數(shù)控機(jī)床加工精度分析和提高方法要求

范鵬章 馬茂軍 楊曉紅 房芹芹 王延明

（1.東營(yíng)市技師學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000 ；2.東營(yíng)市市政工程公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

近年來(lái)，因數(shù)控機(jī)床精度下降而導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床成品制造精度下降的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，加工精度的降低就會(huì)影響制造產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，高效地識(shí)別數(shù)控機(jī)床加工誤差已經(jīng)成為制造業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。該文圍繞數(shù)控機(jī)床加工精度分析和提高方法要求開(kāi)展有關(guān)數(shù)控機(jī)床加工精度及提高手段的相關(guān)研究，旨在提升數(shù)控機(jī)床的加工精度，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

1 影響數(shù)控機(jī)床加工精度的分類(lèi)原因分析

根據(jù)美國(guó)常用的數(shù)控機(jī)床誤差分類(lèi)機(jī)制，可以將數(shù)控機(jī)床誤差分為檢測(cè)誤差、加工過(guò)程誤差與機(jī)床誤差，各項(xiàng)誤差具體細(xì)分內(nèi)容如下：1） 檢測(cè)誤差。不確定性誤差的占比為10%，安裝誤差的占比為5%。2） 加工過(guò)程誤差。操作誤差的占比為7.5%，彈性熱變形誤差及工件熱誤差的占比為6.5%，夾具誤差的占比為7.5%，刀具誤差的占比為13.5%。3） 機(jī)床誤差。熱誤差的占比為28.0%，幾何誤差的占比為22.0%。

對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行分析可知，運(yùn)行情況、運(yùn)行時(shí)環(huán)境條件的影響、加工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械的材質(zhì)不均勻、裝夾彈性變形、更換機(jī)床切割刀具、刀具變形、刀具磨損、刀具與工件作用位點(diǎn)相互偏差、伺服系統(tǒng)跟蹤誤差以及位置監(jiān)測(cè)誤差等因素都有可能使數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)誤差。所有數(shù)控機(jī)床運(yùn)行后都會(huì)受到誤差的影響，但均能夠通過(guò)應(yīng)用各類(lèi)誤差補(bǔ)償方式抵消誤差。

2 提高數(shù)控機(jī)床加工精度的關(guān)鍵技術(shù)與方法研究

2.1 誤差補(bǔ)償技術(shù)

在進(jìn)行誤差補(bǔ)償時(shí)，需要先預(yù)估誤差補(bǔ)償值。確定目標(biāo)值后，再明確補(bǔ)償誤差的時(shí)間，通?？煞譃閷?shí)時(shí)誤差補(bǔ)償與離線(xiàn)誤差補(bǔ)償。

在進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償時(shí)，需要利用硬件輔助裝置。以熱誤差檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展的誤差補(bǔ)償技術(shù)為例，應(yīng)用YK3105E數(shù)控滾齒機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)，采取的策略為反饋補(bǔ)償控制策略。具體實(shí)踐策略如圖1所示。

圖1 誤差補(bǔ)償實(shí)踐策略

具體實(shí)踐步驟流程如下：1） 應(yīng)用球桿儀及激光干涉儀對(duì)機(jī)床中旋轉(zhuǎn)副及移動(dòng)副的幾何誤差元素進(jìn)行測(cè)量，獲取實(shí)時(shí)檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)。2） 數(shù)據(jù)處理單元處理樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對(duì)誤差進(jìn)行分離辨識(shí)。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷理想軌跡與刀具軌跡間誤差是否滿(mǎn)足精度加工條件（該過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成）。3） 情況判斷。如果滿(mǎn)足條件，就直接輸出。如果不滿(mǎn)足條件，則將數(shù)據(jù)輸入誤差元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中既往存儲(chǔ)的誤差值大小對(duì)誤差補(bǔ)償具體數(shù)值進(jìn)行判斷。4）指令修正。將修正后的數(shù)據(jù)輸入數(shù)控機(jī)床，以進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

2.2 誤差測(cè)量技術(shù)

直接誤差測(cè)量技術(shù)是面向單環(huán)節(jié)的，僅需要借助儀器獲取直接誤差數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的獲取方面也比較簡(jiǎn)單。在測(cè)量時(shí)，技術(shù)人員可直接應(yīng)用相關(guān)光學(xué)或機(jī)械方法（例如激光干涉儀、運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)x等設(shè)備）進(jìn)行誤差測(cè)量。由于測(cè)量項(xiàng)目較少，因此該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是測(cè)量耗時(shí)短。綜上所述，誤差測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵就是尋求測(cè)量效率與測(cè)量精度間的平衡，在開(kāi)展任意一項(xiàng)操作時(shí)，都有可能對(duì)另外一者造成影響。

