數(shù)控車床加工精度的影響因素分析及對策

丁美玲

（杭州汽車高級技工學(xué)校，浙江 杭州310011）

0 引言

作為一種先進的加工設(shè)備，數(shù)控車床在機械制造中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。在數(shù)控車床生產(chǎn)加工中，車床自身的加工精度對于工件產(chǎn)品的品質(zhì)有著直觀且重要的影響。一般來說，數(shù)控車床的加工精度主要由車的精度、編程精度、伺服精度以及插補精度決定，同時還受材料、制造、安裝、檢測、控制、環(huán)境等諸多因素影響?？梢哉f，在數(shù)控車床的加工過程中，每一個因素都可能成為影響車床最終加工精度的主要原因，如果不進行綜合分析與控制，任何一項誤差源都可能影響到零件的加工精度，影響生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

1 數(shù)控車床的工作原理

數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，配備有多工位刀塔或者動力刀塔，具有廣泛的加工工藝性能，可以加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧以及各種螺紋、槽、蝸桿等復(fù)雜工件，同時具有直線插補、圓弧插補等各種補償功能，推動了復(fù)雜零件的批量化生產(chǎn)，為加工制造企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床基本結(jié)構(gòu)

數(shù)控車床是集成了現(xiàn)代化制造技術(shù)、計算機技術(shù)等各種高新技術(shù)的，具有高自動化和高效率的現(xiàn)代化機械設(shè)備，其基本組成部分包括動力源、電子控制單元以及傳感器。數(shù)控車床的基本工作原理如圖2所示。

圖2 數(shù)控車床的基本工作原理

與普通車床相比，數(shù)控車床不需要操作人員不斷改變工具和機件之間的運動軌道，也不需要使用刀具對零件進行反復(fù)加工。數(shù)控機床在工作時，主要是按照相應(yīng)的順序?qū)Υ庸すぜM行處理，結(jié)合參數(shù)和數(shù)控要求的數(shù)控語言，對加工程序進行編制，之后輸入CNC（Computerized Numerical Control，計算機數(shù)字化控制）裝置中，對加工程序進行進一步的處理和完善，之后向系統(tǒng)發(fā)出命令，由系統(tǒng)驅(qū)動車床部件推動刀具運動，從而實現(xiàn)對于零件的加工。

2 數(shù)控車床的組成和特點

2.1 組成

從細節(jié)方面分析，數(shù)控車床的組成主要包括以下幾個部分：

（1）主機：主機是數(shù)控車床的主體，包括床身、主軸、立柱、進給機構(gòu)等機械部件，同時也是用于完成各種切削加工的機械部件。

（2）數(shù)控裝置：數(shù)控裝置是數(shù)控車床的靈魂與核心，包括硬件設(shè)備（印刷電路板、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，主要用于對數(shù)字化的零件加工程序進行輸入和存儲，同時也可以對數(shù)據(jù)進行處理和變化，實現(xiàn)各種控制功能。

（3）驅(qū)動裝置：驅(qū)動裝置是數(shù)控車床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包含主軸驅(qū)動單元、主軸電機、進給單元、進給電機等，可以在數(shù)控裝置的控制下，利用電氣或電液伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動。同時，將幾個進給聯(lián)動，則可以實現(xiàn)對工件的定位以及對各種直線、平面曲線、空間曲線等的加工。

（4）輔助裝置：輔助裝置指數(shù)控機床運行中一些必要的配套設(shè)施，是保證數(shù)控機床穩(wěn)定正常運行的基礎(chǔ)，其功能包括冷卻、排屑、潤滑、照明等，包含液壓裝置、排屑裝置、數(shù)控轉(zhuǎn)臺以及監(jiān)測裝置等。

2.2 特點

與普通車床相比，數(shù)控車床具有以下幾個特點：

（1）加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定；

（2）通過多坐標(biāo)聯(lián)動，可以實現(xiàn)對復(fù)雜工件的加工；

（3）如果需要加工不同的零件，只需對數(shù)控程序和相應(yīng)參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整即可，可有效節(jié)約生產(chǎn)的準(zhǔn)備時間；

（4）生產(chǎn)效率高，可以達到普通車床的3～5倍；

（5）自動化程度高，可以有效減輕工作人員的勞動強度；

（6）精密性高，對于操作人員和維修人員的素質(zhì)要求較高。

3 數(shù)控車床加工精度的影響因素

數(shù)控車床的加工精度主要是由數(shù)控系統(tǒng)的控制精度以及車床的機械精度共同組成的，而它們都會直接影響數(shù)控車床的加工精度。

結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，對數(shù)控車床加工精度的影響因素進行分析，主要包括以下幾點：

（1）車床的熱變形引發(fā)的誤差；

（2）車床自身的幾何誤差；

（3）刀具磨損產(chǎn)生的誤差；

（4）車刀幾何參數(shù)導(dǎo)致的誤差；

（5）伺服進給系統(tǒng)誤差。

對于現(xiàn)代數(shù)控車床而言，一般情況下，對于工件位置的控制，主要是通過伺服電機對滾珠絲杠的驅(qū)動實現(xiàn)的，如果滾珠絲杠出現(xiàn)傳動誤差，就可能影響車床的加工精度，這也是造成數(shù)控車床定位精度誤差的重要因素之一。

