引起數控車床加工精度誤差的因素及應對措施

何 超，瞿 瑩

（1.淮陰工學院 機械與材料工程學院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學院 江蘇省先進制造技術重點實驗室，江蘇 淮安 223003；3.淮安市鼎新電子有限公司，江蘇 淮安 223200）

制造業是立國之本、興國之器、強國之基。機械制造行業是一個國家制造業發展的基礎，在機械制造行業中，車床是一種重要的機械加工設備，隨著機械制造行業以及我國工業化進程的快速發展，車床技術也在不斷更新換代，已經由傳統的老式車床發展到目前的自動化、智能化數控車床，此種加工技術在機械制造、汽車、航空航天等行業中獲得了廣泛和深入地應用。數控車床加工具有較高的加工精度和自動化程度，大幅降低了人工作業強度，提高了生產效率，提升了精密零件的質量，促進了機械裝備制造水平的提升。隨著德國“工業4.0”、美國“先進制造業國家戰略計劃”、日本“產業復興計劃”等計劃的提出，我國作為全球制造業中心的地位面臨著挑戰。為了進一步提高數控車床加工精度，滿足行業發展的新要求，就需要研究數控車床加工精度的影響因素并加以控制和應對[1]。

1 數控車床的工作原理及特點

數控車床除了能夠完成軸類零件和盤類零件的內外圓柱面以及圓錐面加工，還能進行切槽、鉆擴孔、鉸孔和鏜孔等作業，在批量生產中基本替代了普通車床。數控車床與普通車床最大的不同就是加入了CNC 系統，此系統融合了多種先進科學技術。應用數控設備可以將所需要加工零件的特征描述成編程語言并在控制系統中編寫和輸入，CNC 系統插補計算出理想的刀具運行軌跡，然后將計算結果通過伺服系統輸出到執行部件，根據程序設定自動完成加工作業，具有較高的加工精度、自動化程度和作業效率等。其硬件組成如圖1 所示。

圖1 數控機床的硬件組成

由圖1 可以看出，在應用數控機床開展機械加工作業時，通過控制面板將待加工零件的加工要求輸入到CNC 控制系統中，由工作人員在此系統中給出零件需要加工的信息，并由CNC 裝置將上述信息轉換為程序代碼傳輸到數控系統中，在工作時由PLC 系統進行譯碼和預算，向電氣回路、主伺服裝置、輔助裝置等下達控制指令，在此指令下機床各部件開展加工作業，最終完成零件的加工。

基于上述CNC 系統的數控車床的應用，在零件加工中表現出具有較高加工精度、較高加工深度、較高工作效率和較高自動化程度等特點。這不僅通過CNC 系統的應用來保證機械零件加工的穩定性和一致性，而且通過多種程序的匯編來實現多個坐標聯動，可以加工形狀復雜的機械零件。當需要加工不同的零件時，只需要輸入不同的程序就可以實現，數控系統還可以保存輸入的程序，通過調用不同程序即可完成不同零件的加工作業，此外，應用數控機床只需要輸入程序并輔助做好裝夾工件以及更換刀具等工作即可，可以自動且批量化生產零件，提高了生產效率，節省了人工作業量。

2 影響數控車床加工精度的因素

2.1 伺服系統

伺服系統是數控機床的重要組成部分，包含了機械傳動、電氣驅動、檢測、自動控制等各個方面，高性能的數控機床要求伺服系統具有高精度、穩定性好、相應速度快、電動機調速范圍寬等特點，伺服系統性能的高低直接決定了數控機床的高效率、高精度。數控車床中的伺服系統也被稱為隨動系統或反饋控制系統，可以跟隨或復制車床加工作業的某個過程，應用此系統驅動機床部件可以完成零部件加工作業，具體地說，是由系統中的電機驅動絲杠的傳動精度決定零件的加工精度。目前許多數控車床使用的是閉環控制伺服系統，在生產過程中，系統需要將信號數據傳遞到絲杠，通過絲杠的正反轉帶動刀架移動，如果出現絲杠反轉的情況，由于反向間隙的存在，此時就會出現短時間的絲杠空轉現象，引起反向間隙誤差的產生，從而影響零部件加工精度。

