提高數(shù)控機(jī)床加工精度的途徑分析

楊春花

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率、適應(yīng)性強(qiáng)的現(xiàn)代化加工設(shè)備，在生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛，但隨著社會的不斷發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的加工精度也提出了越來越高的要求。數(shù)控加工過程中，加工誤差來源于各個方面，而且客觀存在不能避免。因此，研究提高數(shù)控機(jī)床加工精度的途徑具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。數(shù)控機(jī)床加工精度可通過兩種方法來提高，減小誤差根源和誤差補(bǔ)償。單純減小誤差根源或進(jìn)行誤差補(bǔ)償一般都無法滿足我們的精度要求，都需要兩種方法同時采用。

1 減小誤差根源

總的來說，數(shù)控機(jī)床加工誤差主要來源于以下幾方面：數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造誤差；工藝系統(tǒng)熱變形所產(chǎn)生的誤差；伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的跟隨誤差；加工過程中由于剛度不足和振動產(chǎn)生的誤差；數(shù)控系統(tǒng)誤差；減小或消除誤差產(chǎn)生的根源是提高數(shù)控機(jī)床加工精度最直接、最有效的手段。

（1）減小數(shù)控機(jī)床幾何誤差。組成數(shù)控機(jī)床各零部件的幾何精度是機(jī)床加工精度的基本保證。減小數(shù)控機(jī)床幾何誤差可從以下4方面進(jìn)行：①采用高精度的數(shù)控機(jī)床主軸及主軸支撐；如：滾動軸承、靜壓軸承、動壓軸承、磁浮軸承等。②采用高精度的導(dǎo)軌；數(shù)控機(jī)床上常用的導(dǎo)軌有貼塑導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。它們都具有導(dǎo)向精度高的、耐磨性好、剛度高等特點(diǎn)。③采用高精度的傳動機(jī)構(gòu)；滾珠絲桿螺母副是數(shù)控機(jī)床上最常用傳動裝置，它具有高精度、高效率、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。④采用各種措施消除齒輪、滾珠絲桿螺母副等傳動部件的間隙，以提高機(jī)床定位精度。

（2）減小熱變形誤差。減小機(jī)床熱變形可采取以下3個措施：①減小熱源。采用新型電機(jī)、高效率的傳動機(jī)構(gòu)均能起到減小熱源的作用。②合理設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)。不同機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗熱變形的能力也不同，合理設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)可有效減小機(jī)床熱變形所引起的誤差。③改善散熱和隔熱條件。

（3）減小伺服系統(tǒng)跟隨誤差。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。為減小其跟隨誤差可采取以下措施：①開環(huán)控制。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中盡量采用高精度的機(jī)床零部件來提高伺服系統(tǒng)跟隨精度。如：液體靜壓導(dǎo)軌、液體靜壓主軸、高性能電動機(jī)、滾珠絲桿等。②閉環(huán)控制。采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過位置檢測反饋來提高伺服系統(tǒng)的跟隨精度。③自適應(yīng)控制。采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)可在數(shù)控加工過程中根據(jù)加工條件的變化，自動改變切削參數(shù)，以達(dá)到最佳的加工效果。

（4）減小振動和剛度不足引起的誤差。數(shù)控機(jī)床要在高速和重負(fù)載條件下工作，其主要部件均要求有很高的剛度抵抗加工過程的變形，提高加工精度。主要措施有：①主軸采用三支撐結(jié)構(gòu)，選用剛性好的支撐軸承。②合理設(shè)計(jì)機(jī)床床身截面及布置肋板；③對主要傳動部件如：主軸、齒輪等進(jìn)行動平衡和消除間隙；④采用刮研方法提高機(jī)床接觸剛度。

