數控機床加工精度分析與應用

蔣飛龍 馮桂香

（寧波職業技術學院，浙江 寧波 315000）

1 工件坐標系對加工精度的影響

工件坐標系是編程人員在編寫程序時,在工件上建立的坐標系。選擇工件坐標系時一般應遵循如下原則:

a.盡可能將工件原點選擇在工藝定位基準上,這樣有利于加工精度的提高;b.盡量將工件原點選擇在零件的尺寸基準上,這樣便于坐標值的計算,減少錯誤率(當尺寸基準與工藝基準不重合時,則要考慮由基準不重合產生的誤差);c.盡量選在精度較高的工件表面上,以提高被加工零件的加工精度;d.對于對稱零件,應設在對稱中心上,一般零件應設在工件輪廓某一角上,且Z軸方向上原點一般設在工件表面;e.對于臥式加工中心最好把工件原點設在回轉中心上,即設置在工作臺回轉中心與Z 軸連線的適當位置上;f.應將刀具起點和編程原點設在同一處,這樣可以簡化程序,便于計算,提高加工精度;對一般零件,僅按上述原則確定工件坐標系,即能保證其加工精度。但對于復雜、特殊零件,就要綜合考慮各種因素對加工精度的影響。

1.1 在立式加工中心上加工畸形工件

根據畸形工件的結構特點,往往在一個零件上要選擇兩個或兩個以上的坐標系,這時就要根據零件的形狀特征、夾緊方式及各加工部位的精度高低等因素綜合考慮:

a.建立幾個坐標系;b.先加工哪個坐標系的哪個表面才能提高整個零件的加工精度;c.坐標系間定位尺寸的精度對各部位加工精度的影響

1.2 在臥式加工中心上加工箱體類零件

根據箱體類零件的結構特點,不僅除上下底面之外的四個側面需要分別建立四個定位坐標系,而且每一側面上有時還需建立幾個坐標系,這時就必須考慮各加工精度如何保證。如:

a.機床回轉中心坐標精度對零件相對兩側面坐標系的建立來說,它直接影響兩相對側面通孔的同軸度;b.每一側面上幾個坐標系建立時,加工工序的設計對加工精度的影響;c.以底面為基準的的裝夾精度,直接影響孔軸線相對端面的垂直度;d.基準底面精度對孔的中心高精度的影響。

2 機床本身對加工精度的影響

2.1 進給機構

2.1.1 滾珠絲杠導程誤差的影響

步進電機控制的經濟型數控機床加工精度直接受步進系統的脈沖當量k 的影響。脈沖當量k 由下式決定。

式中:a 為步進電機步距角,(°);i 為齒輪減速比;t 為滾珠絲杠導程,mm。

滾珠絲杠在制造過程中,由于加工設備諸因素的影響不可避免地產生導程誤差Δt.絲杠導程t 直接影響系統脈沖當量。絲杠導程誤差造成的脈沖當量誤差 Δkd=aiΔt/360°。

選用精度等級高的滾珠絲杠,可減小絲杠導程誤差對機床加工精度的影響.

2.1.2 進給機構間隙的影響

進給機構的機械傳動機構由減速齒輪、連軸節、滾珠絲杠副及支承軸承組成.在這些環節當中存有間隙,影響到工作臺進給精度,特別是在運動換向時,這些間隙對機床加工精度影響更大.而減小各環節間的間隙,可以減小對機床加工精度的影響。

2.1.2.1 滾珠絲杠與螺母間的間隙影響.滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺的進給精度.設滾珠絲杠與螺母之間的間隙為SF,則反轉時造成工作臺進給誤差δ1=SF。不僅如此,絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度,進而影響工作臺進給精度.消除滾珠絲杠與螺母之間間隙的方法是施加預緊力。在雙螺母預緊的滾珠絲杠副中,當預緊力等于最大軸向力的1/3時,其間隙可基本消除,而且對滾珠絲杠副的壽命影響不大。

2.1.2.2 軸承軸向間隙、聯軸節扭轉間隙的影響.滾珠絲杠支承軸承的軸向間隙也直接影響工作臺的進給精度.若軸承的軸向間隙為SZ,則反向時造成工作臺進給誤差δ2=SZ，軸承通過定位預緊或定壓預緊消除其間隙,同時也可提高軸承剛度.但預緊時要考慮絲杠熱變形對間隙的影響.若聯軸節的扭轉間隙為SL,在機構反向時造成工作臺進給誤差

