經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工中誤差來源分析及其對(duì)策

田康慶 王永水

摘 要：如何提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度是機(jī)床數(shù)控改造的關(guān)鍵問題之一，但在加工過程中，會(huì)由于某些原因產(chǎn)生不可接受的誤差，而致使零件報(bào)廢。本文將分析誤差產(chǎn)生的原因，根據(jù)這些來源情況采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床加工；誤差；對(duì)策

機(jī)械加工誤差是指零件加工后的實(shí)際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)之間偏差的程度。在實(shí)際零件加工過程中，由于各種原因，加工出的零件幾何參數(shù)與理想零件的幾何參數(shù)總有一定的誤差，以至于造成零件不合格甚至產(chǎn)生廢品。為了提高數(shù)控機(jī)床加工精度，必須對(duì)數(shù)控加工過程中所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行詳細(xì)分析，采取相應(yīng)措施。

1.程序編制中的誤差

如果把零件最早的輪廓形狀借助列表曲線進(jìn)行表示，采用近方程式與列表曲線發(fā)生逼近時(shí)，該方程式表現(xiàn)出的形狀和零件原本形狀之間形成的差值，就是所說的逼近誤差。在使用數(shù)控機(jī)床來對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，由于數(shù)控裝置之間具有互不相同的插補(bǔ)功能，所以與零件輪廓互相逼近的時(shí)候，都是選擇直線的方式進(jìn)行，有的時(shí)候則是用圓弧。直線或圓弧在馬上臨近零件輪廓曲線的時(shí)候，逼近曲線和現(xiàn)實(shí)中輪廓原來的曲線之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最大差值，這就是通常所說的插補(bǔ)誤差。

2.控制系統(tǒng)誤差

2.1開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

此類數(shù)控系統(tǒng)是很特殊的一個(gè)種類，系統(tǒng)沒有配備檢測(cè)裝置，同時(shí)也沒有反饋電路，主要的驅(qū)動(dòng)元件是步進(jìn)電機(jī)。進(jìn)給系統(tǒng)里面不存在反饋檢測(cè)裝置，所以前向通道里面產(chǎn)生的各種誤差沒有辦法以反饋信息呈現(xiàn)出來并加以補(bǔ)償，這樣在一定程度上就出現(xiàn)了輸出位置誤差。開環(huán)控制系統(tǒng)中最主要的輸出誤差就是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的誤差。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作運(yùn)行的過程中，主要會(huì)產(chǎn)生以下誤差：第一，動(dòng)態(tài)誤差。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常的單步運(yùn)行過程中，往往會(huì)產(chǎn)生一定的振蕩現(xiàn)象。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在頻率比較低的地方進(jìn)行工作，還會(huì)伴有共振現(xiàn)象產(chǎn)生。第二，啟停誤差。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無論是啟動(dòng)開機(jī)還是關(guān)機(jī)停止，都需要一個(gè)過渡的過程，在這個(gè)過程里，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和控制脈沖相比，前者總是處于滯后的狀態(tài)。針對(duì)引發(fā)以上誤差的原因，可以采取以下措施進(jìn)行改善：把好元件選擇關(guān)口。在條件允許的情況下，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，盡可能選擇步進(jìn)角最小的機(jī)器。把握好驅(qū)動(dòng)電路環(huán)節(jié)。針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制環(huán)節(jié)，一定選擇最優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)電路來完成此項(xiàng)工作。從控制原理方面入手。針對(duì)大型數(shù)控機(jī)床而言，通常要求具有很高的精度，那么開環(huán)系統(tǒng)在這方面就存在很大不足，可以增設(shè)類似于直光柵這樣的檢測(cè)裝置，可以針對(duì)前向通道可能產(chǎn)生的誤差起到監(jiān)視和補(bǔ)償作用。一旦有傳動(dòng)誤差產(chǎn)生，反饋電路就會(huì)迅速發(fā)出一定數(shù)量的附加脈沖，這樣一來，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)無論是多走步數(shù)還是少走步數(shù)都會(huì)得到有效的補(bǔ)償。

