數(shù)控機床加工精度的影響因素及其控制措施

朱喜杰

沈陽機床股份有限公司 遼寧沈陽 110142

1 數(shù)控機床概述

數(shù)控機床的種類很多，根據(jù)控制系統(tǒng)原理、功能的不同可以劃分為普通數(shù)控機床、點位控制數(shù)控機床以及其他種類。隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，一些具有獨特功能的數(shù)控機床也被陸續(xù)開發(fā)設(shè)計出來，進而滿足了機械制造業(yè)的發(fā)展需求。現(xiàn)實中，無論何種類型的數(shù)控機床，其構(gòu)成都主要可以分為以下兩部分:①軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要包括輸入、輸出、數(shù)據(jù)傳輸以及分析處理系統(tǒng)等。②硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由數(shù)控裝置（如圖1所示）、伺服系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、可編程控制器、電氣控制系統(tǒng)、機床本體以及其他一些輔助設(shè)備組成。

2 數(shù)控車床精度的影響

數(shù)控車床在正式加工之前，需要編寫相應(yīng)的加工程序，通過利用編寫完成的數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對工件的自動加工，整個的工作原理就是通過數(shù)字以及文字符號等完成指令的下達，進而實現(xiàn)控制一臺或者多臺加工機床的功能。盡管與傳統(tǒng)的加工車床相比，數(shù)控機床有較大的優(yōu)勢。但現(xiàn)階段，客戶對于機械產(chǎn)品的質(zhì)量以及實際使用性能的要求越來越高，特別在一些機械前沿領(lǐng)域，數(shù)控車床需要能夠完成更高精度的零件加工，因此必須強化數(shù)控車床加工精度的進一步控制。不過，就目前來看，數(shù)控車床在加工單一工件以及小批量工件時，自動化水平還不夠，而在加工形狀較為復(fù)雜、對加工精度要求較高的工件，自動化加工工藝還需要進一步的提升與優(yōu)化。在數(shù)控車床加工領(lǐng)域，如果想要進一步的提高加工精度，除了進一步進行設(shè)備研發(fā)之外，目前最容易實現(xiàn)的就是控制加工生產(chǎn)誤差，在這個過程中，需要不斷的進行研究總結(jié)，確定有哪些加工生產(chǎn)誤差，確定導(dǎo)致這些誤差產(chǎn)生的原因，從而制定有針對性的改進措施，進而保證數(shù)控機床的加工精度，保證加工出的零件精度能夠滿足客戶的使用要求[1]。

3 影響數(shù)控車床加工精度的主要因素

我國的數(shù)控機床多使用半閉路控制與伺服控制，實現(xiàn)加工過程的控制，而數(shù)控機床在傳動與運動中，部件會出現(xiàn)一定的彈性變形，而部件在運轉(zhuǎn)過程中不均勻地受力，會使得彈性間隙形成變化，而影響到數(shù)控裝置的精度。半閉環(huán)的控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

3.1 刀具使用規(guī)格與參數(shù)

在刀具使用中，為了保證零部件加工順利開展，對刀具規(guī)格進行規(guī)范至關(guān)重要。需要對車刀的主偏角和刀尖圓弧半徑進行控制。然而，實踐中發(fā)現(xiàn)部分車床加工中工作人員對刀具使用規(guī)格和技術(shù)參數(shù)的管理能力不足，使得機械部件的加工較為粗糙，不利于精細化加工方案落實。例如，在某車間對棒料的加工中，其軸向尺寸容易產(chǎn)生誤差，技術(shù)人員進行分析發(fā)現(xiàn)，主要是車刀規(guī)格尺寸不合理，以及刀具在使用過程中的磨損，影響機械零部件的加工質(zhì)量。對其加工過程和步驟進行分析，得出結(jié)論：刀具規(guī)格影響數(shù)控車床加工精度，需要選擇合適的刀具規(guī)格對應(yīng)不同的加工材料，并隨時注意刀具的磨損情況設(shè)置補償參數(shù)。實際生產(chǎn)中，零部件生產(chǎn)精準(zhǔn)度與刀具參數(shù)相關(guān)，需要對刀具使用規(guī)格進行明確。

