數(shù)控機(jī)床加工誤差分析及對策

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 姜 輝

數(shù)控機(jī)床加工誤差分析及對策

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 姜 輝

一、程序編制誤差及解決措施

程序編制誤差是在加工工件程序編制過程中產(chǎn)生的。在實(shí)際的加工中，由于程序編制處理不當(dāng)而造成的誤差一般是制作人員對現(xiàn)場加工的工藝缺乏了解，對機(jī)床操作系統(tǒng)的特性缺乏了解，對零件圖紙中的尺寸誤差處理不當(dāng)，對編程原點(diǎn)選取不當(dāng)帶來的誤差。解決措施包括以下幾點(diǎn)。

1.重點(diǎn)關(guān)注因?qū)α慵Y(jié)構(gòu)的工藝性分析不足而造成的誤差。編程人員要充分了解現(xiàn)場加工的工藝流程，熟悉機(jī)床操作系統(tǒng)并且能夠正確處理零件圖紙的尺寸誤差。

2.應(yīng)采用統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)。數(shù)控加工中若沒有統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)，會因零件的重新安裝而引起加工后兩個面上的輪廓位置及尺寸不協(xié)調(diào)，造成較大的誤差。零件上最好有合適的孔作為定位基準(zhǔn)，避免造成欠切削或過削現(xiàn)象。在數(shù)控車床上加工圓弧與直線或圓弧連接的內(nèi)外輪廓時，應(yīng)充分考慮其過度圓弧半徑的大小，可采用刀具刀尖半徑自動補(bǔ)償法予以解決。用銑刀加工內(nèi)外輪廓時，刀具的切入點(diǎn)與切出點(diǎn)應(yīng)選在零件輪廓幾何參數(shù)的交點(diǎn)處，選擇合適的切入和切出方向。

3.編程原點(diǎn)應(yīng)盡可能與圖紙上的尺寸基準(zhǔn)重合，其選擇有利于編程、數(shù)值計算簡便以及所引起的加工誤差應(yīng)最小，且測量位置較方便。

二、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的誤差及解決措施

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的誤差主要分為數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差和機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差兩部分。

1. 數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。數(shù)控系統(tǒng)按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（1）開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路，執(zhí)行元件和機(jī)床三大部分組成。伺服驅(qū)動部件通常為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或混合式伺服步進(jìn)電動機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進(jìn)給指令，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移，移動部件的移動速度與位移量是由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)決定的。開環(huán)控制系統(tǒng)的信息流是單向的，不帶有檢測裝置，也沒有反饋電路。系統(tǒng)框架如圖1所示。

由于進(jìn)給系統(tǒng)中沒有反饋檢測裝置，其前進(jìn)路線中產(chǎn)生的誤差就無法通過反饋信息來進(jìn)行補(bǔ)償，從而導(dǎo)致了輸出位置誤差，此外系統(tǒng)對移動部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行監(jiān)測，也不能進(jìn)行誤差校正，因此，步進(jìn)電動機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。主要的誤差包括以下幾點(diǎn)。

反向間隙誤差。開環(huán)控制系統(tǒng)中加工刀具與工件的相對運(yùn)動是依靠驅(qū)動裝置帶動齒輪、絲杠轉(zhuǎn)動，從而推動工作臺面等移動部件產(chǎn)生位移來實(shí)現(xiàn)的。作為傳統(tǒng)元件的齒輪、絲杠盡管制造精度很高，但總免不了存在間隙。由于這種間隙存在，當(dāng)運(yùn)動的方向改變時，開始必然會引起驅(qū)動元件的空走，出現(xiàn)指令脈沖推不動執(zhí)行元件的局面。這就影響了機(jī)床的加工精度，即指令脈沖與實(shí)際進(jìn)給步數(shù)不相符合，產(chǎn)生加工誤差。

絲杠螺距誤差。在開環(huán)控制系統(tǒng)中涉及的零件等會有誤差。

步進(jìn)電動機(jī)的起停誤差。在步進(jìn)電動機(jī)啟動和停止的過渡過程中，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動總是滯后于控制脈沖。

解決的措施包括以下幾點(diǎn)。

反向間隙誤差補(bǔ)償。將開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置反向間隙誤差補(bǔ)償功能，用以補(bǔ)足空走的步數(shù)。反向間隙差補(bǔ)償就是實(shí)測反向進(jìn)給的誤差，把它折算成脈沖當(dāng)量數(shù)，作為間隙補(bǔ)償子程序的輸出量，當(dāng)計算機(jī)判斷出現(xiàn)的指令為反向運(yùn)動時，隨即調(diào)用間隙補(bǔ)償子程序，通過輸出補(bǔ)償脈沖消除反向間隙后再進(jìn)行正常的插補(bǔ)運(yùn)行。

常值系統(tǒng)性定位誤差補(bǔ)償。先在機(jī)床上建立絕對原點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測的機(jī)床某一坐標(biāo)軸的全程點(diǎn)位誤差曲線來確定補(bǔ)償點(diǎn)，最后列成誤差修正表，存入計算機(jī)。當(dāng)工作臺移動時，由安裝在絕對原點(diǎn)處的微動開關(guān)發(fā)出絕對原點(diǎn)定位信號，計算機(jī)隨時發(fā)出對應(yīng)于目標(biāo)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差補(bǔ)償信息，對機(jī)床的定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