以D165型三軸機(jī)床的幾何測(cè)量為例，可采用自由度激光干涉測(cè)量方案。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先應(yīng)該選擇合理的位置放置激光測(cè)量器，機(jī)床主軸卡上放置自由度傳感器，機(jī)床工作臺(tái)處放置基準(zhǔn)水平儀。當(dāng)測(cè)量的方向不同時(shí)，橫向與縱向的檢測(cè)儀可根據(jù)檢測(cè)位置實(shí)時(shí)調(diào)整反光鏡，以避免在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)重新裝配激光器的問(wèn)題。因?yàn)楣庋刂本€(xiàn)傳播，所以在測(cè)量時(shí)，需要在測(cè)量位點(diǎn)放置90°反光鏡，一方面能夠確保光線(xiàn)從軸傳遞變?yōu)閺妮S傳遞，另一方面也能消除九線(xiàn)法中反射基準(zhǔn)不重合的問(wèn)題。自由度激光干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)原理如圖2所示。

圖2 自由度激光干涉測(cè)量?jī)x測(cè)量原理圖

2.3 誤差建模技術(shù)

對(duì)誤差綜合建模來(lái)說(shuō)，需要通過(guò)帶入工件和刀具之間的相對(duì)位置來(lái)確定數(shù)控機(jī)床的加工精度。其數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述為工件與刀具間的相對(duì)距離（在運(yùn)動(dòng)型模型中被稱(chēng)為綜合誤差）。

以YK3150E數(shù)控滾齒機(jī)床幾何誤差建模為例，需要利用空間建模技術(shù)，先設(shè)定刀尖在刀具體坐標(biāo)系中的位置矢徑以及在工件坐標(biāo)系中的位置矢徑，再計(jì)算工件加工點(diǎn)與刀尖實(shí)際位置間的矢量偏差。根據(jù)誤差模型相鄰體間的特征變化要求，考慮工件加工時(shí)熱誤差的影響，計(jì)算物體的實(shí)際特征變換矩陣，從而獲得三軸機(jī)床通用空間綜合誤差補(bǔ)償模型的數(shù)學(xué)公式。該研究中得到的矩陣如公式（1）所示。

式中：ξ、ξ以及ξ分別為YK3150E型數(shù)控滾齒機(jī)床在工序中旋轉(zhuǎn)一定角度及移動(dòng)一段距離后，滾刀坐標(biāo)相較于工件坐標(biāo)系在軸、軸以及軸之間的位移誤差；σ、σ以及σ分別為YK3150E型數(shù)控滾齒機(jī)床在工序中旋轉(zhuǎn)一定角度及移動(dòng)一段距離后，滾刀坐標(biāo)相較于工件坐標(biāo)系在軸、軸以及軸之間的旋轉(zhuǎn)誤差。

將相應(yīng)的數(shù)值帶入公式（1）就能夠算出YK3150E型數(shù)控滾齒機(jī)床的精確誤差值，將數(shù)值輸入數(shù)控補(bǔ)償軟件中即可開(kāi)展誤差補(bǔ)償。

2.4 機(jī)床設(shè)計(jì)角度降低誤差的相關(guān)方法

從降低誤差的角度來(lái)看，應(yīng)用閉環(huán)控制的伺服給系統(tǒng)能有效補(bǔ)償在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中因機(jī)械間隙（會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械干擾）而導(dǎo)致加工精度受到的影響?？筛鶕?jù)自身?xiàng)l件合理選擇交流或直流伺服系統(tǒng)供電。但應(yīng)注意，由于伺服系統(tǒng)改造所花費(fèi)的成本較高且技術(shù)難度大，后期維修與調(diào)試較困難，因此，當(dāng)生產(chǎn)加工精度不高的產(chǎn)品時(shí)，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)考慮，則不建議改造伺服系統(tǒng)。例如以CA6140車(chē)床為改造案例，針對(duì)橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，仍保留原有手動(dòng)機(jī)構(gòu)操作方式，并將減速箱體、步進(jìn)電機(jī)安裝在車(chē)床后側(cè)，且保留原有支承結(jié)構(gòu)。為保證改造后的設(shè)備仍能夠滿(mǎn)足緊急停車(chē)的要求，在溜板箱橫向及縱向處安裝急停、快速進(jìn)給按鈕，防止發(fā)生意外情況?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)用用步電機(jī)。由于更換電機(jī)，需要拆除車(chē)床上的操作杠、光杠、刀架以及溜板箱等。針對(duì)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，采用滾珠絲杠螺母代替伺服系統(tǒng)原梯形螺紋絲杠螺母副，安裝位置仍位于原處。減速器端采用原固定方式，而兩端采用滾軸軸承固定方式，采用套筒剛性聯(lián)接方式。在橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)中均應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)→減速齒輪→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動(dòng)方式。改造后的車(chē)床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改造后的車(chē)床傳動(dòng)系統(tǒng)