2.2 刀具參數

刀具是機床對工件開展切削加工的主要部件，因此刀具的選擇不僅影響著機床加工效率，還直接影響零件加工質量。理論上車刀的刀位點應該是一個點，而實際上車刀刀尖是一段圓弧，因此刀尖圓弧半徑的存在會造成產品加工的尺寸偏差。在對軸類零件開展切削加工時，車刀軸線是不固定的，表現出軸線尺寸增加而刀具的主偏角減小等現象。如果不及時糾正上述偏差，則會導致誤差逐漸積累而影響零件加工精度。針對上述偏差，可以在CNC 控制系統中設置刀具參數時考慮軸向尺寸變化規律，對軸向位移長度、刀尖圓弧半徑和主偏角等參數進行充分考慮，合理編寫加工程序，要基于待加工零件的特性來科學分析刀具軸線偏差并加以修正，從而確保零件加工精度[2]。

2.3 切削用量

數控車床的切削用量主要包括切削速度、切削深度、進給量三種切削要素，這也是影響零件加工精度和表面粗糙程度的關鍵因素。在實際加工作業的初始粗加工階段，通常采用較大的背吃刀量來提高加工效率，但是這會導致切削力的增加，加劇刀具的磨損，加工程序設置不當時甚至會損壞刀具和零件。而在后期的精加工階段，需要加快切削速度并縮小進給量來保證零件滿足更高的加工精度要求，結合實際的背吃刀量預留相應的精度余量[3]。當零件的加工精度、表面粗糙度要求較高時，在選擇切削用量時就應選擇較小值，進行零件試加工時，可以適當調整切削用量，找到最佳的參數。

2.4 加工路線

在進行數控編程時，要選擇最短的加工路線，可以有效地提高生產效率，降低刀具磨損，減少換刀次數。在加工過程中，過長的加工路線會增大切削時產生的熱量，引起刀具和零件的溫度升高，增加熱變形，這樣會導致刀具與零件的位置產生變化，影響加工精度。另外，過長的加工路線也會加大機床運動部件之間的摩擦，產生熱量，同時電動機、液壓系統工作也會產生大量熱量，最終導致機床各零部件溫度升高，導致熱變形，影響加工精度。因此合理的加工路線可以保持機床加工精度，同時也可以提高使用壽命。

3 提高數控車床加工精度的對策

3.1 抑制伺服系統誤差

根據伺服系統的類型，數控機床可以分為開環控制、閉環控制和半閉環控制3 種，可以根據機床精度要求的高低進行選擇。基于伺服系統在數控車床中的重要地位和作用，需要在設計階段就提高對伺服系統誤差抑制的重視，選用具有良好動態性能的驅動裝置，提升伺服裝置的抗壓水平和抗載能力，降低由于此系統而引發誤差的概率。選好伺服系統之后，則需要優化CNC 控制系統的參數來提升加工精度，比如在單軸直線加工作業時，雖然會存在速度誤差，表現出達到停止位置的時間會不同，但是不會對加工誤差產生影響。如果無法通過完善系統參數設置的方式保證不同進給軸的位置開環增益相同，就會影響工件的加工精度。而在圓弧加工中，如果無法保證上述開環增益相同，就會影響加工精度，這就需要在保證二者相同的同時，還要盡量增加位置開環增益來提升輪廓的加工精度，提升零件加工質量[4]。

3.2 誤差補償法

為了提升零件加工精度，在發揮系統自身所帶補償功能的基礎上，還要結合軟件和硬件，對已經存在的坐標軸進行補償。針對半閉環伺服系統中的誤差問題，可以采取反向偏差補償法對可能出現的誤差進行消除，從而提高定位精度。通過此種補償法的應用，有助于零件誤差和潛在誤差的減小，控制總的誤差在允許范圍之內。但是此種方法需要消耗較高的費用，為此還需要研究成本更低的誤差補償方法。

