基于數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高策略研究

王治平

（廣州市機(jī)電技師學(xué)院， 廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 許多產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)械加工生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也愈來愈高， 特別是部分高級(jí)精密機(jī)械零件， 對(duì)加工產(chǎn)品的質(zhì)量和加工精度水平都要求很高， 對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)也提出了非常大的挑戰(zhàn)。而數(shù)控車床又是數(shù)術(shù)中的重要組成部分。因此許多工件的加工技術(shù)都離不開數(shù)控車床。 但由于現(xiàn)代加工程度的逐步提高， 數(shù)控車床的機(jī)械加工效率已無法良好地適應(yīng)高精密零構(gòu)件的生產(chǎn)需要。所以，有必要對(duì)數(shù)控車床加工中的所有不利影響因素加以控制。 但從目前數(shù)控車床加工的現(xiàn)狀分析， 對(duì)于小批量零部件的加工質(zhì)量仍有較大的提升空間，因此為了機(jī)械加工某些外形不規(guī)范、但加工精度高的零部件，數(shù)控車床還需要進(jìn)行一些調(diào)整。根據(jù)這些情況， 數(shù)控車床加工企業(yè)應(yīng)該深入分析限制加工精度的主要原因，以便針對(duì)性地加以改進(jìn)，進(jìn)而為提升數(shù)控車床的機(jī)械加工品質(zhì)打下了基礎(chǔ)。

1 提高數(shù)控車床加工精度的重要意義

1.1 進(jìn)一步提升數(shù)控車床加工技術(shù)水平

隨著工業(yè)科技的飛速進(jìn)步， 社會(huì)各行各業(yè)對(duì)加工技術(shù)與制造業(yè)的要求也日益提高。 現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)是發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主要基礎(chǔ)。 而數(shù)控車床等加工科學(xué)技術(shù)的提高，是加工與制造業(yè)總體技術(shù)水平提升的主要標(biāo)志。 同傳統(tǒng)車床與夾具比較， 數(shù)控車床的廣泛應(yīng)用也極大地提高了數(shù)字控制工藝的總體技術(shù)。 但數(shù)控車床本身的加工精度仍然受許多各種因素的影響， 在一定程度上也影響著數(shù)控車床的加工精確度與效果。 所以，要提高數(shù)控車床的加工技術(shù)水平， 就有必要逐漸減少影響數(shù)控車床加工精確度的各種因素。

1.2 拓寬數(shù)控車床在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍

數(shù)控車床因其加工精確、 制造效能高等優(yōu)勢(shì)正在快速替代傳統(tǒng)機(jī)械。 數(shù)控機(jī)械加工技術(shù)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致了數(shù)控車床在機(jī)械加工制造領(lǐng)域的使用范圍更加廣闊，而影響數(shù)控車床機(jī)械加工產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素， 也抑制了數(shù)控車床在機(jī)械加工制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 但一些精密加工領(lǐng)域仍對(duì)數(shù)控車床的機(jī)械加工精度有著更高的需求，對(duì)精密工件的加工技術(shù)尚有較大的上升空間。

所以， 深入研究數(shù)控車床生產(chǎn)精度的影響因子和改善策略，對(duì)于擴(kuò)大其在工業(yè)方面的使用有著重大價(jià)值。

2 數(shù)控車床的加工作業(yè)原理

數(shù)控車床還可以按照加工過程中的不同造型特點(diǎn)加工工件（見圖1）。 數(shù)控車床一般設(shè)有多個(gè)工作站和多功能加工區(qū)，具備了加工范圍廣、加工量大的特征。 并且具備了進(jìn)行復(fù)雜工藝和補(bǔ)償加工的功能，可簡(jiǎn)單、快捷地進(jìn)行工件加工。 數(shù)控車床是一個(gè)集電腦與機(jī)械為一身的現(xiàn)代化機(jī)械加工裝置。 其一般含有傳感設(shè)備、測(cè)控裝置以及電源設(shè)備等。 能完成相應(yīng)的加工自控功能。 操作者必須提前給數(shù)控車床提供一定的加工工藝，而后數(shù)控車床將按照控制系統(tǒng)指示進(jìn)行加工工藝，和控制刀具完成機(jī)械加工。