改造的核心思路為改造軸線(xiàn)傳遞方式，補(bǔ)充精度，從而彌補(bǔ)軸線(xiàn)傳動(dòng)方式下存在的反向誤差與螺距誤差。反向誤差來(lái)源于設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，屬于動(dòng)態(tài)誤差；螺距誤差來(lái)源于2個(gè)零件間的相對(duì)位置，屬于靜態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差可以通過(guò)改善主傳動(dòng)系統(tǒng)的軸線(xiàn)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)彌補(bǔ)，而靜態(tài)誤差即使經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后也不能完全消除誤差，最終可將其納入系統(tǒng)誤差范疇中。當(dāng)前最推薦的主傳動(dòng)系統(tǒng)軸線(xiàn)改造方式如下：將傳統(tǒng)的高速滾珠絲杠傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為用直線(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)，該方式可有效提升軸線(xiàn)的機(jī)械剛度。因此，能夠提升軸線(xiàn)運(yùn)行時(shí)的加速度，獲得更高的速度，從而提高生產(chǎn)效率。以某設(shè)備改造的方式為例，滑臺(tái)箱體主傳動(dòng)系統(tǒng)不應(yīng)用滾珠絲杠副傳動(dòng)模式，而是應(yīng)用直線(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)方式。改造后，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其滿(mǎn)足直線(xiàn)電機(jī)防撞擊、防屑的要求。為確保改造后的軸線(xiàn)系統(tǒng)仍有較高的運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)處應(yīng)用了全封閉的防磁拉罩，減少外界因素的影響。同時(shí)，在軸線(xiàn)的末端應(yīng)用軟行程限位設(shè)計(jì)和高靈敏度的限位設(shè)計(jì)，保證了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性水平。最終改造后的腔體式滑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 改造后腔體式滑臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

主軸與電機(jī)間在相互轉(zhuǎn)動(dòng)的影響下易出現(xiàn)兩者相互位置改變、齒輪相互軸向位點(diǎn)跳動(dòng)的現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品加工精度有顯著影響。傳統(tǒng)模式下，數(shù)控機(jī)床電機(jī)與機(jī)械主軸間的連接方式分為3種，電機(jī)直連、齒輪連接以及同步帶連接。對(duì)電機(jī)直聯(lián)方式來(lái)說(shuō)，由于電機(jī)本身馬力有限，因此主軸的旋轉(zhuǎn)速度在達(dá)到一定水平后，將難以提升，軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)速一般低于10 r/min。相關(guān)學(xué)者提出了應(yīng)用“主軸單元零傳動(dòng)”的方式來(lái)解決該問(wèn)題。其開(kāi)展的具體思路如下：在內(nèi)裝電時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的主軸、電機(jī)等所有機(jī)構(gòu)均采用一體化設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)裝置的“零傳動(dòng)”。經(jīng)過(guò)該方法改造后的電主軸具備調(diào)速范圍寬、運(yùn)行無(wú)爬行、性能佳、耐低溫、清潔度高、能適應(yīng)溫度變化、變速調(diào)節(jié)快、可快速啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣量小、轉(zhuǎn)速及回轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前該技術(shù)預(yù)期的發(fā)展方向?yàn)椤皯腋〖夹g(shù)”，例如磁懸浮電主軸技術(shù)與氣體懸浮技術(shù)。在懸浮技術(shù)的背景下，各控制單元間無(wú)接觸，能夠滿(mǎn)足機(jī)床超高精度加工的要求。此時(shí)，將電主軸分別與高速刀具系統(tǒng)、高速進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行配合，能夠滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行的小震動(dòng)、高可靠性、高速度及高精度要求，該技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)展的前沿技術(shù)之一。

切割參數(shù)會(huì)影響零件出廠時(shí)的精度表現(xiàn)。因此，可通過(guò)以下途徑優(yōu)化機(jī)床加工時(shí)的參數(shù)：首先，選取硬度高、脆性低、耐磨且耐切割的刀具，并確保刀具的規(guī)格與尺寸適配于生產(chǎn)物品。在選取刀具前應(yīng)經(jīng)過(guò)物理學(xué)及化學(xué)論證，分析其幾何參數(shù)、物理特性，并計(jì)算所選刀具的合適參數(shù)區(qū)間。其次，在現(xiàn)場(chǎng)加工階段，需要根據(jù)機(jī)床自身的運(yùn)行情況調(diào)節(jié)切割參數(shù)，例如在機(jī)床處于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可適當(dāng)降低刀具的轉(zhuǎn)速，保證同一批材料的切割效果；同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析切割物體的參數(shù)，調(diào)節(jié)刀具的切割角度及切割深度等參數(shù)。此外，從刀具運(yùn)維的角度來(lái)說(shuō)，需要通過(guò)定期檢查刀具運(yùn)行時(shí)冷卻液的噴出量參數(shù)，以降低切割過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，降低刀具可能引起的幾何誤差與熱量誤差，從整體上提高機(jī)床切割精度水平。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，將誤差補(bǔ)償技術(shù)充分應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的改造中，能夠提升機(jī)床的加工精度。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在建模方式落后的問(wèn)題，需要在日后研發(fā)中對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，智能化制造的逐步深入及誤差補(bǔ)償技術(shù)的不斷應(yīng)用將有效促進(jìn)超精密數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。因此，對(duì)機(jī)床企業(yè)來(lái)說(shuō)，需要注重技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，識(shí)別影響當(dāng)前機(jī)床加工精度的相關(guān)因素，并開(kāi)展有針對(duì)性的研發(fā)工作，最終優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程及生產(chǎn)工藝，從而促進(jìn)我國(guó)高精尖數(shù)控機(jī)床的有序發(fā)展。