論數控機床精度的影響因素及優化措施

張靜雙　楊繼華

摘 要：社會的迅猛發展給數控機床的運用提供了更多的便利條件，而且，目前我國機械加工技術水平日益提升，人們對數控機床的精度性能也提出了更加嚴格的要求。文章主要對數控機床精度的影響因素進行詳細闡述，分析其影響情況以及原因，提出有效的優化措施，進而推動數控機床的高精度發展進程。

關鍵詞：數控機床；機床精度；影響因素；優化措施

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0139-02

Abstract： The rapid development of society has provided more convenient conditions for the use of CNC machine tools. Moreover， at present， the level of machining technology in China is improving day by day， and people have put forward more stringent requirements for the accuracy and performance of CNC machine tools. In this paper， the factors that affect the accuracy of CNC machine tools are described in detail， the influence situation and reasons are analyzed， and effective optimization measures are put forward， to promote the development process of high precision CNC machine tools.

Keywords： numerical control machine tools； machine tool precision； influencing factors； optimization measures

1 我國數控機床以及精度評價方法的發展現狀

1.1 我國數控機床的發展現狀

現階段高精尖的數控機床主要應用在我國航空、軍工、汽車以及發電儀器等制造行業。我國數控機床技術擁有幾十年的發展時間，并且已取得了顯著的成果，目前已經掌握了數控系統、伺服動力、主機研發等關鍵技術，其中還有一些核心技術已經實現產業化進程。我國是當今社會數控機床消費量最大的大國，自己研發的數控機床的比例逐漸增加，相關數控技術領域的人才團隊也在迅速擴大。不過，現階段自主研發的數控機床一些技術依舊存在諸多的問題，舉例而言：自主研發的數控機床在外觀上和進口數控機床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上卻相差較多，進而造成“形”像卻“神”不像的狀況。

1.2 我國數控機床精度評價方法的發展現狀

現階段我國數控機床評價方法主要包括以下幾種：第一種，數控機床神經網絡評價方法：該精度評價方法的英文簡稱為ANN（全稱是Artificial Neural Network）。該方法主要特點是利用一種非線性的神經網絡系統，通過對樣本進行收集、采樣，并對多項指標的綜合評估內容進行研究、分析，最終得出較為全面且客觀的評價結論。該評價方法擁有十分強大的自組合、自適應以及自學習的能力。不過該評估方法存在的問題有：不能科學、有效的對初始樣本進行提取，所以必須與其他類別的評估方法配合使用。第二種，數控機床粗糖精度評價方法：該精度評價方法的英文簡稱是RST（全稱是Rough Set Theory）。這種精度評價方法可以有效的解決不穩定性以及模糊較為嚴重的數據信息，還可以把與權重有關的內容轉化成粗糖屬性的評價內容。第三種，數控機床模糊精度評價方法：該精度評價方法的英文簡稱是FS（全稱是Fuzzy Sets）。該精度評價方法是在上世紀末期由 Lotfi以及A.Zadeh 等一些自動控制專家、學者提出的。該精度評價方法一般是用于展現部分事物的不穩定性以及模糊性。模糊數學是Fuzzy Sets評價理論的本質內容，該評價原理可以把非定量評價的內容，通過模糊數學的隸屬度模式給轉換成定量評價的內容。換言之，該精度評價方法能夠把受到各類因素、因子影響的對象以及物件，通過模糊數學原理獲取到較為科學、有效的評價整體。總而言之，數控機床模糊精度評價方法可以有效的處理難以量化以及模糊等內容，而且還擅于解決諸多不穩定性的評價問題。

2 數控機床精度評價方法的應用

我國應用數控機床精度評價方法的時間相對較短，不過隨著我國機械制造業領域相關技術的迅猛發展，與其有關的精度要求準則正在不斷提升，人們對數控機床技術加工的要求也變得更加嚴格。下面筆者將從數控機床工作精度的穩態誤差、瞬態誤差以及勻速度波動誤差這三方面的工作精度綜合評估指標進行研究與分析。首先，穩態誤差是數控機床精度評價方法當中最為關注的因素之一，數控機床工作精度的穩態誤差主要代表著一種跟隨性精度誤差。這是由于實際的數控機床工作位移和位移命令之間存在滯后的現象，因此產生此類穩態誤差。在數控機床單軸穩態情況下，隨著工作時長的不斷增加，標準庫當中的命令型系數所產生的滯后現象主要包含兩方面內容，一方面是伺服管控內容，另一方面是減速環節程序。標準庫當中的命令型系數沒有由于有關命令的下達而在第一時間做出相應的改變，所以由于時間的滯后造成穩態誤差的產生，這種因滯后產生的穩態誤差，其自身的位置信號和命令速度的變化保持一致。其次，瞬態誤差也是數控機床精度評價工作最重要的因素之一，數控機床的實際工作精度瞬態誤差主要代表的是：數控機床在單軸工作環節中突發性的出現啟停以及突然換向等情況，由于命令的變化速度之快、命令間隙以及系統重新調試等環節，造成工作位移于傳輸的命令之間存在的差異大小。最后，勻速度波動誤差同樣是數控機床精度評價工作的核心內容，勻速度波動誤差主要指的是數控機床在勻速工作的環節中命令下達的速度和實際工作的速度之間的誤差數值，數控機床在穩定速度速命令下由于控制離散差異、摩擦和負載變化、伺服力矩改變等原因造成的偏差。數控機床加工速率的改變大小和頻率會直接影響著加工零部件的表面質量好壞程度。

