淺談CNC機床加工中的主要誤差及改善方法

王志學

（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112000）

機床精密程度，作為評判制造業發展程度的一個重要參考指標，是每一個國家都致力去提高和完善的。機床在使用的過程中，因為其本身由于制造能力造成的不可避免的誤差，以及在長時間使用后磨損所造成的誤差，會影響零件的加工精度。通過科學的方法，找出機床所存在的誤差并加以改善，來提高機床精度，對制造業的發展有著舉足輕重的作用。

CNC機床的加工精度，主要由數控系統的控制精度和機床的機械精度共同組成的。數控系統的精度高低、伺服控制的方法是否調整到最優，直接影響CNC機床的加工精度。

1 CNC機床加工中的主要誤差

1.1 主軸的回轉誤差

機床主軸回轉誤差，實際上就是主軸在回轉過程中，實際回轉軸線相對于理論回轉軸線的漂移，其對被加工工件的加工精度有著重大的影響。機床主軸的回轉誤差主要有3種形式：純軸向竄動、純徑向跳動和純角度擺動。而這3種形式在產生誤差的過程中，往往是相互共存的。

1.2 導軌的誤差

機床導軌副是實現直線運動的主要部件，其制造和裝配精度，是影響直線運動精度的主要因素，是機床上確定各機床部件相對位置關系的基準，也是機床運動的基準。因此，機床導軌誤差對零件的加工精度產生直接的影響。在加工過程中，導軌誤差將會對水平面內和垂直面內直線度產生影響，同時也對導軌面間平行度和主軸軸心線平行度產生影響。

臥式車床導軌（如圖1）在水平面內的直線度誤差△1，會導致被加工工件在表面的法線方向上產生誤差，降低了加工精度。而在垂直面內的直線度誤差△2可引起被加工工件的形狀誤差和尺寸誤差，不過影響要比△1小得多。

圖1 臥式車床導致直線度誤差

1.3 傳動鏈誤差

機床的傳動誤差，是指在機床傳動鏈的輸入軸驅動完全準確且為剛性的條件下，其輸出軸的實際位移與理論位移之差。由于機床各個元件在動力傳動過程中，必然存在著配合誤差和其他誤差，導致了傳動鏈誤差的存在，而這些誤差又會反映到被加工工件上，造成被加工工件出現形狀誤差和尺寸誤差等。

1.4 滾珠絲杠誤差

滾珠絲杠作為現代機床的重要進給部件，其自身精度對加工精度有很大的影響，尤其是在開環和半閉環系統中，對定位精度影響很大。盡管現代制造業不斷發展，滾珠絲杠的制造精度也得到不斷地提高，但是制造誤差總是不可避免的。而且在長時間使用后，滾珠絲杠必然會產生磨損，造成精度下降。

1.5 機床地基造成的誤差

地基是整個機床的支撐平臺，而機床安裝的好壞，直接影響其壽命和加工精度。若機床安裝不正確，即使導軌加工精度很高，也很難達到預期的目的。尤其當機床安裝在靠近熱源或者溫度變化大、周圍濕度大、粉塵濃度大、距震源近的地方，將會使機床的誤差變大。

2 機床精度檢測的常用方法

2.1 常規檢測方式

通常情況，可以運用直尺、方規、千分表、百分表等進行精度檢測，不過這種檢測方式只適合進行單一精度指標的分散測量，而且檢測精度不高。

2.2 系統伺服硬件、檢測軟件的檢測方式

運用CNC系統自身的伺服硬件和檢測軟件，進行精度檢測，雖然其不能對機械精度進行檢測，但檢測精度很高，且可對二軸插補軌跡進行檢測，檢測結果反映了伺服精度。

2.3 激光干涉儀、球桿儀檢測方式

運用激光干涉儀（如圖2）、球桿儀（如圖3）進行精度檢測，這種檢測方式兼具了第二種檢測方式的優點，同時，能夠對伺服、機械精度進行檢測，反映伺服、機械的總體精度。由于通過這種檢測方式得到的檢測結果，更具直觀性和準確性，所以是目前較常用的檢測手段。

