五軸數(shù)控機(jī)床加工精度分析

吳強(qiáng)

摘要：由于精密儀器、航空航天等行業(yè)對(duì)加工件的要求逐漸提高，傳統(tǒng)的加工方式不能滿足其高精度的要求，為了滿足工業(yè)制造的基本需求，有必要對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度與誤差進(jìn)行分析研究，尤其整機(jī)機(jī)床的誤差分析，減小誤差有助于提高五軸數(shù)控機(jī)床的精度，間接的也提高了加工件的加工精度，因此，研究對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床加工精度的分析研究對(duì)精度的提升具有實(shí)際的參考意義。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;幾何誤差;精度建模;精度預(yù)測(cè)

隨著我國(guó)制造的飛速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的機(jī)床加工滿足不了設(shè)計(jì)者要求的精度，尤其是在精密儀器的制造，需要極高精度的數(shù)控機(jī)床[1-2]。而五軸數(shù)控機(jī)床相對(duì)其他加工方式具有更好的柔性、加工精度更高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，使得其在機(jī)械制造、航空航天和大型精密儀器得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)控機(jī)床可以使被加工的產(chǎn)品得到較高的精度，但在數(shù)控機(jī)床自身的制造和研發(fā)中，需要準(zhǔn)確的把握數(shù)控機(jī)床的誤差，只要數(shù)控機(jī)床自身的誤差小，才能使制造更加精密的零件[3-4]。由于數(shù)控機(jī)床的精度主要取決于組成機(jī)床的零部件組裝，其整機(jī)的加工精度體現(xiàn)了被加工件的加工水平和要求[5]。對(duì)于數(shù)控機(jī)床的加工精度的分析主要采用幾何建模法、誤差矩陣法、二次關(guān)系模型法和多體系統(tǒng)理論法等算法，本文以五軸數(shù)控機(jī)床的精度和誤差為分析對(duì)象，旨在提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，為今后的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定良好的基礎(chǔ)。

1五軸數(shù)控機(jī)床的精度分析

由于數(shù)控機(jī)床自身的加工精度決定著數(shù)控機(jī)床加工零件的質(zhì)量和精度。隨著加工零件越來(lái)越復(fù)雜、幾何結(jié)構(gòu)越來(lái)繁瑣，各個(gè)面的精度也越來(lái)越高，使得五軸數(shù)控機(jī)床得到極大的應(yīng)用。然而數(shù)控機(jī)床的自身的各種問(wèn)題都極有可能導(dǎo)致待加工的零件質(zhì)量不合格，機(jī)床廠家對(duì)待加工零件完成之后，都會(huì)要求對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)精度不達(dá)標(biāo)，也無(wú)法對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行調(diào)整和修復(fù)，可能會(huì)耽誤很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的停止作業(yè)，使得制造成本大大增加。針對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和誤差一般是采取預(yù)防措施，也就是在數(shù)控機(jī)床的精度沒(méi)有超出偏差范圍之外進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)計(jì)劃隨時(shí)掌握對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)機(jī)床加工出的零件進(jìn)行精度檢測(cè)，并針對(duì)各個(gè)誤差來(lái)源對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，以此來(lái)消除或降低機(jī)床的誤差，從而使得機(jī)床的精度始終保持高精度的要求之內(nèi)。因此，對(duì)機(jī)床精度的分析和研究有效的提高了數(shù)控機(jī)床的精度，為其設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。五軸數(shù)控機(jī)床是一種專(zhuān)門(mén)用于加工機(jī)翼、葉輪、葉片、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等具有復(fù)雜空間曲面零件的高科技含量、高精密度的現(xiàn)代數(shù)控加工中心。其優(yōu)勢(shì)是能夠加工多曲面的結(jié)構(gòu)，尤其是三軸機(jī)床和一次裝夾無(wú)法加工的結(jié)構(gòu)，采用五軸數(shù)控機(jī)床可以加工一般三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床不能加工或者無(wú)法一次裝夾加工完成的自由曲面，節(jié)省裝夾次數(shù)和時(shí)間，還可以提高空間曲面的加工精度、加工效率和加工質(zhì)量。對(duì)于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以用加工精度和加工誤差來(lái)進(jìn)行評(píng)判，其中，加工誤差的大小體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的加工精度。由于在對(duì)零件的加工時(shí)，數(shù)控機(jī)床自身的加工精度需要考慮機(jī)床本體、夾具、工件和刀具等精度，從而改變刀具和工件在切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互位置關(guān)系從而影響零件的加工精度。