3.2 電機運行中誤差控制

數(shù)控車床加工中，需要重點關(guān)注電機驅(qū)動和使用過程中產(chǎn)生的誤差。對其誤差形成原因和技術(shù)因素進行全面分析，確保加工速度合理、質(zhì)量合格。實踐過程中發(fā)現(xiàn)，電機運行中的誤差主要是逼近誤差和圓整誤差，需要在這兩方面進行控制方案應(yīng)用，通過增加機械剎車功能和控制電機轉(zhuǎn)速對相關(guān)問題進行治理，確保誤差值在加工行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，滿足精細加工標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)控車床加工中，還需要對精細零部件進行反復(fù)校驗，促使精密部件生產(chǎn)條件良好。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要對電機運行工況和設(shè)備零部件使用性能進行調(diào)整，確保數(shù)控車床作業(yè)條件良好。實踐工作中，由于加工過程對系統(tǒng)參數(shù)控制能力有限，導(dǎo)致機械零部件成品與樣本出現(xiàn)誤差，影響數(shù)控車床加工質(zhì)量[2]。

3.3 伺服控制系統(tǒng)因素

逼近誤差主要是利用數(shù)學(xué)原理對非圓結(jié)構(gòu)進行線性處理，以直線輪廓代替曲線輪廓。然而在實際操作中，控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)誤差，造成加工部件的輪廓形狀與圖紙要求不一致，影響實際加工能力。當(dāng)伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，也影響加工過程聯(lián)系性，不利于精細加工方案的有效落實。實際應(yīng)用中，伺服系統(tǒng)會對數(shù)控車床車削加工過程直線工藝和圓弧工藝產(chǎn)生影響，主要影響機械位移速度和加速度，需要對伺服系統(tǒng)主要控制方案進行分析。系統(tǒng)應(yīng)用是保證數(shù)控車床加工作業(yè)效率的關(guān)鍵，應(yīng)結(jié)合項目運行條件，使用相關(guān)控制方法，為控制系統(tǒng)合理應(yīng)用提供可靠保證，倘若對其控制不當(dāng)，會形成相同的進給軸開環(huán)增益，影響系統(tǒng)應(yīng)用效果。

3.4 幾何精度和結(jié)構(gòu)影響

零部件加工中，應(yīng)對車削速度和規(guī)格進行控制，然而，實際工程中，在數(shù)控車床加工中會出現(xiàn)幾何精度不足，工藝技術(shù)達不到行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問題。同時，也存在精細化措施應(yīng)用不到位、管理技術(shù)與經(jīng)驗不足問題，這也是主要影響因素。同時，車床結(jié)構(gòu)問題也會影響加工精細程度，需要對其進行控制[3]。

4 數(shù)控車床加工精度的控制對策

4.1 誤差防治措施的合理運用

針對數(shù)控車床在零件加工中時常出現(xiàn)的精準(zhǔn)度不足的問題，可以由專業(yè)的技術(shù)人員選擇誤差防治法通過合理的措施加強零件加工精準(zhǔn)度，從而保證針對不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的誤差能有效地進行避免。舉個例子，優(yōu)化改善加工生產(chǎn)環(huán)境、提升系統(tǒng)強度、做好零件裝配等措施都能有效地確保零件加工的質(zhì)量，避免其出現(xiàn)誤差。此外，對數(shù)控車床的檢修維護工作也同樣重要，由專業(yè)的管理維護人員研究車床設(shè)備的具體情況，結(jié)合新興技術(shù)做好優(yōu)化設(shè)計工作，從而減少誤差，使實現(xiàn)零件加工的質(zhì)量得到保證。誤差防治法能有效提高生產(chǎn)過程中的精準(zhǔn)度，但需要由專業(yè)的技術(shù)人員和過硬的實踐素質(zhì)提供支持，這樣在數(shù)控車床零件加工作業(yè)中才能起到其應(yīng)有的效果。當(dāng)然該法也有一個弊端，即相關(guān)人員或管理層過分追求零件加工精準(zhǔn)度時，必然會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高，還可能因為生產(chǎn)和檢修維護實踐的增加反而事倍功半地影響了產(chǎn)品質(zhì)量。單一使用誤差防治法必然是有質(zhì)量提高上限的，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)及時找到這一上限控制該法的使用。

