工控制系统的运行模式等升级。通过采用智能技术，能够有效促进金属加工技术水平提高。通过传感技术，能够收集与获取当前加工过程的实时信息，并传递到控制中心，控制中心依据实际加工情况发出对应的加工指令，从而实现对金属切削加工的全过程监视与调整，有效避免金属切削加工出现质量问题。最为重要的是，通过采用具有不同功能的传感器，能够实现对加工过程中的不同参数进行监控，有利于控制中心优化加工工艺参数，确保工艺应用符合当前实际情况，提高加工工艺效果，是智能制造技术具有的重要优势[2]。

1.2 软件设计

系统的软件部分主要包括PC控制端操作软件和下位机软件。软件作为智能加工制造的核心控制单元，在传感器将实时数据传回控制单元后，软件会驱动控制中心发出相应的指令，该指令以实时数据为基础，能够保证指令的准确性。在加工过程中，利用计算机编程技术进行控制，实现控制功能，系统按照编程程序运行。下位机软件是对运动控制器的硬件与相关组件进行编程的部分，能够收集来自传感器模块的多种数据，从而对数控机床的切削转速、生产流程以及工艺参数进行监测与控制。

2 金属切削机床数控系统体系结构设计关键要点分析

切削工艺作为金属加工中的关键环节，主要是按照金属产品的造型需求，利用刀具将较大的金属坯料切削为设计方案中的造型，包括粗加工与精加工两种不同模式。金属切削机床数控系统体系结构能够利用计算机对切削工艺进行控制，通过采用智能化技术、自动化技术等，有效满足高精度的金属切削需求。在金属切削机床数控系统体系结构设计中，需要明确以下关键要点。

2.1 金属切削机床数控系统切削程序设定

采用计算机辅助制造技术，结合PLC控制器等，根据实际加工生产需要，能够有效提高控制程序的科学性。在数控机床的切削工艺控制中，要明确加工坐标系、零部件切削区域、加工数据、刀具参数、加工路径、材料切削量以及主轴转向速度等，根据金属切削制造实际要求，编制科学的切削程序，提高数控机床的运行控制能力，将传统复杂的人工操作通过运行程序的方式完成。

2.2 切削刀具切换自动化

刀具切换效率直接影响金属切削的加工效率和精确性，因此，必须对刀具自动化切换关键工艺包括刀具传动装置、刀具设计选择以及刀具切换速度方面进行分析。根据实际生产要求，确定最佳的刀具设计选择方案，并对刀具传动装置的速度、力矩以及夹角等方面进行优化。最后根据实际生产精度要求和作业效率要求，对刀具切换模式进行全面优化，有效提高换刀效率，进而促进数控机床切削加工效率提升，保证金属切削生产质量，以高标准、高效率、高自动化水平的切削关键制造工艺，提高金属切削整体质量水平[3]。

2.3 切削加工机械臂设计要点

机械臂是数控机床中的基础设备，对确保切削加工生产质量和效率发挥着重要作用，因此，需要对机械臂进行科学设计，避免出现压力过大或过小的问题，保证机械手臂的两只机械手所施加的压力能够达到均衡状态，从而有效提高机械切削生产工艺水平。在本次系统设计中，数控机床机械臂设计的具体参数如下表所示。

表1 数控机床机械臂设计具体参数

2.4 PLC控制技术

PLC技术在工业生产领域中具有良好效果，能够与智能制造技术实现深度融合，从而为金属切削提供更加稳定、安全的控制方式。因此，在本次金属切削机床数控系统体系结构设计中，主要采用PLC技术作为控制单元，并结合实际加工需求对PLC控制方案进行优化，从而保障金属切削机床数控系统体系结构质量。PLC技术的控制流程较为便利，结合实际生产需求，设定相应的程序指令，并结合加工过程中收集的实时数据，就能够实现全过程智能化控制，不需要人工额外干预。同时，金属切削机床数控系统体系结构满足PLC控制技术的应用需求，且不需要设计复杂的电路板。综合以上情况可以看出，将控制器接入到PLC控制系统中，控制器根据编程命令即可自动化完成多项操作，综合成本较低，控制流程较为简单，具有良好的稳定性、可靠性和安全性，能够全面提升金属切削机床数控系统运行效率与金属切削加工精确性。

3 智能制造环境下金属切削机床数控系统的具体应用

根据金属切削机床数控系统体系结构设计方案，结合实际生产需求选择相应的加工技术，通过计算机对数控机床进行控制，本次系统设计中采用CAD技术模块和CAM技术模块。CAD技术模块能够按照加工零部件的现实特征进行处理，CAM技术模块具有良好的数控加工处理能力，从而为金属切削机床数控系统运行提供了可交互的编程工具，利用计算机对金属切削机床数控系统的加工制造参数进行优化，有效提升加工制造效率与质量。该技术的基本运行流程为：CAD建模→CAM加工定义→刀位计算与确定→加工刀位源文件→金属切削仿真→数控代码整理→程序输入→金属零部件现场加工。