反饋補(bǔ)償開環(huán)控制。該系統(tǒng)由開環(huán)控制和感應(yīng)同步器直接位置測量兩個部分組成，這里的位置檢測不用作位置的反饋，而是作為位置誤差的補(bǔ)償反饋，工作在鑒幅方式的感應(yīng)同步器此時既是位置檢測器，又是比較器。

（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和機(jī)床5部分組成。這類控制系統(tǒng)因把機(jī)床工作臺納入了控制環(huán)節(jié)，故稱為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠時時檢測到工作臺的實(shí)際位置，位置檢測裝置安裝在機(jī)床工作臺上，用以檢測機(jī)床工作臺的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制，并反饋給數(shù)控系統(tǒng)中，與系統(tǒng)中的指令值進(jìn)行比較，用差值對機(jī)床進(jìn)行控制，直到消除差值時才停止移動。系統(tǒng)框架如圖2所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因有死區(qū)引入的誤差，機(jī)械磨損引起的誤差，制造安裝引起的誤差，控制系統(tǒng)硬件引起的誤差。

減少上述誤差的主要方法是盡量選用精度較高的反饋系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的安裝精度，解決方法如下。

機(jī)械傳動中的死區(qū)間隙，包括傳動中的摩擦死區(qū)和電器元件參數(shù)的死區(qū)，其中機(jī)械傳動裝置造成的間隙等于各傳動副的間隙反映到工作臺行間隙量之和，主要由間隙和摩擦死區(qū)兩部分，是可以確定的，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。磨損也是不可避免的，持續(xù)的，在實(shí)際生產(chǎn)中，在一定的時間內(nèi)，可將磨損看做一定值，作為系統(tǒng)誤差予以補(bǔ)償。

安裝時要根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果正確調(diào)整導(dǎo)軌和絲杠的安裝，滾珠絲杠的精度應(yīng)與導(dǎo)軌的精度相適應(yīng)。

在正常系統(tǒng)中，會因編碼器、電纜的屏蔽、接口電路性能導(dǎo)致脈沖技術(shù)偏差。編碼器產(chǎn)生的偏差應(yīng)為零或小到可以忽略不計，因?yàn)榫幋a器是閉環(huán)系統(tǒng)中的唯一位置檢測環(huán)，所以轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)盡量與工作臺轉(zhuǎn)速接近。

（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 。半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在伺服電動機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動絲杠上裝有角位移電流檢測裝置，通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，用安裝在進(jìn)給絲杠軸或伺服電機(jī)軸端的角位移測量元件來實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺的直線運(yùn)動測量，并對誤差進(jìn)行修正。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床，系統(tǒng)框架如圖3所示。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因包括：傳動鏈部分，絲杠的固有誤差，滾珠絲杠副的誤差。

解決方法包括由數(shù)控系統(tǒng)軟件實(shí)施補(bǔ)償；盡量減小滾珠絲杠副、軸承的預(yù)壓，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動速度要求，選用適當(dāng)?shù)慕z杠導(dǎo)程，降低轉(zhuǎn)數(shù)，選定合適的潤滑油及利用空氣冷卻絲杠外援，將滾珠絲杠累計導(dǎo)程目標(biāo)值置為負(fù)值；在絲杠軸上施加預(yù)張力；可按控制系統(tǒng)的誤差予以補(bǔ)償。

2. 機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差。

（1）由工裝（包括刀具、夾具、量具等）產(chǎn)生的誤差。應(yīng)在數(shù)控加工中盡量采用數(shù)控刀具；選取合適的量具可以時常檢測成型零件的真實(shí)尺寸，保證加工出符合圖紙的產(chǎn)品；夾具可以實(shí)現(xiàn)快速安裝零件的作用，但同時要求夾具保證零件裝夾時的變形量滿足要求，否則過大的變形量將影響零件的加工精度。

（2）刀尖圓弧誤差。在切削內(nèi)孔、外孔或端面時，刀尖圓弧不影響其尺寸、形狀，但在加工錐面或圓弧時受刀尖圓弧影響造成過切或少切；對刀誤差主要產(chǎn)生在對刀過程中，刀具在移動到起刀點(diǎn)位置時受操作系統(tǒng)的進(jìn)給修調(diào)比例值影響。

刀尖圓弧誤差可通過測量刀尖圓弧半徑，采用刀具半徑補(bǔ)償功能來消除誤差；對刀誤差可以合理選擇進(jìn)給修調(diào)比例，尤其是當(dāng)?shù)毒呖拷鸬饵c(diǎn)位置時采用最小擋進(jìn)給修調(diào)使刀具精確定位于起刀點(diǎn)位置。

三、結(jié)論

由上文分析可知，因外力、安裝、溫度、磨損、死區(qū)等因素引起的誤差在理論上可歸類于系統(tǒng)誤差部分，通過在系統(tǒng)中設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)表，通過系統(tǒng)軟件可以進(jìn)行補(bǔ)償。但由硬件引起的誤差則往往是由控制系統(tǒng)和算法本身的原因造成，而不能進(jìn)一步補(bǔ)償，只能預(yù)先估計，不僅要考慮優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)、滾珠絲杠和導(dǎo)軌的精度，同時對工作環(huán)境及防護(hù)提出要求，如恒溫、消除電磁干擾和定期清洗傳動部件等。