2.1.2.3 齒輪傳動側向間隙的影響.如果齒輪傳動的側向間隙為S C,機構反向時造成工作臺進給誤差用δ4 表示,且

式中,d 為與滾珠絲杠連結的齒輪分度圓直徑,mm.齒輪的傳動比i 也直接影響脈沖當量.因此為減小傳動比及齒輪傳動側隙對機床加工精度的影響,應通過提高齒輪的制造精度,減小齒輪綜合誤差,在滿足傳動工作環境要求下,減小側向間隙來實現.進給機構間隙對機床加工精度的影響,除采取上述措施外,還可通過軟件補償實現.在零件加工程序中判斷進給方向的指令轉向后,給出若干個額外進給指令脈沖,以補償間隙造成的誤差δ=∑δ

2.2 編程誤差

2.2.1 插補誤差的影響

在經濟型數控機床上加工工件,傾斜直線是通過刀具沿平面上兩個坐標軸方向走折線而形成,這樣造成工件表面呈鋸齒狀而形成插補誤差.插補誤差的影響因素主要有機床分辨率、脈沖均勻程度、控制系統的動態特性及插補方法與算法等.插補的運算過程中,還會產生累積誤差,當它達到一定值時,會使機床產生移動和定位誤差,影響加工精度.以下措施可減小數控系統的累積誤差。

2.2.1.1 盡量用絕對方式編程

2.2.1.2 插入回參考點指令 機床回參考點時,會使各坐標清零,這樣便消除了數控系統運算的累積誤差。

2.2.2 編程中逼近誤差的影響

逼近誤差是由于采用近似算法逼近零件廓形而產生的誤差.在加工非圓曲線的數學處理中,近似地將非圓曲線分割,以直線廓形代替曲線廓形,這樣刀具形成的廓形不可能準確地與被加工廓形重復而產生加工誤差.如果已知工件廓形方程,編程數學處理后程序規定的廓形與方程描述廓形之間的逼近誤差值δk,取決于曲線分割中分割弦的長度l。

其中rmin 為理論廓形最小曲率半徑.如果被加工零件的廓形方程未知,編程時用列表曲線逼近,此時產生的逼近誤差值則難以確定。

2.2.3 編程時的圓整誤差影響

用步進電機控制的經濟型數控機床在加工時,脈沖當量決定直線位移量最小值。編程時要按零件圖紙尺寸要求,將尺寸參數轉換成控制脈沖個數。尺寸的最小單位是脈沖當量值,脈沖當量值決定了機床可能加工的精度界限.由于零件的尺寸在數學處理時只能圓整到一個脈沖當量值,從而造成編程時的圓整誤差,該誤差影響加工零件的尺寸精度。

3 氣溫及工藝系統熱變形對加工精度的影響

3.1 氣溫對加工精度的影響

金屬材料具有熱脹冷縮性質,溫度的變化會引起零件尺寸的改變。如一精度要求較高的尺寸：在夏季加工為保證零件在其他溫度條件下也合格,尺寸應加工至靠近上偏差；那么在冬季尺寸應加工至靠近下偏差。

3.2 工藝系統熱變形對加工精度的影響

在機械加工過程中,由于切削熱、摩擦熱等影響,使工藝系統各部分的溫度升高不等,產生復雜的變形,從而改變了工件、刀具及機床之間的相互位置,破壞了工件和刀具之間相對運動的準確性,改變了已調整好的加工尺寸,嚴重影響了零件的加工精度。因此數控機床在設計制造時使傳動系統和機床結構都具有很高的剛度和熱穩定性,并對反向間隙與絲杠螺距誤差等由計算機軟件實現自動補償。但工件及刀具的熱變形不易克服,因此要提高加工精度必須在加工過程中要經常測量調整刀具補償或尺寸。

綜上所述,只是影響零件加工精度的幾個方面,實際加工過程中,影響因素還很多,情況相當復雜。因此,在生產加工過程中,出現問題時,要經常多分析、多思考,找出解決問題的切入點,確保零件合格。

[1]王紹林.機械制造工藝與裝備[M]1 北京:中國勞動出版社.

[2]王洪.數控加工程序編制[M]1 北京:機械工業出版社.