圖1 數(shù)控車床工作示意圖

3 影響數(shù)控車床加工精度的具體因素

據(jù)調(diào)查， 目前數(shù)控車床的生產(chǎn)精度與現(xiàn)實(shí)要求存在很大偏差，見表1。 在加工過程中，加工效率受到設(shè)備、程序、編程等諸多因素的影響。各種各樣的各種影響也會(huì)各種各樣的危害數(shù)控車床的機(jī)械加工準(zhǔn)確度。 偏差統(tǒng)計(jì)方法一般采用數(shù)控車床加工偏差和總工藝偏差之間的比值。當(dāng)鑄件對(duì)數(shù)控車床的加工精度需求較高時(shí)，則數(shù)控車床加工偏差占整體加工誤差的比重就會(huì)更高。所以，為了要合理提升鑄件的加工精度，以適應(yīng)實(shí)際要求，有關(guān)技術(shù)人員就必須認(rèn)識(shí)并控制數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)精度影響因素，并結(jié)合加工具體情況加以改進(jìn)。唯有如此，方可合理地提升數(shù)控車床的加工效率。

表1 當(dāng)前的數(shù)控車床的加工誤差

3.1 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素

伺服控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器原因也將直接危害數(shù)控車床的機(jī)器加工準(zhǔn)確度。通常，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)可以利用帶動(dòng)車床夾具的各種設(shè)備來加工工件。 其具體流程為：使用數(shù)控車床的定位滾珠絲杠對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施伺服、驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)控， 以確保數(shù)控系統(tǒng)車床加工各項(xiàng)任務(wù)的順利完成。但此時(shí)，滾珠絲杠傳動(dòng)偏差也或許會(huì)威脅數(shù)控車床的機(jī)器加工準(zhǔn)確度。 數(shù)控車床通常使用半閉環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)，來調(diào)節(jié)一個(gè)數(shù)控車床的發(fā)電機(jī)。在操作的過程中，絲杠必須反向裝置。在此時(shí)，或許會(huì)有空轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生反向間隙偏差。 同時(shí)數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置也可以在外力影響下扭曲或變化， 從而使得部分機(jī)械加工區(qū)域形成了彈性間隙，限制數(shù)控車床的總體加工精度。

3.2 車刀控制影響因素

在數(shù)控車床制造刀具的過程中， 必須對(duì)材料進(jìn)行切削，以獲得要求的刀具外形。 在車刀操作過程中，車刀控制面和軸尺寸之間可能出現(xiàn)一些誤差， 從而造成工件加工偏差。 因此，在數(shù)控車床編程時(shí)，盡管選擇了合適的加工工藝參數(shù)，但由于車刀運(yùn)動(dòng)軌跡不易控制，也可能造成了加工過程中的偏差。

4 提高數(shù)控車床加工精度的應(yīng)對(duì)策略

4.1 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素誤差控制

在數(shù)控車床的設(shè)計(jì)過程中， 如果想要把加工精度限制在合理的范圍之內(nèi)， 就需要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加以嚴(yán)格的管理。因此，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加工誤差管理就必須從改善驅(qū)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)作特性開始， 逐步改變整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，甚至改變特性更良好的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，以保證數(shù)控車床在驅(qū)動(dòng)過程中可以進(jìn)行更加良好的管理。另外，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的偏差控制系統(tǒng)還必須改善設(shè)備的壓力水平和承載能力， 從而使得伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以更合理地承載機(jī)械零部件，從而提高加工零部件的控制精度。 當(dāng)伺服設(shè)備裝配到數(shù)控車床上之后，還必須按照實(shí)際的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，從而提高對(duì)數(shù)控車床的偏差控制能力。

4.2 控制車刀運(yùn)行的幾何精度

車刀的幾何精度，直接關(guān)系數(shù)控車床的制造精度。所以，數(shù)控車床的總設(shè)計(jì)師就必須按照具體生產(chǎn)條件，在加工技術(shù)方面進(jìn)一步完善數(shù)控車床的本體導(dǎo)軌，以提升其幾何精度， 從而使得整個(gè)導(dǎo)軌都具備了良好的加工精度和壓縮功能，并能更有效控制車刀具的運(yùn)用情況。在車刀生產(chǎn)工藝中，為更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的各種特性，一些數(shù)控車床還會(huì)采用斜床形式以取代過去較復(fù)雜的鑄件整體構(gòu)造，以便更有效地改善數(shù)控車床的抗彎能力和承載能力。