從目前我國數(shù)控車床的研究和應(yīng)用情況來看，數(shù)控車床的數(shù)控進程在大部分情況下都是采用半閉環(huán)控制和伺服進給控制，實現(xiàn)對加工過程的控制。當(dāng)數(shù)控車床處于工作狀態(tài)時，伺服電機中的絲杠反方向運動，會使得空隙出現(xiàn)空運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承與軸承座之間的空隙出現(xiàn)反向間隙誤差。這種誤差的存在再加上外力的作用，數(shù)控機床的傳動和運動部件會出現(xiàn)相應(yīng)的彈性變形，產(chǎn)生的誤差是正向運轉(zhuǎn)誤差與反向間隙之和，部件自身在運轉(zhuǎn)過程中的不均勻受力會導(dǎo)致彈性間隙出現(xiàn)變化，從而影響數(shù)控裝置的精度。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

在零件的加工過程中，主要是利用數(shù)控車床的車刀，按照相應(yīng)的參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)控設(shè)備的控制下，對零件表面進行加工和處理，以達到預(yù)期的加工效果。在實際應(yīng)用中，數(shù)控車床的車刀存在著主偏角和刀尖圓弧半徑，因此在對圓柱類工件進行加工時，會導(dǎo)致其軸線尺寸出現(xiàn)一定的變化，而且這個變化量與刀尖圓弧半徑的大小成正比例關(guān)系，如果刀尖圓弧半徑增大，則軸向尺寸的變化量也會隨之增大。同時，軸線尺寸的變化與車床刀的主偏角成反比例關(guān)系，會隨著車床刀主偏角的增大而減小。針對這種現(xiàn)象，在結(jié)合工件的特點對數(shù)控車床的加工和控制程序進行編制的過程中，必須充分考慮軸向尺寸的變化規(guī)律，對軸向位移的長度進行合理設(shè)置。因此在數(shù)控車床加工中，車刀的刀尖圓弧半徑、主偏角、車刀刀尖距與零件中心高的偏差等各項參數(shù)，都可能會對加工零件的精度以及零件表面的粗糙度造成相應(yīng)的影響，而且還可能導(dǎo)致車刀使用壽命的減短，需要引起操作人員和管理人員的重視。

結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究成果進行分析，在數(shù)控車床加工精度的影響因素中，不同的因素所產(chǎn)生的影響程度存在著一定的差別，具體如表1所示。

從表中可以看出，數(shù)控車床的加工精度受機床、刀具、夾具、工藝技術(shù)、加工環(huán)境等各種因素的影響。在正常加工條件下，數(shù)控車床自身的精度是影響被加工工件精度的最為重要的因素。同時，數(shù)控車床的幾何誤差在一般情況下會占據(jù)車床加工總誤差的20%～30%，對于精密和超精密數(shù)控車床而言，這個比例只會更高。

表1 數(shù)控車床加工精度影響因素的影響程度

4 提升數(shù)控車床加工精度的有效措施

4.1 做好數(shù)控車床的總體設(shè)計

在不斷發(fā)展的過程中，我國在數(shù)控車床的研究和制造方面取得了顯著的成效，目前大部分機床制造企業(yè)采取的生產(chǎn)策略，都是對主機結(jié)構(gòu)進行自行設(shè)計，對于一些重要的功能部件則采用外購的方法，這樣可以在保證車床整體質(zhì)量的前提下，有效降低車床的制造成本。在對數(shù)控車床進行整體設(shè)計時，需要遵循等剛度的原則，將機床的變形均勻分配到應(yīng)力傳遞的每一個部件上，避免因剛度不均導(dǎo)致車床局部結(jié)構(gòu)變形過大，出現(xiàn)剛度薄弱的部件。

同時，需要注意的是，數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)重心會對其自身的動態(tài)特性產(chǎn)生很大的影響，通過對其重心高度的降低，可以提高擺動的模態(tài)頻率。因此，在確保結(jié)構(gòu)可以滿足靜剛度的條件下，可以通過減少上部結(jié)構(gòu)材料使用量的方式，盡可能降低車床的整體重心。

對主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性進行優(yōu)化設(shè)計，也是提高數(shù)控車床加工精度的有效措施。如果車床在批量生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)存在熱誤差的缺陷，則很難對其進行改進，因此需要在設(shè)計階段充分重視。通常情況下，主軸系統(tǒng)的設(shè)計需要結(jié)合相應(yīng)的“熱對稱面”理論，將最容易影響加工精度的零件放置在熱對稱面上。換言之，就是把通過數(shù)控車床主軸中心同時垂直于床身底座的主軸箱安裝面當(dāng)做熱對稱面，主軸箱體兩側(cè)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對稱設(shè)計。通過這樣的方式，可以有效消除主軸中心存在的因箱體發(fā)熱所產(chǎn)生的零點漂移現(xiàn)象，改善熱變形所引發(fā)的加工精度誤差狀況。