機(jī)床的抗振性是抵抗強(qiáng)迫振動和自激振動的能力。高抗振性即在高速重切削條件下沒有振動，從而保證工件的精度和質(zhì)量。提高機(jī)床抗振性的措施主要有：①減少機(jī)床的內(nèi)部振源；②提高機(jī)床構(gòu)件的阻尼；調(diào)整機(jī)床構(gòu)件的自振頻率必滿自激振動。

（5）減小數(shù)控系統(tǒng)誤差精密加工過程中，插補(bǔ)原理誤差、數(shù)控系統(tǒng)中檢測元件的制造誤差、系統(tǒng)響應(yīng)速度、系統(tǒng)收斂性都會影響數(shù)控加工精度。減小數(shù)控系統(tǒng)誤差可采取以下措施：①優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)原理；②提高系統(tǒng)檢測元件的精度和速度；③提高系統(tǒng)反饋頻率和加快系統(tǒng)收斂。

2 誤差補(bǔ)償

所謂誤差補(bǔ)償技術(shù)就是在掌握了誤差根源的特點(diǎn)及規(guī)律后，通過分析、統(tǒng)計(jì)、建立數(shù)學(xué)模型，然后在數(shù)控系統(tǒng)中輸入一定的補(bǔ)償量，該補(bǔ)償量數(shù)值大小與原始誤差相等，方向與原始誤差相反，以最大程度減小抵消原始誤差的一種方法。這種方法效率高，經(jīng)濟(jì)性好，對提高數(shù)控機(jī)床的加工精度有事半功倍的效果。

目前，經(jīng)常采用的誤差補(bǔ)償技術(shù)有兩大類：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。

（1）硬件補(bǔ)償。所謂硬件補(bǔ)償就是通過調(diào)整或改變數(shù)控機(jī)床機(jī)械零部件的部分尺寸和相互位置以達(dá)到減小或抵消誤差的效果。當(dāng)在加工過程中發(fā)現(xiàn)加工誤差產(chǎn)生了變化以后，根據(jù)誤差變化量確定相關(guān)機(jī)械零部件的相關(guān)尺寸，并從新制作零部件或調(diào)整其相互位置以補(bǔ)償相應(yīng)誤差。由此可見，硬件補(bǔ)償屬于一種機(jī)械式的靜態(tài)補(bǔ)償，他的靈活性、經(jīng)濟(jì)型都比較差，特別對于隨機(jī)性誤差很難取得理想效果。

（2）軟件補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償就是首相在結(jié)構(gòu)上形成閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服控制方式，通過檢測傳感器實(shí)時在線檢測加工過程中產(chǎn)生的實(shí)際位置，反饋給CNC，CNC將實(shí)際位置與理想位置進(jìn)行比較，計(jì)算得到差值，輸出給伺服系統(tǒng)再控制運(yùn)動部件運(yùn)動。軟件補(bǔ)償是一種實(shí)時的動態(tài)補(bǔ)償，而且補(bǔ)償過程是通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的，無需改變數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是柔性高、精度高、經(jīng)濟(jì)型好。與硬件補(bǔ)償相比，軟件補(bǔ)償更有優(yōu)勢，其補(bǔ)償原理如下：

假設(shè)根據(jù)加工要求刀具運(yùn)動軌跡中某點(diǎn)的理想位置為W，由于加工誤差△W的存在，最終刀具的實(shí)際位置為W1，他們之間的關(guān)系為：

系統(tǒng)需輸入一個補(bǔ)償量-△W，才能控制刀具到達(dá)理想位置，而且這個補(bǔ)償過程不是一次就完成，而是在整個加工過程中都在進(jìn)行的，按照采樣周期，每周期一次。

3 結(jié)語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床加工精度受到很多因素的影響，提高的途徑也可以從多方面入手，常用的方法就是消除誤差根源及誤差補(bǔ)償同時采用。盡管如此，數(shù)控機(jī)床加工誤差也無法完全消除，因此，如何提高數(shù)控機(jī)床加工精度仍是我們以后進(jìn)一步深入研究及探索的課題。

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