影響數(shù)控車床加工精度的因素及其優(yōu)化方案

門小會(huì)

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控車床是在普通車床的基礎(chǔ)上加入CNC系統(tǒng)，屬于數(shù)字化控制的自動(dòng)化機(jī)床。該機(jī)床具有加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械加工行業(yè)一次新的技術(shù)革命。文章介紹了數(shù)控車床的工作原理和特點(diǎn)，從伺服系統(tǒng)、刀具參數(shù)和切削用量的選擇等方面分析了影響數(shù)控車床加工精度的因素，并針對(duì)這些影響因素提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;加工精度;影響因素;優(yōu)化方案

0? 引言

隨著科技的發(fā)展，機(jī)械在人們生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，人們生活的各領(lǐng)域都有數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用。與普通車床相比較數(shù)控車床在加工精度、作業(yè)效率、自動(dòng)化程度等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)零件加工精度的要求也越來越高。在實(shí)際加工生產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床還不能完全發(fā)揮它的性能，在高精度工件加工上還存在許多不足，想要滿足人們對(duì)工件加工的精度要求，就需要弄清楚影響數(shù)控車床加工精度的因素，并針對(duì)這些因素做出相應(yīng)的優(yōu)化方案[1]。

1? 概述

1.1 數(shù)控車床的工作原理

在普通車床的機(jī)床本體基礎(chǔ)上加入CNC系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)）形成一種新的車床就是數(shù)控車床，其融合了多項(xiàng)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，具有加工精度高、作業(yè)效率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。數(shù)控車床的工作原理與傳統(tǒng)車床不同，它是通過數(shù)控設(shè)備對(duì)實(shí)際要加工零件進(jìn)行描述和編織語言，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中去，再進(jìn)行操作，該流程通過數(shù)字傳輸設(shè)備、CNC裝置、控制面板等去完成，如圖1所示為數(shù)控車床的硬件組成部分。

由圖1可以更好的看出數(shù)控車床的工作原理，其工作過程為：工作人員先將待加工零件裝置在機(jī)床本體的卡具上;工作人員將待加工零件需要加工的要求（加工形狀、尺寸和精度等）通過控制面板輸入到CNC系統(tǒng)中;工作人員在CNC系統(tǒng)中繪制出零件需要加工的信息（刀具移動(dòng)軌跡及其他相關(guān)信息）;以上信息通過CNC裝置轉(zhuǎn)化為代碼記錄在程序中，之后再傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中[2];傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中的信息通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行譯碼和運(yùn)算，然后傳出指令，下發(fā)給電氣回路、主軸伺服裝置及其他輔助裝置等;CNC系統(tǒng)中的各裝置將帶動(dòng)機(jī)床進(jìn)行工作（依據(jù)之前錄入和轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)），從而加工出符合要求的零件。

1.2 數(shù)控車床的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)機(jī)床相比較數(shù)控車床加入了CNC系統(tǒng)，在各方面工作中數(shù)控車床零件加工具有明顯優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在四點(diǎn)：

①加工精度高。數(shù)控車床在傳統(tǒng)車床的基礎(chǔ)上加入了CNC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度很高，可以為機(jī)械零件加工提供穩(wěn)定性和一致性保障。

②加工深度高。CNC控制系統(tǒng)可以通過匯編多種程序?qū)崿F(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的功能，因此可以加工出形狀更加復(fù)雜的機(jī)械零件[3]。

③提高工作效率。該系統(tǒng)可以通過改變輸入程序去控制不同的加工零件，這種系統(tǒng)可以節(jié)省零件的計(jì)算評(píng)估時(shí)間，從而提高工作效率。

④自動(dòng)化程度高。數(shù)控車床加工零件的效率時(shí)傳統(tǒng)車床的好幾倍，其自動(dòng)化程度高，在零件加工上能夠批量進(jìn)行，提高了工作效率減少了工作人員的工作強(qiáng)度。