4.2 提高床身導(dǎo)軌的幾何精度

從目前來看，數(shù)控車床一直都在向著高速度、高負荷、高精度的方向發(fā)展，因此對于車床的床身底座、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及其抗振性、剛度等提出了更高的要求，需要引起相關(guān)設(shè)計人員的重視。

對于全功能數(shù)控車床而言，通常都會采用斜床身的形式，床身一般呈封閉式筒形結(jié)構(gòu)，這樣可以簡化鑄造工藝，同時也可以減輕鑄件自身的重量。從力學(xué)角度分析，筒形結(jié)構(gòu)可以提高斜床身的抗扭和抗彎剛度，確保數(shù)控車床可以在復(fù)雜的切削負荷條件下，保持良好的精度。一般來說，從移動速度方面進行考慮，車床導(dǎo)軌應(yīng)該首選負載能力相對較大的圓柱滾子直線導(dǎo)軌。另外，為了保證數(shù)控車床在高負荷切削的條件下?lián)碛辛己玫木缺３中院洼^高的剛性，可以采用鑲鋼滑動導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)。

利用經(jīng)過磨削和淬硬處理后的鋼制滑動導(dǎo)軌，可以用螺釘安裝在經(jīng)過導(dǎo)軌磨床磨削的安裝面上，采用注塑材料對鋼導(dǎo)軌與底座導(dǎo)軌之間的間隙進行消除，然后在導(dǎo)軌磨床上進行整體磨削，以確保導(dǎo)軌獲得最佳的幾何精度。

4.3 誤差補償法

誤差補償法是利用數(shù)控系統(tǒng)自身的補償功能，對車床坐標(biāo)軸上存在的誤差進行補償，從而提高車床加工精度的一種有效的方法和手段。通過誤差補償?shù)姆绞?，可以在精度較低的數(shù)控車床中加工出高精度的零件。這種方法在實施過程中，既可以由硬件來完成，也可以由軟件來實現(xiàn)。

首先，對于采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控車床，車床在定位和重復(fù)定位方面的精度誤差主要受反向偏差的影響，進而影響被加工件的加工精度。對于這種情況，可以采用誤差補償法，對反向偏差進行補償，減少加工零件的精度誤差。從目前的發(fā)展情況看，我國多數(shù)數(shù)控車床的定位誤差在0.02 mm以上，這類數(shù)控車床自身一般并不具備誤差補償功能，因此可以通過編程的方法，利用相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)對工件和刀具的定位，對反向間隙進行清除。

然后，編程法可以在不改變數(shù)控車床機械部分和低速單向定位到達插補起始點的情況下，實現(xiàn)數(shù)控車床的插補加工。在插補加工的過程中，如果插補進給遇到反向情況，在給出反向間隙值后再進行插補，就可以滿足零件的公差要求。而其他類型的數(shù)控車床，可以在數(shù)控裝置內(nèi)預(yù)先存儲多個不同的地址作為專用儲存單元，對各軸的反向間隙值進行存儲。如果車床中的某個軸需要改變運動方向，可以直接讀取相應(yīng)的反向間隙值，對坐標(biāo)位移進行補償和修正，同時結(jié)合實際需求，實現(xiàn)車床的準(zhǔn)確定位，消除或減小反向偏差對于工件加工精度的影響。

4.4 誤差防止法

誤差防止法并不是對誤差的治理，而是事先預(yù)防，主要是通過對機床的合理設(shè)計和制造，提前對可能存在的誤差源進行消除，避免誤差的發(fā)生。例如，可以通過提升車床零部件的加工和裝配精度，改善車床的結(jié)構(gòu)，提升整體剛度；也可以對機械加工的環(huán)境進行合理控制，這些都可以提高機械加工的精度。但是，誤差防止法同樣存在一定的不足，如果一味提高車床的性能和精度，很可能導(dǎo)致車床制造成本的不斷增加，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。同時，如果單純采用誤差防止法提升數(shù)控車床的加工精度，當(dāng)精度達到一定要求后，再想提升就會變得極為困難。

5 結(jié)語

總之，隨著當(dāng)前加工制造行業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控車床作為一種高精度、高效率的自動化機床，得到了廣泛的應(yīng)用，其加工精度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，與被加工零件的尺寸、形狀、相對位置等密切相關(guān)，需要引起數(shù)控車床制造者和使用者的重視。本文結(jié)合數(shù)控車床的工作原理，對其加工精度的影響因素進行了簡單分析，并提出了提高數(shù)控車床加工精度的有效措施，對提高數(shù)控車床的加工精度，從整體上改善數(shù)控車床的現(xiàn)有水平，具有一定的參考價值，希望可以推動數(shù)控車床的不斷發(fā)展和進步，為我國的機械加工工業(yè)作出相應(yīng)的貢獻。

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