淺談CNC機(jī)床加工中的主要誤差及改善方法

王志學(xué)

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112000）

機(jī)床精密程度，作為評(píng)判制造業(yè)發(fā)展程度的一個(gè)重要參考指標(biāo)，是每一個(gè)國家都致力去提高和完善的。機(jī)床在使用的過程中，因?yàn)槠浔旧碛捎谥圃炷芰υ斐傻牟豢杀苊獾恼`差，以及在長時(shí)間使用后磨損所造成的誤差，會(huì)影響零件的加工精度。通過科學(xué)的方法，找出機(jī)床所存在的誤差并加以改善，來提高機(jī)床精度，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。

CNC機(jī)床的加工精度，主要由數(shù)控系統(tǒng)的控制精度和機(jī)床的機(jī)械精度共同組成的。數(shù)控系統(tǒng)的精度高低、伺服控制的方法是否調(diào)整到最優(yōu)，直接影響CNC機(jī)床的加工精度。

1 CNC機(jī)床加工中的主要誤差

1.1 主軸的回轉(zhuǎn)誤差

機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差，實(shí)際上就是主軸在回轉(zhuǎn)過程中，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于理論回轉(zhuǎn)軸線的漂移，其對(duì)被加工工件的加工精度有著重大的影響。機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差主要有3種形式：純軸向竄動(dòng)、純徑向跳動(dòng)和純角度擺動(dòng)。而這3種形式在產(chǎn)生誤差的過程中，往往是相互共存的。

1.2 導(dǎo)軌的誤差

機(jī)床導(dǎo)軌副是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的主要部件，其制造和裝配精度，是影響直線運(yùn)動(dòng)精度的主要因素，是機(jī)床上確定各機(jī)床部件相對(duì)位置關(guān)系的基準(zhǔn)，也是機(jī)床運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。因此，機(jī)床導(dǎo)軌誤差對(duì)零件的加工精度產(chǎn)生直接的影響。在加工過程中，導(dǎo)軌誤差將會(huì)對(duì)水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)直線度產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)導(dǎo)軌面間平行度和主軸軸心線平行度產(chǎn)生影響。

臥式車床導(dǎo)軌（如圖1）在水平面內(nèi)的直線度誤差△1，會(huì)導(dǎo)致被加工工件在表面的法線方向上產(chǎn)生誤差，降低了加工精度。而在垂直面內(nèi)的直線度誤差△2可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差，不過影響要比△1小得多。

圖1 臥式車床導(dǎo)致直線度誤差

1.3 傳動(dòng)鏈誤差

機(jī)床的傳動(dòng)誤差，是指在機(jī)床傳動(dòng)鏈的輸入軸驅(qū)動(dòng)完全準(zhǔn)確且為剛性的條件下，其輸出軸的實(shí)際位移與理論位移之差。由于機(jī)床各個(gè)元件在動(dòng)力傳動(dòng)過程中，必然存在著配合誤差和其他誤差，導(dǎo)致了傳動(dòng)鏈誤差的存在，而這些誤差又會(huì)反映到被加工工件上，造成被加工工件出現(xiàn)形狀誤差和尺寸誤差等。

1.4 滾珠絲杠誤差

滾珠絲杠作為現(xiàn)代機(jī)床的重要進(jìn)給部件，其自身精度對(duì)加工精度有很大的影響，尤其是在開環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，對(duì)定位精度影響很大。盡管現(xiàn)代制造業(yè)不斷發(fā)展，滾珠絲杠的制造精度也得到不斷地提高，但是制造誤差總是不可避免的。而且在長時(shí)間使用后，滾珠絲杠必然會(huì)產(chǎn)生磨損，造成精度下降。

1.5 機(jī)床地基造成的誤差

地基是整個(gè)機(jī)床的支撐平臺(tái)，而機(jī)床安裝的好壞，直接影響其壽命和加工精度。若機(jī)床安裝不正確，即使導(dǎo)軌加工精度很高，也很難達(dá)到預(yù)期的目的。尤其當(dāng)機(jī)床安裝在靠近熱源或者溫度變化大、周圍濕度大、粉塵濃度大、距震源近的地方，將會(huì)使機(jī)床的誤差變大。

2 機(jī)床精度檢測的常用方法

2.1 常規(guī)檢測方式

通常情況，可以運(yùn)用直尺、方規(guī)、千分表、百分表等進(jìn)行精度檢測，不過這種檢測方式只適合進(jìn)行單一精度指標(biāo)的分散測量，而且檢測精度不高。

2.2 系統(tǒng)伺服硬件、檢測軟件的檢測方式

運(yùn)用CNC系統(tǒng)自身的伺服硬件和檢測軟件，進(jìn)行精度檢測，雖然其不能對(duì)機(jī)械精度進(jìn)行檢測，但檢測精度很高，且可對(duì)二軸插補(bǔ)軌跡進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果反映了伺服精度。

2.3 激光干涉儀、球桿儀檢測方式

運(yùn)用激光干涉儀（如圖2）、球桿儀（如圖3）進(jìn)行精度檢測，這種檢測方式兼具了第二種檢測方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，能夠?qū)λ欧?、機(jī)械精度進(jìn)行檢測，反映伺服、機(jī)械的總體精度。由于通過這種檢測方式得到的檢測結(jié)果，更具直觀性和準(zhǔn)確性，所以是目前較常用的檢測手段。

圖2 激光干涉儀

圖3 球桿儀

3 提高CNC機(jī)床精度的主要方法

3.1 采用硬件方法對(duì)CNC機(jī)床進(jìn)行修復(fù)