3.1 加工坐标系构建

在金属切削机床数控系统体系结构中，通过采用CAD技术，能够实现对金属零部件的实体建模，实体建模为数控机床加工坐标体系构建的基础，数控加工刀位源文件的生成是以加工坐标体系为基础，工作坐标体系和加工坐标体系可以重合，也可以根据实际生产需求进行定义。数控机床的坐标系统主要包括坐标系、坐标原点和运动方向，根据国家规定标准，标准坐标系需要采用右手直角笛卡尔坐标系进行表现。在对加工坐标系进行定义时，坐标原点位置需要有利于生产人员快速准确对准刀位，并有利于加工过程中更换相应的刀具，提高加工效率。

3.2 加工区域规划

在不同的加工步骤中具有不同的特点，针对不同刀具加工需求，需要对不同的工艺规划方案进行定义。在不根据结构特点对加工区域进行划分的情况下，需要采用笼统的定义，对包含所有加工特点的加工范围进行定义，这种方式下加工区域划分工作量较少，数控加工编程工作量也会相应的降低，从而能够提高编程工作效率，但是所生产的控制编程程序针对性较差，整体运行效率较低，还会出现某个区域走刀路线出现偏差的问题，导致金属零部件的加工精度不足。在根据不同结构特征对加工步骤进行逐个区域划分的情况下，虽然划分工作量和编程工作量提高，但是能够使编程程序更有针对性，从而能够提高产品加工准确性。

3.3 加工刀具定义规划

在部分企业的生产实践中，金属材料加工难度较高，金属零部件产品的造型要求较为复杂，在加工过程中需要将大量的多余金属材料切除，为此需要按照粗加工、半精加工以及精细加工的基本需求，对数控机床系统中的加工刀具进行定义。在本次金属切削机床数控系统的刀具规划设计中，粗加工所使用的刀具不需要较高的准确性，主要目的是将多余的材料切除，完成初步加工，精加工对于刀具的精准性要求较高，需要将误差参数控制在合理的范围之内，因此，在数控机床编程中，粗加工需要选择大尺寸、大削量的刀具，精加工需要根据复杂型面产品的机构特点，选择由针对性的刀具，可以选择特殊刀具，并加强对刀具切换的程序编程，提高加工刀具工作效率和质量[4]。

3.4 加工路径规划

加工路径为金属切削机床数控系统中刀具的运动轨迹，包括金属零部件的主要加工内容与加工工序，是金属切削机床数控系统体系结构设计中的重要内容，对于加工路径的精准性要求较高，通过采用传感器获取其实际参数，能够有效保障加工的准确性。在金属切削机床数控系统的加工路径设计中，需要控制加工精度、产品表面粗糙度，并保证数值计算较为简单。通过编制程序规划出最短的金属切削路径，并保证空程量较低，是提高金属切削路径编程效果的有效方式。

3.5 金属切削加工误差补偿

在通过数控机床进行金属切削加工时，虽然加工精度得到很大提升，但是加工误差依然是不可避免的。如果误差过大，会严重影响金属产品加工质量，导致加工完成的金属零部件在尺寸、精度等参数方面与设计方案存在差异，故需要采用智能化的误差补偿技术。在伺服系统为半闭环式的数控机床系统中，伺服系统在运行过程中由于存在反向间隙误差，难以实现精准定位，因此，采用误差补偿法进行补偿，通过对该伺服系统的程序进行编辑，加入误差补偿功能，实现更高精度的金属切削加工作业[5]。例如，在对金属零部件进行精加工时，对吃刀量的选择需要结合数控机床的具体参数，并考虑到预留精加工余量，数控机床检测到该金属零部件的基本形态后，结合PLC控制技术的命令，能够采用相应的误差补偿模式，将金属切削误差降低，保证加工精度，提升金属零部件切削加工质量，在实践应用中效果良好。

4 结语

在科学技术快速发展的背景下，智能化技术、自动化技术为机械制造行业的技术创新提供了全新路径，机械制造技术水平不断提升，金属切削数控机床在智能制造中得以广泛应用。与传统的切削技术相比，数控机床能够有效提高作业效率与产品质量。为了进一步提高机床数控系统的运行效率与稳定性，提出了智能制造环境下金属切削机床数控系统的的硬件与软件设计方案，并对关键要点进行分析，结合设计方案详细阐述了金属切削机床数控系统的基本运行流程，希望能够对我国制造业数控机床系统设计领域起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高数控机床设计方案质量，在智能制造环境下提升我国制造业发展水平。