2五軸數(shù)控機(jī)床誤差分析

根據(jù)五軸數(shù)控機(jī)床的加工情況分析，不同類(lèi)型的誤差對(duì)機(jī)床總的誤差影響各有所不同，按照誤差的來(lái)源，可將其分為外部誤差和內(nèi)部誤差。其中，外部誤差是指機(jī)床加工時(shí)，機(jī)床所處的環(huán)境溫度、零部件的振動(dòng)、動(dòng)力的穩(wěn)定和操作等外界條件;內(nèi)部誤差主要是指數(shù)控機(jī)床加工原理和結(jié)構(gòu)上帶來(lái)的誤差，即系統(tǒng)誤差。通過(guò)對(duì)各個(gè)誤差的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)機(jī)床的誤差所占的比例分布如表1所示。2.1五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差分析。五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差是指由組成機(jī)床各部件工件表面的幾何形狀、表面質(zhì)量、相互之間的位置誤差所產(chǎn)生的機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差。任何一個(gè)物體在空間都有6個(gè)自由度，相當(dāng)于該物體在空間上就會(huì)存在6個(gè)方向的誤差。以X軸為例，五軸數(shù)控機(jī)床的存在的誤差如圖1所示。2.2熱誤差分析。數(shù)控機(jī)床由于再加工過(guò)程中，消耗了電能和動(dòng)能，相關(guān)的零部件也會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生溫度，尤其是刀具，再加上零部件都是由金屬材料加工而成，必然會(huì)受到溫度的影響。將整個(gè)機(jī)床的熱源可以分為兩大類(lèi)：內(nèi)部熱源和外部熱源。其中，內(nèi)部熱源是指數(shù)控機(jī)床本身產(chǎn)生的熱量，如傳動(dòng)件的軸承、數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)、傳動(dòng)動(dòng)力的齒輪和離合以及工作臺(tái)的導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)等，都會(huì)產(chǎn)生熱量;外部熱源是指數(shù)控機(jī)場(chǎng)所處的環(huán)境溫度，如氣溫、冷、熱風(fēng)氣流、陽(yáng)光、照明、暖氣設(shè)備等外界因素。機(jī)床熱誤差的產(chǎn)生主要由于數(shù)控機(jī)床的各個(gè)零部件的受熱不均勻，導(dǎo)致了材料的熱膨脹有差異，從而引起機(jī)床各部件的尺寸、外形和空間相對(duì)位置發(fā)生變化，導(dǎo)致主軸相對(duì)于工作臺(tái)的位置發(fā)生改變，原點(diǎn)坐標(biāo)變化，機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)的直線性產(chǎn)生偏差，破壞反饋系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。2.3其它方面的誤差分析。切削力產(chǎn)生的誤差是指數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中，由于刀具切削金屬零件而受到的反作用力，即切削作用力，導(dǎo)致刀具與被加工零件的位置發(fā)生誤差，影響工件的加工精度。刀具使用過(guò)程中，工件對(duì)刀具的磨損都會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。夾具誤差主要來(lái)源于夾具的定位元件和裝配等產(chǎn)生的誤差，這些誤差都會(huì)對(duì)被加工工件的位置產(chǎn)生巨大的影響。因此，在刀具的在使用過(guò)程都要不斷的修正，以此提高加工件的精度。

3總結(jié)

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的詳細(xì)介紹，主要從精度和誤差兩個(gè)方向入手，對(duì)數(shù)控機(jī)床的整體精度進(jìn)行有效的分析和研究，并對(duì)誤差的類(lèi)型做了一定的介紹，由于數(shù)控機(jī)床的加工精度主要受到外界和系統(tǒng)的誤差影響，因此對(duì)于誤差和精度的分析是非常有必要的，分析機(jī)床的誤差和精度有助于提高機(jī)床的整體性能，為今后機(jī)床的檢驗(yàn)和檢修提供一定的參考依據(jù)，也為精度的分配提供理論上的數(shù)據(jù)。

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