五軸數控機床加工精度分析

吳強

摘要：由于精密儀器、航空航天等行業對加工件的要求逐漸提高，傳統的加工方式不能滿足其高精度的要求，為了滿足工業制造的基本需求，有必要對數控機床的精度與誤差進行分析研究，尤其整機機床的誤差分析，減小誤差有助于提高五軸數控機床的精度，間接的也提高了加工件的加工精度，因此，研究對五軸數控機床加工精度的分析研究對精度的提升具有實際的參考意義。

關鍵詞：五軸數控機床;幾何誤差;精度建模;精度預測

隨著我國制造的飛速發展，使得傳統的機床加工滿足不了設計者要求的精度，尤其是在精密儀器的制造，需要極高精度的數控機床[1-2]。而五軸數控機床相對其他加工方式具有更好的柔性、加工精度更高、自動化程度高等優點，使得其在機械制造、航空航天和大型精密儀器得到廣泛的應用。通過數控機床可以使被加工的產品得到較高的精度，但在數控機床自身的制造和研發中，需要準確的把握數控機床的誤差，只要數控機床自身的誤差小，才能使制造更加精密的零件[3-4]。由于數控機床的精度主要取決于組成機床的零部件組裝，其整機的加工精度體現了被加工件的加工水平和要求[5]。對于數控機床的加工精度的分析主要采用幾何建模法、誤差矩陣法、二次關系模型法和多體系統理論法等算法，本文以五軸數控機床的精度和誤差為分析對象，旨在提高數控機床的加工精度，為今后的設計和優化奠定良好的基礎。

1五軸數控機床的精度分析

由于數控機床自身的加工精度決定著數控機床加工零件的質量和精度。隨著加工零件越來越復雜、幾何結構越來繁瑣，各個面的精度也越來越高，使得五軸數控機床得到極大的應用。然而數控機床的自身的各種問題都極有可能導致待加工的零件質量不合格，機床廠家對待加工零件完成之后，都會要求對零件進行檢測，如果出現精度不達標，也無法對數控機床進行調整和修復，可能會耽誤很長時間，導致數控機床的停止作業，使得制造成本大大增加。針對數控機床的精度和誤差一般是采取預防措施，也就是在數控機床的精度沒有超出偏差范圍之外進行調整，根據計劃隨時掌握對機床工作狀態進行監控，并對機床加工出的零件進行精度檢測，并針對各個誤差來源對機床進行相應的補償，以此來消除或降低機床的誤差，從而使得機床的精度始終保持高精度的要求之內。因此，對機床精度的分析和研究有效的提高了數控機床的精度，為其設計提供了一定的參考依據。五軸數控機床是一種專門用于加工機翼、葉輪、葉片、重型發電機轉子等具有復雜空間曲面零件的高科技含量、高精密度的現代數控加工中心。其優勢是能夠加工多曲面的結構，尤其是三軸機床和一次裝夾無法加工的結構，采用五軸數控機床可以加工一般三軸聯動機床不能加工或者無法一次裝夾加工完成的自由曲面，節省裝夾次數和時間，還可以提高空間曲面的加工精度、加工效率和加工質量。對于一臺數控機床可以用加工精度和加工誤差來進行評判，其中，加工誤差的大小體現了數控機床的加工精度。由于在對零件的加工時，數控機床自身的加工精度需要考慮機床本體、夾具、工件和刀具等精度，從而改變刀具和工件在切削運動過程中的相互位置關系從而影響零件的加工精度。

2五軸數控機床誤差分析

根據五軸數控機床的加工情況分析，不同類型的誤差對機床總的誤差影響各有所不同，按照誤差的來源，可將其分為外部誤差和內部誤差。其中，外部誤差是指機床加工時，機床所處的環境溫度、零部件的振動、動力的穩定和操作等外界條件;內部誤差主要是指數控機床加工原理和結構上帶來的誤差，即系統誤差。通過對各個誤差的統計分析，對機床的誤差所占的比例分布如表1所示。2.1五軸數控機床的幾何誤差分析。五軸數控機床的幾何誤差是指由組成機床各部件工件表面的幾何形狀、表面質量、相互之間的位置誤差所產生的機床運動誤差。任何一個物體在空間都有6個自由度，相當于該物體在空間上就會存在6個方向的誤差。以X軸為例，五軸數控機床的存在的誤差如圖1所示。2.2熱誤差分析。數控機床由于再加工過程中，消耗了電能和動能，相關的零部件也會因為摩擦產生溫度，尤其是刀具，再加上零部件都是由金屬材料加工而成，必然會受到溫度的影響。將整個機床的熱源可以分為兩大類：內部熱源和外部熱源。其中，內部熱源是指數控機床本身產生的熱量，如傳動件的軸承、數控機床的伺服電機、傳動動力的齒輪和離合以及工作臺的導軌驅動等，都會產生熱量;外部熱源是指數控機場所處的環境溫度，如氣溫、冷、熱風氣流、陽光、照明、暖氣設備等外界因素。機床熱誤差的產生主要由于數控機床的各個零部件的受熱不均勻，導致了材料的熱膨脹有差異，從而引起機床各部件的尺寸、外形和空間相對位置發生變化，導致主軸相對于工作臺的位置發生改變，原點坐標變化，機床運動機構移動的直線性產生偏差，破壞反饋系統工作的穩定性。2.3其它方面的誤差分析。切削力產生的誤差是指數控機床在加工過程中，由于刀具切削金屬零件而受到的反作用力，即切削作用力，導致刀具與被加工零件的位置發生誤差，影響工件的加工精度。刀具使用過程中，工件對刀具的磨損都會對加工精度產生影響。夾具誤差主要來源于夾具的定位元件和裝配等產生的誤差，這些誤差都會對被加工工件的位置產生巨大的影響。因此，在刀具的在使用過程都要不斷的修正，以此提高加工件的精度。

3總結

通過對數控機床的詳細介紹，主要從精度和誤差兩個方向入手，對數控機床的整體精度進行有效的分析和研究，并對誤差的類型做了一定的介紹，由于數控機床的加工精度主要受到外界和系統的誤差影響，因此對于誤差和精度的分析是非常有必要的，分析機床的誤差和精度有助于提高機床的整體性能，為今后機床的檢驗和檢修提供一定的參考依據，也為精度的分配提供理論上的數據。

參考文獻：

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[3]李杰，謝福貴，劉辛軍，梅斌，董澤園.五軸數控機床空間定位精度改善方法研究現狀[J].機械工程學報，2017，53（07）：113-128.

[4]鄭財，黃賢振，胡明偉.三軸數控機床加工精度可靠性及靈敏度分析[J].制造技術與機床，2017（01）：54-59.

[5]鄭財，黃賢振，胡明偉，李倩倩.三軸數控機床加工精度可靠性分析[J].機床與液壓，2017，45（15）：180-183，160.

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