圖2 激光干涉儀

圖3 球桿儀

3 提高CNC機床精度的主要方法

3.1 采用硬件方法對CNC機床進行修復

常見的CNC機床改造方法如下所述。

（1）修復機床主軸精度。主軸主要傳遞動力供工件旋轉、刀具進退、刀架運動，是整個機床的心臟，對加工品質和生產率有重要影響。所以，修復主軸的精度，對于提高整個機床精度起著重大的作用。為了確定修復方案，對于那些精度超差的主軸，我們應該對其拆卸以后再進行全面檢查。

（2）修復機床導軌精度。機床導軌用于對零部件進行支撐和導向作用，導軌在空載和在切削條件下運動時，都應具有足夠的導向精度，其是機床幾何精度的基礎。所以，在長時間使用后，為了達到預定的精度要求，就要對導軌精度進行修復。對于CNC機床，我們可以采用粘結法來修復機床導軌精度，通常是在動導軌上粘結聚四氟乙烯軟帶。這種修復方法，簡化了工藝，縮短了制造周期，能快速地修復機床精度，提高生產效率。

（3）減小傳動環節的間隙。CNC機床上使用的齒輪精度等級通常都比較高，能在結構上達到無間隙傳動。因而在更換機床主要齒輪時，為了保證機床加工精度，必須確保所換齒輪能夠滿足CNC機床的使用要求。對于蝸輪蝸桿傳動，一定要調整好蝸輪蝸桿的反向間隙。此外，對于同步齒形帶，還要對齒輪進行適當的調整，減小傳動過程產生的誤差。

（4）修復或更換滾珠絲杠。在解決滾珠絲杠引起機床精度降低的問題時，可以分為兩種情況：其一，是誤差在允許的范圍內；其二，是誤差超出允許的范圍內。

對于前一種，我們可以先進行修復，修復不成功再進行更換；而第二種情況，我們必須更換新的滾珠絲杠，才能保證它的定位精度。尤其是在半閉環系統中，絲杠起到了傳動和標尺的作用，只有保證了滾珠絲杠的精度，才能使工作臺的精度得到保證。

（5）完善機床地基的設計與制作。機床地基的設計，包括地基類型的選擇、鋼筋混凝土結構的確定、地腳螺栓預制孔的形式與位置以及電氣箱、液壓箱、恒溫油箱、冷卻箱、排屑裝置、氣源出口、電源出口隔震槽的位置等，設計時要綜合考慮以上各個因素的影響，盡可能地完善機床地基的設計。同時還要嚴格按地基圖要求制作地基，不得擅自設計或按想象簡單地制作地基，否則會造成機床安裝后水平走失、相關精度無法保證、運行不穩定等嚴重后果。

3.2 采用軟件方法對機床進行修復

誤差補償是移動運動副使刀具和工件在空間誤差的逆方向上有一相對運動而實現的。在早期的誤差補償研究中，誤差是通過離線修改CNC代碼而實現的。現在主要有兩種誤差補償方法：反饋中斷法與原點平移法。

（1）反饋中斷法。是將相應信號插入伺服相同的反饋環中而實現的。它通過對計算機在編碼器獲取的反饋信號進行補償，能夠實時調節機床導軌位置。這種方法的優點是，適用性強，范圍廣，可用于任何機床，包括一些老式機床。不過，這種方法需要特殊的電子裝置將相位信號插入伺服環中。而這種插入有一定的復雜性，操作時必須謹慎小心，才能避免機床本身的反饋信號與插入信號產生干涉。

（2）原點平移法。是先檢測出機床的誤差，再通過CNC控制器接收由誤差量轉化成的補償信號，之后通過I/O口將控制系統的參考原點進行平移，并將其加入到伺服環的控制信號中，從而實現誤差量的補償。這種方法的優點是，不會對機床的坐標值和控制器上執行的程序產生影響，但要改變CNC控制器中的可編程控制器單元。所以缺點就是不能適用于一些適用老式控制器的機床。

4 結束語

隨著現代制造業的發展，更多更先進的CNC機床將會被研發出來，從而也會造成機床誤差的多樣化。因此我們必須在實踐中，不斷探索不斷發現，在生產的過程中，不斷論證不斷改善，才能有效地降低誤差，提高機床精度。

[1]丁向陽，等.機械加工常見異常現象分析及解決方法[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]朱仕學.前饋控制對數控機床加工精度影響的研究[J].制造業自動化，2009，(8)：56-58.