3 影響數控機床的主要因素

3.1 機床形狀變化

數控機床自身的剛度以及熱變形情況是決定機床形狀變化的重要因素。主要體現在以下兩方面內容：一方面，數字機床的剛度是指數控機床是在外力作用下，以機床形狀不變化為基準，機床可以承擔的最大應力。因為數控機床的工作環境十分復雜，機械設備、器件之間出現摩擦接觸的情況十分頻繁，倘若數控機床的剛度不能滿足基本要求，數控機床自身的器件在受到外力干擾情況下就很容易出現錯位以及脫落的情況，進而影響數控機床的正常運作。另一方面，數控機床的外部熱源以及自身熱源所產生的熱變形對數控機床也會產生較為嚴重的影響。外部熱源主要包括自然光線以及工作環境溫度；自身熱源主要包括軸承之間摩擦、器件工作構成的熱量。與此同時，數控機床所使用的材料也會對熱變形造成影響。根據有關數據分析統計，數控機床長時間運作所產生的熱變形因素是影響其出現工作誤差的最主要原因，特別是針對自動化精度較高的機床而言。

3.2 數控機床抖動

數控機床在工作環節中，總是會出現不同程度的抖動情況，因為抖動情況的存在，數控機床自身器件之間的嚙合狀況就會受到比較嚴重的影響，影響嚴重的時候會降低數控機床的刀具使用期限，從而數控機床的加工精度也會大打折扣，給機床的長期工作帶來負面作用。

3.3 數控系統性能問題

數控系統性能問題主要指的是數控制系統在計算過程中出現的誤差現象，在數控機床工作過程中，伺服機構的工作平穩性，檢查機構的安裝穩定性以及檢查精度等性能問題都會對數控機床的精度造成影響。

4 針對數控機床精度問題應采取的優化措施

4.1 改變數控機床主軸的精度

除了數控機床床身之外，主軸也是數控機床是最重要的零部件之一。在數控機床上進行加工處理的零件精度時，基本都是由數控機床的主軸精度和主軸對導軌以及關鍵零部件的位置精度決定。改變數控機床主軸精度的過程中，一定要關注主軸和處理進給方向的平行情況；針對多軸箱而言，要關注不同距離，加工精度需求較高的主軸和模板套筒的同軸情況；在使用有關夾具、模型以及機床多軸設備時必須關注相對位置的情況，如果出現不合理情況必須及時進行改變和調整；對于孔深大小有明確要求的零件，在使用數控機床加工時必須關注軸向處理位置的實時變化情況。

4.2 對數控機床的導軌精度進行提升

在進行數控機床導軌維修過程中，由于不同儀器的特征不一樣，修復機床導軌面時所需要使用的方法差別也較大，以下幾種是應用最為廣泛的方法：刮研法、精磨代刮法。針對已經進行過淬硬加工的導軌面而言，一般只能使用精磨代刮法，而不建議使用刮研法。針對一些磨損面較多的導軌而言，無論是使用刨削代刮法還是精磨代刮法，在進行修復過程中每一次代刮之后的殘余數量都必須保證在最低數值范圍以下，只有這樣才能有效避免對導軌自身的剛度造成負面效應。針對急需進行大面積修維護但磨損數量較少的導軌而言，其表面出現較為明顯的溝槽、痕跡或是拉毛等狀況時，建議使用環氧樹脂（石英粉）進行后期處理，在進行補焊的過程中可以應用如下工具：巴氏合金焊條、鑄鐵冷焊條以及、銀焊條等等。

4.3 使用誤差補償技術

使用誤差補償技術可以有效的提升數控機床的精度，使用誤差補償技術需要考慮到以下幾種情況：第一，目前采用反向偏差補償技術的自主研發數控機床，其精度大多數都超過0.025mm，可是補償作用不夠明顯。針對以上數控機床而言，在特定的場景下，可以通過編程的途徑來提高定位精度，減少間隙大小，在保證機械構件不發生變化的狀況下，只要確保單向定位處于插補源頭，就可以進行正常的插補處理工作。針對其他類型的數控機床而言，一般在數控儀器內部設置多個位置信息，目的在于存儲間隙數值大小。倘若數控機床的軸端被要求改變運動軌跡，數控機床就可以自行的獲取相應軸端的間隙數值大小，并且對位置信息進行補償和修訂工作，讓數控機床實現精準地控制，進而減少反向偏差對數控機床精度的負面作用。第二，如果檢測到數控機床的定位偏差過大，超出定位偏差最大范疇，就需要對數控機床采用誤差補償技術。誤差補償技術主要指的是人工對機床CNC系統進行修訂，進而降低定位誤差。該過程的操作流程如下：第一，對數控機床的CNC控制系統進行備份，確保已有的補償系數安全、可靠。第二，通過數字通訊技術對數控機床CNC程序進行編寫和修訂，并把最終信息傳輸給數控機床CNC系統。

5 結束語

數控機床由于長時間工作，其自身器件很容易出現不同程度的磨損情況，進而使得機床精度下降。因此，在對數控機床進行使用時需要加大對儀器的關注力度，必須應用科學、安全的方法對影響數控機床精度的因素進行處理，只有這樣才能保證數控機床擁有最好的工作狀態，零件的加工質量也會得到進一步提升。

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