數(shù)控機(jī)床精度影響原因及改進(jìn)措施

摘 要：首先，文章提出了影響數(shù)控機(jī)床精度的原因，其次，并對各影響原因提出對應(yīng)的改進(jìn)措施和改善方向，對數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床使用穩(wěn)定性的維護(hù)有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)床精度;機(jī)床結(jié)構(gòu);動態(tài)響應(yīng)

一、 對數(shù)控機(jī)床加工精度的影響原因主要包括如下幾個方面

（一）變形

包括由于本身結(jié)構(gòu)不合理等因素導(dǎo)致的彈性變形和機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的發(fā)熱傳遞給機(jī)床造成的變形，熱變形是影響機(jī)床加工精度的最主要因素，最高可達(dá)機(jī)床總加工誤差的70%。

（二）間隙

由于制造和裝配誤差、彈性變形以及磨損都會產(chǎn)生間隙，間隙會造成定位精度變差和響應(yīng)滯后，在閉環(huán)系統(tǒng)中會造成系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩制造。

（三）磨損

包括局部磨損、正常使用磨損本來就不可避免，只能通過措施減少磨損帶來的影響。一般機(jī)械設(shè)備中約有80%的零件因磨損而失效報(bào)廢，材料、裝配、變形、潤滑不好等情況均會導(dǎo)致磨損加劇，從而造成設(shè)備精度喪失。

（四）動態(tài)響應(yīng)

是所有機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)床狀況的最終反映，決定了機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性。且受溫度、潤滑情況、加工負(fù)載等情況的影響比較大。

二、 針對以上導(dǎo)致機(jī)床精度變差甚至喪失的情況，可以有針對性的采用一定的措施來提高機(jī)床的精度

（一）變形：通過機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理布局和優(yōu)化，減少變形的產(chǎn)生

1. 合理布局

以鏜銑床為例，針對不同加工零件的要求采用不同的床身布局結(jié)構(gòu)。

工作臺有十字形布局和T形床身布局，其中T形布局的工作臺與床身分離，剛性好，承載能力強(qiáng)適用于較重的零件。對于主軸箱懸掛于立柱對于精度要求高的機(jī)床一般采用框式立柱，避免采用單側(cè)懸掛?？蚴搅⒅Y(jié)構(gòu)對稱，受力和溫度變化的變形小，有利于提高加工精度。

其他類型的機(jī)床如臥車盡量采用斜床身結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且有利于排屑排水。對于大型重型零件的銑削加工多采用天車式龍門結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定精度高。

2. 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

對于立柱、橫梁、床身、底座等采用變形小熱穩(wěn)定性好的鑄鐵作為材料，內(nèi)部合理布置隔板和筋條，減小應(yīng)力變形的同時又能提高剛性，且內(nèi)空的結(jié)構(gòu)易于散熱，一些精度要求特別高的場合內(nèi)部可增加強(qiáng)制冷卻，進(jìn)一步減小熱變形。

一些影響精度的關(guān)鍵部件采用整體式的“箱中箱”結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高剛性。在機(jī)床設(shè)計(jì)之初就通過三維有限元分析，合理布置加強(qiáng)筋和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3. 輔助支撐

對較重的部件采用更多的支撐，比如工作臺導(dǎo)軌增加副導(dǎo)軌以加強(qiáng)剛性。重力軸采用雙絲杠傳動，對于較重或有快速響應(yīng)要求的增加平衡油缸支撐等。

4. 變形糾正機(jī)構(gòu)

對一些直線度要求高的場合，增加直線糾正機(jī)構(gòu)和扭曲糾正機(jī)構(gòu)以用于后期機(jī)床維護(hù)時候的精度調(diào)整。

（二）間隙：通過優(yōu)化材料、提高制造裝配精度、采用合理的消隙機(jī)構(gòu)消除間隙

1. 優(yōu)化材料

（1）對于大型設(shè)備本體、立柱、工作臺底座等采用熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)鑄件材料，并做時效處理。例如工作臺、立柱、橫梁、滑座等常采用HT250、HT300、HT200等優(yōu)質(zhì)鑄鐵，立車滑枕、臥加鏜桿等常采用QT50-5、45、鍛造合金鋼等材料。

