數(shù)控機床精度影響原因及改進措施

摘 要：首先，文章提出了影響數(shù)控機床精度的原因，其次，并對各影響原因提出對應的改進措施和改善方向，對數(shù)控機床結(jié)構設計和機床使用穩(wěn)定性的維護有一定的參考意義。

關鍵詞：機床精度;機床結(jié)構;動態(tài)響應

一、 對數(shù)控機床加工精度的影響原因主要包括如下幾個方面

（一）變形

包括由于本身結(jié)構不合理等因素導致的彈性變形和機床運轉(zhuǎn)過程中的發(fā)熱傳遞給機床造成的變形，熱變形是影響機床加工精度的最主要因素，最高可達機床總加工誤差的70%。

（二）間隙

由于制造和裝配誤差、彈性變形以及磨損都會產(chǎn)生間隙，間隙會造成定位精度變差和響應滯后，在閉環(huán)系統(tǒng)中會造成系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩制造。

（三）磨損

包括局部磨損、正常使用磨損本來就不可避免，只能通過措施減少磨損帶來的影響。一般機械設備中約有80%的零件因磨損而失效報廢，材料、裝配、變形、潤滑不好等情況均會導致磨損加劇，從而造成設備精度喪失。

（四）動態(tài)響應

是所有機械結(jié)構和機床狀況的最終反映，決定了機床的加工精度和穩(wěn)定性。且受溫度、潤滑情況、加工負載等情況的影響比較大。

二、 針對以上導致機床精度變差甚至喪失的情況，可以有針對性的采用一定的措施來提高機床的精度

（一）變形：通過機床結(jié)構的合理布局和優(yōu)化，減少變形的產(chǎn)生

1. 合理布局

以鏜銑床為例，針對不同加工零件的要求采用不同的床身布局結(jié)構。

工作臺有十字形布局和T形床身布局，其中T形布局的工作臺與床身分離，剛性好，承載能力強適用于較重的零件。對于主軸箱懸掛于立柱對于精度要求高的機床一般采用框式立柱，避免采用單側(cè)懸掛。框式立柱結(jié)構對稱，受力和溫度變化的變形小，有利于提高加工精度。

其他類型的機床如臥車盡量采用斜床身結(jié)構，不僅結(jié)構穩(wěn)定且有利于排屑排水。對于大型重型零件的銑削加工多采用天車式龍門結(jié)構，結(jié)構穩(wěn)定精度高。

2. 優(yōu)化結(jié)構

對于立柱、橫梁、床身、底座等采用變形小熱穩(wěn)定性好的鑄鐵作為材料，內(nèi)部合理布置隔板和筋條，減小應力變形的同時又能提高剛性，且內(nèi)空的結(jié)構易于散熱，一些精度要求特別高的場合內(nèi)部可增加強制冷卻，進一步減小熱變形。

一些影響精度的關鍵部件采用整體式的“箱中箱”結(jié)構進一步提高剛性。在機床設計之初就通過三維有限元分析，合理布置加強筋和結(jié)構優(yōu)化。

3. 輔助支撐

對較重的部件采用更多的支撐，比如工作臺導軌增加副導軌以加強剛性。重力軸采用雙絲杠傳動，對于較重或有快速響應要求的增加平衡油缸支撐等。

4. 變形糾正機構

對一些直線度要求高的場合，增加直線糾正機構和扭曲糾正機構以用于后期機床維護時候的精度調(diào)整。

（二）間隙：通過優(yōu)化材料、提高制造裝配精度、采用合理的消隙機構消除間隙

1. 優(yōu)化材料

（1）對于大型設備本體、立柱、工作臺底座等采用熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)鑄件材料，并做時效處理。例如工作臺、立柱、橫梁、滑座等常采用HT250、HT300、HT200等優(yōu)質(zhì)鑄鐵，立車滑枕、臥加鏜桿等常采用QT50-5、45、鍛造合金鋼等材料。

（2）為加強導軌硬度及耐磨性，一般導軌經(jīng)淬火處理。

（3）對于精度要求較高的場合，采用熱膨脹系數(shù)更好的大理石作為工作臺和導軌。

2. 提高制造裝配精度

通過對靜壓導軌、直線導軌安裝面等關鍵的結(jié)合面的精磨、手工刮研（俗稱鏟花）進一步提高結(jié)合面精度，增加貼合面剛度，減小間隙。采用精度更高級別的滑塊、軸承等提高精度。

3. 合理消隙

通過機械、液壓、電氣雙電機控制等方式消除齒輪傳動間隙。通過預緊裝置，調(diào)整軸承預緊游隙等措施，提高傳動精度的同時也保證較高的剛性。

（三）磨損：采用耐磨材料合理潤滑減少磨損

幾乎所有的磨損都會影精度，包括導軌磨損、傳動鏈磨損（齒輪、絲杠、軸承），其中影響機床使用壽命最大的是導軌磨損，因為導軌往往與機床是一體的無法更換。導軌按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導軌、滾動導軌（可更換）和靜壓導軌三種。

對于滑動導軌常采用鑄鐵-塑料的方式，貼塑常用材料有聚四氟乙烯軟帶或環(huán)氧型耐磨涂層兩類，在正常供油的情況下，不僅摩擦系數(shù)小，不易磨損且靜摩擦和動摩擦系數(shù)差別也很小這樣有利于防止導軌出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象傳動較平穩(wěn)。

對于速度響應要求較高的場合采用滾動導軌包括直線導軌和滾動導軌塊。滾動導軌的最大優(yōu)點在于磨損后更換方便。

在大型、重型和精度要求非常高的數(shù)控機床上常采用靜壓導軌，即在兩個相對運動的導軌面間通以壓力油，將運動件浮起，使導軌面間處于純液體摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)極小，導軌幾乎不會磨損，壽命長，但是靜壓導軌制造和調(diào)整都比較困難，成本較高。

（四）動態(tài)響應：通過反饋系統(tǒng)、電氣補償，優(yōu)化、提高阻尼等提升動態(tài)響應性能

1. 采用反饋系統(tǒng)提高控制精度

控制系統(tǒng)分開環(huán)、半閉環(huán)和全閉環(huán)系統(tǒng)，控制精度和制造成本逐漸提高。精度要求高的場合基本上全部采用全閉環(huán)控制系統(tǒng)。即直接測量最終的移動部件實際位移，并實時反饋給數(shù)控系統(tǒng)，通過實際位置與預定位置的差值進行正向或反向的調(diào)整以保證精確的位置和速度控制。

2. 電氣補償

包括反向間隙補償、螺距補償、垂度補償（交叉補償）等。通過激光干涉、球桿儀等精密儀器測量實際位置，通過數(shù)控系統(tǒng)定點或按照一定的對應關系對軸的移動位置坐精確補償。

3. 提高系統(tǒng)阻尼

大型機床通過殊部位填充黏彈性的高分子聚合物以增加機床的阻尼，減少顫震，提高機床運行穩(wěn)定性降低溫度的敏感性。

三、 結(jié)語

通過對影響機床精度和穩(wěn)定性的原因探討，提出有針對性的改進措施。當然精度越高所需的成本和制造維護難度也越高。應該對于不同加工工況和加工精度的要求，采用事宜的提高措施。

作者簡介：

張厚來，南京高速齒輪制造有限公司。