3.3 刀具的優化

應用數控車床開展工件加工作業時，可以通過一刀多尖的方式，也就是將一把車刀采用多個刀尖并對刀尖做好標號處理的方式，調整外圓車刀和刀尖，增加數控車床生產加工的容量，使得車床的加工角度更為靈活多變，減少刀具的換刀次數從而降低誤差。還可以通過對車床的絲杠施加運動間隙補償的方式來降低刀具誤差，比如在加工螺紋時可以選擇電機的縱橫向控制刀具的縱橫向，通過誤差補償和清除的方式消除橫縱絲杠間的間隙，有效衡量誤差補償量，減少橫縱絲杠間隙的誤差，保證刀具準確性。

3.4 熱變形誤差的預防

熱變形是影響數控機床加工精度的一個重要因素，而且零件要求的加工精度越高則越容易受到熱變形誤差的影響。這是由于在機床軸承和馬達等部件運行時，受到外界環境溫度以及零件摩擦等因素的影響會使得機床工作溫度升高，在受熱和受力的影響下使得機床零部件產生不規律的變形。因此要做好對熱源的控制，或者采取設置冷卻回路的方式來降低工作溫度[5]。

3.5 床身導軌的優化

隨著加工精度的提高，數控車床的結構和性能更為復雜，對數控車床導軌的精度、車床的承載力以及車床底座鑄件的重量等都提出更高要求。實際生產中所使用的數控車床，想要充分發揮數控車削各個方面功能，不會選擇整體的鑄件結構，通常會選擇斜床，從而改善受力條件，提高機床剛度，而且可以采用封閉式界面，運用有限元分析，優化機床構件的靜剛度。通過此種結構形式的數控車床實現車床抗彎性能和抗扭能力的改善，有助于保證車床的穩定性并降低車床的自重，確保導軌的幾何精度。機床導軌和支撐件的連接部位，其局部剛度不是很強，一般采用增加筋板或加強連接部位尺寸的方式提高局部剛度。

3.6 加工路線的優化

加工路線一方面可以通過加工工藝的編排來優化，通過完善工件的裝夾方案，讓工序可以集中加工，用最少的裝夾次數完成所有的加工工作，同時可以有效減少刀具更換的次數。在進行工步的規劃時，要把加工效率和精度綜合考慮，選擇科學合理的工序路線，區分好精加工和粗加工，提升零件的加工精度。另一方面，可以通過對加工路線的優化來提高加工精度，在加工路線的規劃時，要盡可能選擇最短的加工路線，可以有效降低刀具的空轉時間，減少無用工序的存在，提高數控車床的加工效率。在實際運用中，可以使用Mastercam 等軟件進行編程，獲得最佳的加工程序。

4 結語

在我國提出“中國制造2025”發展規劃的背景下，作為裝備工業最重要組成部分的機械制造行業正在蓬勃發展，將進一步受益于我國經濟持續增長、政府不斷加大基礎建設投入，國家對相關行業產業政策的支持，“一帶一路”沿線國家基礎設施建設等需求，是機械制造行業發展的重要的橋梁紐帶和開路先鋒，市場有望迎來大量的增長需求。但仍需要提高機械制造水平來提升我國制造業的競爭力。“工欲善其事，必先利其器”，數控機床被稱為工業母機，其性能的高低直接影響著制造業的發展水平，也是產業升級、技術進步的重要保證，未來工業發展，仍然離不開各種數控機床[6]。數控車床作為數控機床中的一種重要加工設備，其加工誤差直接決定工件加工精度，只有保證和提高加工精度，才能夠生產出符合要求的零件。想要進一步提高工件加工精度和質量，就可以從伺服系統誤差的抑制、誤差補償法的應用、刀具的優化等方面來進行應對。新時代發展給數控機床的發展帶來新的挑戰和機遇，先進的制造技術與信息技術融合，也給數控機床的技術創新提供了技術支撐。