（2）為加強(qiáng)導(dǎo)軌硬度及耐磨性，一般導(dǎo)軌經(jīng)淬火處理。

（3）對于精度要求較高的場合，采用熱膨脹系數(shù)更好的大理石作為工作臺和導(dǎo)軌。

2. 提高制造裝配精度

通過對靜壓導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌安裝面等關(guān)鍵的結(jié)合面的精磨、手工刮研（俗稱鏟花）進(jìn)一步提高結(jié)合面精度，增加貼合面剛度，減小間隙。采用精度更高級別的滑塊、軸承等提高精度。

3. 合理消隙

通過機(jī)械、液壓、電氣雙電機(jī)控制等方式消除齒輪傳動間隙。通過預(yù)緊裝置，調(diào)整軸承預(yù)緊游隙等措施，提高傳動精度的同時也保證較高的剛性。

（三）磨損：采用耐磨材料合理潤滑減少磨損

幾乎所有的磨損都會影精度，包括導(dǎo)軌磨損、傳動鏈磨損（齒輪、絲杠、軸承），其中影響機(jī)床使用壽命最大的是導(dǎo)軌磨損，因?yàn)閷?dǎo)軌往往與機(jī)床是一體的無法更換。導(dǎo)軌按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌（可更換）和靜壓導(dǎo)軌三種。

對于滑動導(dǎo)軌常采用鑄鐵-塑料的方式，貼塑常用材料有聚四氟乙烯軟帶或環(huán)氧型耐磨涂層兩類，在正常供油的情況下，不僅摩擦系數(shù)小，不易磨損且靜摩擦和動摩擦系數(shù)差別也很小這樣有利于防止導(dǎo)軌出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象傳動較平穩(wěn)。

對于速度響應(yīng)要求較高的場合采用滾動導(dǎo)軌包括直線導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌塊。滾動導(dǎo)軌的最大優(yōu)點(diǎn)在于磨損后更換方便。

在大型、重型和精度要求非常高的數(shù)控機(jī)床上常采用靜壓導(dǎo)軌，即在兩個相對運(yùn)動的導(dǎo)軌面間通以壓力油，將運(yùn)動件浮起，使導(dǎo)軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)極小，導(dǎo)軌幾乎不會磨損，壽命長，但是靜壓導(dǎo)軌制造和調(diào)整都比較困難，成本較高。

（四）動態(tài)響應(yīng)：通過反饋系統(tǒng)、電氣補(bǔ)償，優(yōu)化、提高阻尼等提升動態(tài)響應(yīng)性能

1. 采用反饋系統(tǒng)提高控制精度

控制系統(tǒng)分開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度和制造成本逐漸提高。精度要求高的場合基本上全部采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。即直接測量最終的移動部件實(shí)際位移，并實(shí)時反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過實(shí)際位置與預(yù)定位置的差值進(jìn)行正向或反向的調(diào)整以保證精確的位置和速度控制。

2. 電氣補(bǔ)償

包括反向間隙補(bǔ)償、螺距補(bǔ)償、垂度補(bǔ)償（交叉補(bǔ)償）等。通過激光干涉、球桿儀等精密儀器測量實(shí)際位置，通過數(shù)控系統(tǒng)定點(diǎn)或按照一定的對應(yīng)關(guān)系對軸的移動位置坐精確補(bǔ)償。

3. 提高系統(tǒng)阻尼

大型機(jī)床通過殊部位填充黏彈性的高分子聚合物以增加機(jī)床的阻尼，減少顫震，提高機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定性降低溫度的敏感性。

三、 結(jié)語

通過對影響機(jī)床精度和穩(wěn)定性的原因探討，提出有針對性的改進(jìn)措施。當(dāng)然精度越高所需的成本和制造維護(hù)難度也越高。應(yīng)該對于不同加工工況和加工精度的要求，采用事宜的提高措施。

作者簡介：

張厚來，南京高速齒輪制造有限公司。