2.2閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

由于閉環(huán)系統(tǒng)在進(jìn)行位置檢測(cè)的時(shí)候，已經(jīng)將進(jìn)給傳動(dòng)鏈所具有的全部誤差包含進(jìn)去，所以具有相當(dāng)高的控制精度。但是，位置檢測(cè)進(jìn)行的反饋同時(shí)帶有諸多不穩(wěn)定因素，調(diào)試工作進(jìn)行起來具有很大難度。閉環(huán)系統(tǒng)主要的誤差來源主要有：檢測(cè)裝置通常具有制造誤差和安裝誤差，這兩種誤差會(huì)引起反饋系統(tǒng)產(chǎn)生誤差。機(jī)床零件與機(jī)構(gòu)之間經(jīng)常有誤差產(chǎn)生，因此檢測(cè)裝置在檢測(cè)的時(shí)候同樣會(huì)出現(xiàn)誤差，這樣得到的測(cè)量值就不再真實(shí)可靠。減小上述誤差的主要途徑有：如果條件允許，要盡量使用具有高分辨力的檢測(cè)裝置。在進(jìn)行檢測(cè)裝置安裝時(shí)，一定要盡量提高安裝精度。

2.3半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

這種系統(tǒng)主要存在于伺服電動(dòng)機(jī)之上，兩者之間是同軸安裝的關(guān)系，有時(shí)也可以把檢測(cè)裝置安裝在滾珠絲杠軸端，這樣就可以對(duì)角位移進(jìn)行測(cè)量，就可以把移動(dòng)部件產(chǎn)生直線位移數(shù)值間接地計(jì)算出來，再向數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行反饋，控制方式和閉環(huán)控制系統(tǒng)完全一樣。半閉環(huán)系統(tǒng)主要的誤差來源如下：上述提及的閉環(huán)系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差。滾珠絲杠帶有的螺母副與導(dǎo)軌副之間產(chǎn)生的誤差。

3.機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差

任何機(jī)床的驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸在移動(dòng)和停止時(shí)，都要經(jīng)歷一個(gè)升、降速過程。在高檔數(shù)控機(jī)床中，由于有液壓驅(qū)動(dòng)和鎖緊系統(tǒng)，其升、降速率可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，而經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床由于沒有液壓驅(qū)動(dòng)和鎖緊系統(tǒng)，則升、降速率在一定的時(shí)間內(nèi)才能完成。這種傳動(dòng)系統(tǒng)的滯后（即慣性）、停頓在加工內(nèi)槽型面等輪廓中，當(dāng)零件輪廓有拐角時(shí)刀具容易產(chǎn)生超程而導(dǎo)致加工誤差。編程時(shí)應(yīng)在接近拐角前適當(dāng)降低進(jìn)給速度，過拐角后再逐漸增速。數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)副中包含有齒輪、軸、傳動(dòng)絲杠存在反轉(zhuǎn)間隙，當(dāng)工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種間隙會(huì)造成電動(dòng)機(jī)空走而工作臺(tái)不運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生誤差；傳動(dòng)部分的受力變形和熱變形引起的誤差；工作臺(tái)導(dǎo)軌誤差。針對(duì)以上的幾種誤差原因可以采用以下的方法：對(duì)傳動(dòng)反向間隙，在開環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中可將其間隙值測(cè)出，作為參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，作為反向間隙補(bǔ)償值在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)于由于機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)芰ψ冃魏蜔嶙冃味鸬恼`差，可以通過增大傳動(dòng)鏈的剛性、減小摩擦力等來解決。

4.進(jìn)給誤差

進(jìn)給誤差通常產(chǎn)生于數(shù)控機(jī)床和傳動(dòng)鏈兩者之間，是二者產(chǎn)生的誤差。進(jìn)給誤差通常由以下的幾種原因?qū)е拢簼L珠絲杠日積月累，出現(xiàn)累積的螺距誤差。滾珠絲杠和螺母支架由于長(zhǎng)時(shí)間處于受力或者受熱的狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)變形，直至引發(fā)誤差。工作臺(tái)出現(xiàn)在導(dǎo)軌方面的誤差。可以采用以下措施，達(dá)到有效減小進(jìn)給誤差的目的：針對(duì)開環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)來說，累計(jì)產(chǎn)生的螺距誤差可以借助數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行誤差的修正和補(bǔ)償工作，因此，只要用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，就會(huì)將該差值進(jìn)行自動(dòng)考慮，并且進(jìn)行補(bǔ)償處理。針對(duì)機(jī)械傳動(dòng)鏈遭受外力影響，導(dǎo)致變形以及受熱變形而產(chǎn)生的誤差，可以采用增大傳動(dòng)鏈剛性，或者減少摩擦力的方法解決。

5.結(jié)語

使用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)產(chǎn)生的誤差來源十分復(fù)雜，除了上述討論的相關(guān)加工誤差外，還有很多。只有合理掌握數(shù)控機(jī)床的原理，強(qiáng)化操作人員的工藝知識(shí)，才能很好地解決數(shù)控機(jī)床的加工誤差問題，提高數(shù)控加工精度，從而生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

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