2? 影響數(shù)控車床加工精度的因素

2.1 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的跟隨或復(fù)制車床工作的某一過程，因此還被稱為隨動(dòng)系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)等，是整個(gè)數(shù)控車床系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)。車床的零部件加工工作就是伺服系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件來完成的，而零件的加工精度也是由伺服系統(tǒng)控制的（由其自身的電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的傳動(dòng)精度決定）。在實(shí)際的加工工作中，數(shù)控車床多使用閉環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳遞信號(hào)之后絲杠會(huì)發(fā)生反向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的空轉(zhuǎn)狀況?？辙D(zhuǎn)狀況會(huì)引起反向間隙誤差，進(jìn)而會(huì)對(duì)零件加工精度造成影響[4]。

2.2 刀具參數(shù)

數(shù)控車床通過程序控制的刀具對(duì)零件進(jìn)行加工完成產(chǎn)品的切削。在實(shí)際工作中，切削棒料零件的車刀軸線不是固定的，會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化，從而導(dǎo)致刀尖圓弧半徑變大，切削產(chǎn)品的偏差也就越大。這些變化會(huì)導(dǎo)致軸線尺寸變大、車床刀的主偏角變小等。如果這些偏差不被及時(shí)糾正，就會(huì)導(dǎo)致偏差越來越嚴(yán)重。因此，在CNC控制系統(tǒng)中設(shè)置刀具參數(shù)時(shí)，要實(shí)事求是，在遵循軸向尺寸變化規(guī)律的基礎(chǔ)上設(shè)定合理的軸向位移長(zhǎng)度、刀尖圓弧半徑和主偏角等全面分析車刀的各項(xiàng)參數(shù)[5]。在進(jìn)行程序編程之前要清楚待加工產(chǎn)品的特性，對(duì)刀具軸線偏差進(jìn)行科學(xué)的分析與修正，從而完成理想的零件加工。

2.3 切削用量的選擇

切削速度、切削深度和進(jìn)給量這三者被稱為切削三要素，即切削用量;這三個(gè)因素直接影響到零件加工的精度和表面粗糙程度。在零件加工的初級(jí)階段，大多選擇較大的背吃刀量來提高效率，但是背吃刀量越大切削力就越大，這種切削用量容易造成刀具和零件的損壞，對(duì)產(chǎn)品的加工精度造成很大的影響。在零件的精加工階段，對(duì)工件的精度要求更加嚴(yán)格，所以該階段要選擇較快的切削速度和較小的進(jìn)給量，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際的背吃刀量預(yù)留出適當(dāng)?shù)木扔嗔俊?/p>

3? 數(shù)控車床加工精度的優(yōu)化方案

3.1 誤差改進(jìn)方法

誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品的精度具有很大的影響，想要提高加工產(chǎn)品的精度，就一定要善于利用誤差補(bǔ)償法，即在系統(tǒng)的補(bǔ)償功能基礎(chǔ)上，將軟件和硬件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，補(bǔ)償已經(jīng)存在的坐標(biāo)軸，以此來提高加工零件的精度。如果在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中出現(xiàn)誤差問題，最好的解決辦法是使用反向偏差補(bǔ)償法來消除潛在誤差和提高定位精度。反向偏差補(bǔ)償法與誤差補(bǔ)償法是不同的，它是在機(jī)床工作過程中，盡量縮減零件的誤差和潛伏誤差，把總的誤差縮減在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，如圖2所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理[6]。但是，該方法與誤差補(bǔ)償法相比費(fèi)用較高，因此，還需要不斷的創(chuàng)新與發(fā)展，以求達(dá)到低成本、低誤差、高精度的加工過程。

3.2 重視對(duì)車床機(jī)控的維護(hù)

數(shù)控車床的工作原理是通過內(nèi)置的CNC控制系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行加工處理，通過變換程序和主軸更換刀具完成產(chǎn)品的加工，屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)床需要時(shí)常進(jìn)行檢查，在重要部位進(jìn)行油位和潤(rùn)滑，同時(shí)還需要定期進(jìn)行濾網(wǎng)清理、精度調(diào)整等工作。而且，數(shù)控車床不宜長(zhǎng)時(shí)間閑置，該機(jī)床是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，與電氣系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)有著密切關(guān)聯(lián)，如果長(zhǎng)時(shí)間沒有作業(yè)，系統(tǒng)的插頭接觸、電池等容易出現(xiàn)問題，再次使用時(shí)可能需要進(jìn)行更換才能正常工作。