4.3 誤差補(bǔ)償改進(jìn)策略

誤差補(bǔ)償技術(shù)是提升數(shù)控車床制造效率的一種重要方法。誤差補(bǔ)償技術(shù)通常指對(duì)現(xiàn)有坐標(biāo)軸加以補(bǔ)充。通過利用軟硬件的組合，就能夠提升生產(chǎn)效率。在零點(diǎn)五閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于反向誤差也會(huì)降低位置準(zhǔn)確度。所以，在誤差補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮通過反向誤差彌補(bǔ)的手段，來抵消這一偏差。和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的加工精度限制一樣， 誤差補(bǔ)償技術(shù)能夠合理地使用現(xiàn)有數(shù)控車床而不須改變?cè)O(shè)計(jì)，為降低成本提供了關(guān)鍵作用。 另外，誤差補(bǔ)償技術(shù)中還包括了在釘狀進(jìn)給操作時(shí)的滾珠絲杠。 在數(shù)控車床制造過程中， 由于釘狀供彈的加工精度會(huì)給數(shù)控車床的準(zhǔn)確度造成一定偏差。 因此在數(shù)控車床的設(shè)計(jì)階段，這種偏差往往比較難控制。 尤其是螺紋加工，由于一般使用水平和垂直連桿加工的方式， 平面與垂直螺桿之間的縫隙不可避免地會(huì)造成螺紋工藝的很大偏差。 因此數(shù)控機(jī)床控制器必須通過縫隙彌補(bǔ)方法， 來補(bǔ)充滾珠絲杠的偏差，從而減少了間隙，改善數(shù)控車床滾珠絲杠的穩(wěn)定性和使用壽命。

4.4 誤差防止策略

誤差預(yù)防策略需要在數(shù)控車床的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)階段中進(jìn)一步提高對(duì)車床夾具機(jī)器零件的加工準(zhǔn)確度，以便于從總體上減少對(duì)工藝精度的偏差。但是，對(duì)制造商而言，在原來數(shù)控車床的基礎(chǔ)上很難提升精確度，因此往往必須改變?cè)瓟?shù)控車床。 所以，防錯(cuò)策略的使用成本也相對(duì)較高。

4.5 選用適當(dāng)?shù)募庸すに?/h3>

為了進(jìn)一步提高數(shù)控車床的機(jī)器加工準(zhǔn)確度， 不但要控制數(shù)控車床本身， 還要調(diào)控其生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)械加工方法，以進(jìn)一步提高機(jī)器加工準(zhǔn)確度和效率，從而改善制件的加工產(chǎn)品質(zhì)量。 也因此，在第一步，數(shù)控車床控制器須嚴(yán)格管理加工工序，并盡量一次順利完成工藝程序。對(duì)無法一次順利完成的工藝，注意盡量減少換刀頻次，以區(qū)分于粗機(jī)器加工與精機(jī)器加工， 從而盡可能地進(jìn)一步提高機(jī)器加工準(zhǔn)確度與效率。同時(shí)，還必須對(duì)數(shù)控車床的工藝路徑進(jìn)行優(yōu)選。在選用走行路徑時(shí)，注意縮短機(jī)器加工時(shí)限，增加刀具切削效率，去掉無用的加工工序，以進(jìn)一步提高數(shù)控車床加工的經(jīng)濟(jì)性。在數(shù)控車床加工前，經(jīng)過調(diào)整后， 再進(jìn)行重新編程及啟動(dòng)， 機(jī)床就可自動(dòng)持續(xù)生產(chǎn)， 直到全部生產(chǎn)完成。 操作者需要做的是加工程序錄入、編輯、零部件裝入與拆卸、切刀準(zhǔn)備、生產(chǎn)狀況監(jiān)視、零部件檢查等其他工作。勞動(dòng)強(qiáng)度降低，機(jī)床作業(yè)人員的勞動(dòng)也更加智能化。 另外，在數(shù)控車床的過程中，還要求掌握表面精確度與粗獷度。在計(jì)算該數(shù)值時(shí)，還需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化以降低工作量。

5 結(jié)束語

近年來，中國工業(yè)得到快速發(fā)展，這和數(shù)控車床的應(yīng)用分不開。提升中國數(shù)控車床的加工精度，對(duì)于提升各企業(yè)的生產(chǎn)精度有著關(guān)鍵意義。為此，有關(guān)工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員必須確定并分解影響中國數(shù)控車床加工精度的各種因素，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格控制，并通過各種合理的措施， 爭(zhēng)取把上述各種因素對(duì)機(jī)械加工精度的影響減至最小化， 為提升中國數(shù)控車床的機(jī)械加工精度做出了一定的貢獻(xiàn)，進(jìn)而帶動(dòng)工業(yè)快速發(fā)展。