數控機床的誤差分析及對策

數控機床絕大多數零件的加工誤差不是在加工過程中形成的，而是在加工前程序編制階段就已經形成。筆者簡要分析程序編制誤差和機床本身精度誤差對加工精度的影響。

一、程序編制誤差的種類

在編制過程中，程序編制誤差是不可避免的，這是由程序控制的原理本身決定的。在程序編制階段，圖樣信息轉換成數控系統可以識別的信息，有可能產生三種誤差。

1.逼近誤差

這是用近似計算的方法處理列表曲線、曲面輪廓時產生的誤差。當列表點用方程式逼近后，方程式所表示的形狀與原始輪廓之間有誤差。在大多數情況下，這個誤差難以確定，因為零件輪廓的原始形狀一般并不給出。

2.插補誤差

這是用直線或圓弧，圓弧逼近零件輪廓曲線所產生的誤差（圖1）。逼近曲線與零件輪廓的最大差值稱為插補誤差。減小插補誤差的最簡單方法是密化插補點，但這會增加程序段的數目，增加計算、編程和控制介質的工作量。

3.尺寸圓整誤差

這是在將計算尺寸換算成機床脈沖當量時，由于圓整化所產生的誤差。其值不超過脈沖當量的一半，數控機床能反映的最小位移量是一個脈沖當量，小于一個脈沖當量的數據只能四舍五入，于是就產生了誤差。例如，計算中得兩加圓交點為（8.9274mm，17.8315mm），而脈沖當量為0.001mm，只能采取四舍五入的方法輸入x=8.927mm，y=17.832mm。

如果組成零件輪廓的幾何元素或列表曲線逼近的幾何元素與數控系統的插補功能相同時，就沒有插補誤差，而只是圓整誤差和逼近誤差。在點位數控加工中的程序編制誤差只有圓整誤差。在輪廓加工中一般所說的誤差是指插補誤差。

二、程序編制誤差的分布形式

程序編制誤差在輪廓加工中的分布有三種形式：

（1）誤差分布在零件輪廓外側（圖2a）；

（2）誤差分布在零件輪廓內側（圖2b）；

（3）誤差分布在零件輪廓兩側（圖2c）。

圖中δ1和δ2可以相等，也可以不等。

選擇哪種誤差分布形式，主要根據零件圖的要求。從計算簡單角度來考慮，同時可以采用圖3所示的誤差分布形式。這時，節點全部在零件輪廓上，誤差分布在曲線的凹向。

三、其他誤差和程序編制誤差的控制

1.伺服系統誤差

機床伺服系統可有三種形式：一是開環控制。這類系統沒有位置檢測和反饋裝置，系統對移動部件的實際位移量不進行監測，也不能進行誤差校正。二是半閉環控制。這類系統通過間接檢測絲杠的實際位移，然后反饋到數控裝置中去，并對誤差進行修正。三是閉環控制。這類系統通過直接檢測工作臺的實際位移，然后反饋到數控裝置，并對誤差進行修正，最終實現精確運動和定位。

定位精度：數控機床的定位精度是指所測量的機床運動部件在數控系統控制下運動所能達到的位置精度，它與機床的幾何精度共同對機床切削精度產生重要的影響，尤其對孔隙加工中的孔距誤差具有決定性的影響。

2.機床的原始制造誤差

由組成機床各部件工作表面的幾何形狀、表面質量、相互間的位置誤差所引起的機床運動誤差，是機床幾何誤差產生的主要原因。

3.熱變形誤差

由于機床的內部熱源和環境熱擾動導致機床的結構熱變形而產生的誤差。

4.切削負荷造成工藝系統變形所導致的誤差

包括機床、刀具、工件和夾具變形所導致的誤差。它造成加工零件的形狀畸變，尤其當加工薄壁工件或使用細長刀具時，這一誤差更為嚴重。

5.機床的振動誤差

數控機床由于工藝的柔性和工序的多變，其運行狀態有更大的可能性落入不穩定區域，從而激起強烈的顫振。導致加工工件的表面質量惡化和幾何形狀誤差。

6.檢測系統的測試誤差

包括以下幾個方面：（1）由于測量傳感器的制造誤差及其在機床上的安裝誤差引起的測量傳感器反饋系統本身的誤差；（2）由于機床零件和機構誤差以及在使用中的變形導致測量傳感器出現的誤差。

7.外界干擾誤差

外界環境和運行工況的變化所引起的隨機誤差。

數控加工中伺服系統的誤差、定位誤差是機床的大部分。這兩類的誤差可以根據加工零件精度，盡量選擇全閉環的伺服控制系統和定位精度較高的數控機床。

對于零件圖給出的公差中，只有一小部分可以分配給程序編制過程。一般允許的程序編制誤差常取零件公差的0.1～0.2倍。如果程序編制誤差過小，就會增加插補段（程序段）的數目。因此，選擇合適的程序編制誤差是程序編制過程中的一個重要問題。

（作者單位 河南省許昌市高級技工學校）