常見的CNC機(jī)床改造方法如下所述。

（1）修復(fù)機(jī)床主軸精度。主軸主要傳遞動(dòng)力供工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)退、刀架運(yùn)動(dòng)，是整個(gè)機(jī)床的心臟，對(duì)加工品質(zhì)和生產(chǎn)率有重要影響。所以，修復(fù)主軸的精度，對(duì)于提高整個(gè)機(jī)床精度起著重大的作用。為了確定修復(fù)方案，對(duì)于那些精度超差的主軸，我們應(yīng)該對(duì)其拆卸以后再進(jìn)行全面檢查。

（2）修復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌精度。機(jī)床導(dǎo)軌用于對(duì)零部件進(jìn)行支撐和導(dǎo)向作用，導(dǎo)軌在空載和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度，其是機(jī)床幾何精度的基礎(chǔ)。所以，在長時(shí)間使用后，為了達(dá)到預(yù)定的精度要求，就要對(duì)導(dǎo)軌精度進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于CNC機(jī)床，我們可以采用粘結(jié)法來修復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌精度，通常是在動(dòng)導(dǎo)軌上粘結(jié)聚四氟乙烯軟帶。這種修復(fù)方法，簡化了工藝，縮短了制造周期，能快速地修復(fù)機(jī)床精度，提高生產(chǎn)效率。

（3）減小傳動(dòng)環(huán)節(jié)的間隙。CNC機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)通常都比較高，能在結(jié)構(gòu)上達(dá)到無間隙傳動(dòng)。因而在更換機(jī)床主要齒輪時(shí)，為了保證機(jī)床加工精度，必須確保所換齒輪能夠滿足CNC機(jī)床的使用要求。對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)，一定要調(diào)整好蝸輪蝸桿的反向間隙。此外，對(duì)于同步齒形帶，還要對(duì)齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減小傳動(dòng)過程產(chǎn)生的誤差。

（4）修復(fù)或更換滾珠絲杠。在解決滾珠絲杠引起機(jī)床精度降低的問題時(shí)，可以分為兩種情況：其一，是誤差在允許的范圍內(nèi)；其二，是誤差超出允許的范圍內(nèi)。

對(duì)于前一種，我們可以先進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)不成功再進(jìn)行更換；而第二種情況，我們必須更換新的滾珠絲杠，才能保證它的定位精度。尤其是在半閉環(huán)系統(tǒng)中，絲杠起到了傳動(dòng)和標(biāo)尺的作用，只有保證了滾珠絲杠的精度，才能使工作臺(tái)的精度得到保證。

（5）完善機(jī)床地基的設(shè)計(jì)與制作。機(jī)床地基的設(shè)計(jì)，包括地基類型的選擇、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的確定、地腳螺栓預(yù)制孔的形式與位置以及電氣箱、液壓箱、恒溫油箱、冷卻箱、排屑裝置、氣源出口、電源出口隔震槽的位置等，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮以上各個(gè)因素的影響，盡可能地完善機(jī)床地基的設(shè)計(jì)。同時(shí)還要嚴(yán)格按地基圖要求制作地基，不得擅自設(shè)計(jì)或按想象簡單地制作地基，否則會(huì)造成機(jī)床安裝后水平走失、相關(guān)精度無法保證、運(yùn)行不穩(wěn)定等嚴(yán)重后果。

3.2 采用軟件方法對(duì)機(jī)床進(jìn)行修復(fù)

誤差補(bǔ)償是移動(dòng)運(yùn)動(dòng)副使刀具和工件在空間誤差的逆方向上有一相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。在早期的誤差補(bǔ)償研究中，誤差是通過離線修改CNC代碼而實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在主要有兩種誤差補(bǔ)償方法：反饋中斷法與原點(diǎn)平移法。

（1）反饋中斷法。是將相應(yīng)信號(hào)插入伺服相同的反饋環(huán)中而實(shí)現(xiàn)的。它通過對(duì)計(jì)算機(jī)在編碼器獲取的反饋信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)機(jī)床導(dǎo)軌位置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，適用性強(qiáng)，范圍廣，可用于任何機(jī)床，包括一些老式機(jī)床。不過，這種方法需要特殊的電子裝置將相位信號(hào)插入伺服環(huán)中。而這種插入有一定的復(fù)雜性，操作時(shí)必須謹(jǐn)慎小心，才能避免機(jī)床本身的反饋信號(hào)與插入信號(hào)產(chǎn)生干涉。

（2）原點(diǎn)平移法。是先檢測出機(jī)床的誤差，再通過CNC控制器接收由誤差量轉(zhuǎn)化成的補(bǔ)償信號(hào)，之后通過I/O口將控制系統(tǒng)的參考原點(diǎn)進(jìn)行平移，并將其加入到伺服環(huán)的控制信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)誤差量的補(bǔ)償。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)機(jī)床的坐標(biāo)值和控制器上執(zhí)行的程序產(chǎn)生影響，但要改變CNC控制器中的可編程控制器單元。所以缺點(diǎn)就是不能適用于一些適用老式控制器的機(jī)床。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，更多更先進(jìn)的CNC機(jī)床將會(huì)被研發(fā)出來，從而也會(huì)造成機(jī)床誤差的多樣化。因此我們必須在實(shí)踐中，不斷探索不斷發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)的過程中，不斷論證不斷改善，才能有效地降低誤差，提高機(jī)床精度。

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