4.2 數(shù)控車床總體設(shè)計的提升

數(shù)控車床作為零件加工的重要主體，因為其設(shè)計的優(yōu)化程度關(guān)系到各環(huán)節(jié)零部件加工情況，所以利用創(chuàng)新設(shè)計主機結(jié)構(gòu)、引進高質(zhì)量部件、優(yōu)化各生產(chǎn)環(huán)節(jié)等措施都能對加強數(shù)控車床零件加工工作起到重要作用。這樣一方面能延續(xù)且加強數(shù)控車床的自動化效果，從而保證零部件加工的正常平穩(wěn)運行，另一方面能有效降低人工的使用率，減少企業(yè)成本支出。此外，在車床優(yōu)化設(shè)計階段，相關(guān)技術(shù)人員還需要注意的是變形應(yīng)力對部件的作用，只有均衡分布才不至于在外力影響下導(dǎo)致機器出現(xiàn)變形，這樣也可以避免剛度薄弱部件在外力作用下被損壞。數(shù)控車床的總體設(shè)計可以由多方面進行優(yōu)化，包括調(diào)整結(jié)構(gòu)中心高度、介紹結(jié)構(gòu)材料使用、優(yōu)化系統(tǒng)熱態(tài)性能等，數(shù)控車床的設(shè)計優(yōu)化依然有很大的進步空間，需要相關(guān)技術(shù)人員繼續(xù)鉆研。

4.3 利用編程法加強加工精度

在數(shù)控車床使用過程中，低速單向定位到達插補起始點的狀態(tài)下，可以由專門的技術(shù)人員通過編程法完成插補加工，該法的最大用處就是設(shè)備穩(wěn)定運行過程中出現(xiàn)正向偏差，那么就可以通過此法反向間隙插補，從而達到還原偏差且將系統(tǒng)補回正軌。在數(shù)控車床使用時，還可以利用這樣一個方法，即多設(shè)立幾個地址儲存系統(tǒng)，從而把反向間隙值儲存在各軸中，這樣當(dāng)車床生產(chǎn)過程中產(chǎn)生指令異變的狀況時，那么原先儲存在各軸中的反向間隙值就會將其儲存到系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動讀取這些數(shù)值，在中央計算機的指揮下自動修正，從而達到自動消除反向偏差的目的，這就是編程法的重要意義。

4.4 設(shè)備定期檢修維護工作

數(shù)控車床歸根結(jié)底還是一種專業(yè)生產(chǎn)的機械設(shè)備，即便它再精密，在實踐運轉(zhuǎn)后都無法避免地會出現(xiàn)各式各樣的問題，而故障和問題的出現(xiàn)往往又會影響生產(chǎn)任務(wù)的進行，還會降低生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和精準(zhǔn)度。為了整個企業(yè)的經(jīng)濟效益，必須保證整個數(shù)控車床能保持長時間穩(wěn)定運行的狀態(tài)，這就需要專業(yè)的技術(shù)人員對其進行定期檢修維護。一方面，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合數(shù)控車床的具體使用情況和維護規(guī)范編制合理的數(shù)控車床維護計劃，具體到每年、每月、每日，并且每次完成任務(wù)都需要撰寫檢修報告責(zé)任人簽字，以確保責(zé)任到人。另一方面，在使用設(shè)備過程中也需要操作人員按科學(xué)要求來操作機器，科學(xué)合理地保證機床不受損壞。