3.3 抑制伺服系統(tǒng)的誤差

伺服系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控車床系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，在車床加工中具有重要的作用，它出現(xiàn)問題后會(huì)直接影響到工件加工的精準(zhǔn)度[7]。因此，在數(shù)控機(jī)床的工作過程中一定要重視伺服系統(tǒng)的誤差問題?？梢詮囊韵聝蓚€(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：從車床開始的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就要引起重視，驅(qū)動(dòng)裝置要采用動(dòng)態(tài)性能好的，良好的動(dòng)態(tài)性能可以增強(qiáng)伺服裝置的抗壓水平和、抗載能力等，盡可能的縮減了伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差可能性;伺服裝置設(shè)置好之后，要對(duì)CNC控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3.4 防止熱變形誤差

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)制造業(yè)對(duì)機(jī)床加工的精度要求也越來越高，而影響數(shù)控車床質(zhì)量的一個(gè)重要因素之一就是熱加工。在機(jī)床工作過程中，當(dāng)工件的精準(zhǔn)度越高時(shí)，往往受熱誤差的影響越高。熱誤差是由機(jī)床的零部件軸承和馬達(dá)由于工作受溫或者其他零部件的摩擦接觸所產(chǎn)生的，同時(shí)機(jī)床零部件的摩擦?xí)?dǎo)致周圍部件產(chǎn)生變形。我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來說發(fā)展緩慢，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱誤差認(rèn)識(shí)不夠，因此在日常生產(chǎn)中多會(huì)出現(xiàn)熱誤差。想要減少熱誤差的產(chǎn)生，就要從控制熱源開始，可以通過建造冷卻回路來控制溫差，減少熱量的產(chǎn)生和傳播。

3.5 優(yōu)化床身導(dǎo)軌的幾何精度

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，數(shù)控車床的加工精度和效率都得到了改善。數(shù)控車床的性能和機(jī)構(gòu)也隨著科技的發(fā)展在進(jìn)一步的更新，同時(shí)也對(duì)車床底座鑄件的重量、導(dǎo)軌精度等提出了更高的要求。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：全新的數(shù)控車床需要更加靈活的斜床造型來支撐，傳統(tǒng)的復(fù)雜鑄件無法完成;企業(yè)要確保數(shù)控車床運(yùn)行的穩(wěn)定性，不斷提高數(shù)控車床的抗彎水平和抗扭水平。

4? 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床加工技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，生產(chǎn)制造業(yè)對(duì)機(jī)床加工的精度要求也越來越高，零件加工的精度與質(zhì)量受數(shù)控車床技術(shù)的多方面影響[8]，相對(duì)于普通車床技術(shù)來說，在精度和質(zhì)量上已經(jīng)有所提高。但是，數(shù)控車床技術(shù)在工件精度加工方面還存在一些問題，只有將這些影響車床加工零件精度的因素抑制住，才可以提高數(shù)控車床加工技術(shù)的精度和質(zhì)量，從而提高企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張清郁.數(shù)控車床加工精度的影響因素及控制方法分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（10）：95，97.

[2]李寧.數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高方法分析[J].工程技術(shù)研究，2018（07）：118-119.

[3]張涵.關(guān)于數(shù)控車床加工精度的影響因素分析及提高方法探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（08）：59.

[4]薛命全.數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高方法分析[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2017（07）：139-140.

[5]劉京苑.數(shù)控車床加工精度影響因素分析及其控制[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2020，27（08）：101，103.

[6]高廣春.影響數(shù)控車床加工精度的因素與提高方案探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（05）：94-95.

[7]梁光明.提高數(shù)控車床加工精度的方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（05）：198-199.

[8]段信剛.數(shù)控車床加工精度優(yōu)化策略淺析[J].建材與裝飾，2019（29）：195-196.