4.5 提高刀具軸承加工精度

要對刀具的角度和材料進行合適的選擇。在工業(yè)化不斷深入的情況下，零件之間也從統(tǒng)一化變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化的特點，而數(shù)控機床所運用的工具也必須具有這些特點，才能提高刀具的軸承加工精度。雖然刀具本身就有較完善的材質(zhì)，但要想保證數(shù)控機床的加工精度，必須對刀具進行科學(xué)的選擇；在加工的過程中也要考慮到刀具的硬度以及耐磨性，比如現(xiàn)在運用最為廣泛的刀具材質(zhì)是合金和高速鋼。要提高刀具的軸承加工精度，需要盡量使用一些零件來控制滑動軸承；還要選用耐磨性較好的軸承，從而保證機床的精度。要盡量減少機床內(nèi)的熱源，并且使熱源遠離機床的主軸；同時機床還要設(shè)置散熱功能，比如采用金屬加工液進行潤滑并帶走加工過程中的熱量，進而降低設(shè)備和零件的變形程度。其次，還要注意軸承的轉(zhuǎn)速和調(diào)整問題。比如調(diào)整中、小滑板鑲條，使中間的間隙小于0．04mm，并且保證其移動平穩(wěn)、輕便；選用功率適宜的機床，增強機床安裝的穩(wěn)定性。在數(shù)控機床的加工過程中還要考慮到刀具的刀點，刀點就是坐標(biāo)系上刀具運動開始的點，這需要對對刀過程進行重視，對刀出現(xiàn)問題不僅會影響到加工零件的精確度，還會威脅到員工的安全，所以要特別注意對刀的控制。

4.6 加強相關(guān)人員的維護意識

數(shù)控機床的精度與生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率直接掛鉤，高精度的數(shù)控機床是我國數(shù)控加工走向國際化的前提。因此，數(shù)控機床的管理、維護也十分重要。

（1）數(shù)控機床是創(chuàng)造價值的先決條件，因此相關(guān)企業(yè)必須認(rèn)識到維護設(shè)備、保養(yǎng)設(shè)備的重要性。機床管理的好壞直接影響到數(shù)控機床是否能正常運轉(zhuǎn)，也影響到數(shù)控機床的精度和效用。

（2）相關(guān)人員要保證數(shù)控機床的合理運用。數(shù)控機床在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著重要的角色，它提高了機械設(shè)備的生產(chǎn)效率，但在使用過程中會受到環(huán)境、空氣、熱源的影響，因此必須在日常工作中合理使用數(shù)控機床，這樣才能避免機床出現(xiàn)故障。在使用過程中，也要加強對數(shù)控機床的重視程度，保證正確使用，并選擇合適的場地。數(shù)控機床容易受到外界的影響，由此，要有效避免其處在高溫的條件和潮濕的環(huán)境中，而且相關(guān)人員要在熟悉相關(guān)操作規(guī)范之后再進行使用。

（3）相關(guān)人員要定期做好機床的水平度和機械精度的檢查，并且做好校正工作。機械精度的校正方法有兩種：第一種方法是對系統(tǒng)的參數(shù)進行補償，如絲桿反向間隙補償、各坐標(biāo)定位精度的定點補償、機床回參考點位置校正；第二種方法是對機床進行維修、進行導(dǎo)軌修制、滾珠絲桿螺母副預(yù)緊調(diào)整反向間隙。

5 結(jié)語

數(shù)控車床對機械制造業(yè)來說是必不可少的加工設(shè)備，隨著一些高端領(lǐng)域的發(fā)展，對數(shù)控車床的加工精度要求越來越高，本文通過對影響數(shù)控車床加工精度的影響因素進行了分析，具體闡述了四點影響因素，之后根據(jù)影響數(shù)控機床加工精度的影響因素提出了四點相應(yīng)對策，并在此基礎(chǔ)上提出了其他兩點能夠提高數(shù)控機床加工精度的措施，對提高數(shù)控機床加工精度有一定的指導(dǎo)作用。