數控車床加工精度的影響因素分析及對策

丁美玲

（杭州汽車高級技工學校，浙江 杭州310011）

0 引言

作為一種先進的加工設備，數控車床在機械制造中已經得到了非常廣泛的應用，創造了巨大的經濟效益與社會效益。在數控車床生產加工中，車床自身的加工精度對于工件產品的品質有著直觀且重要的影響。一般來說，數控車床的加工精度主要由車的精度、編程精度、伺服精度以及插補精度決定，同時還受材料、制造、安裝、檢測、控制、環境等諸多因素影響。可以說，在數控車床的加工過程中，每一個因素都可能成為影響車床最終加工精度的主要原因，如果不進行綜合分析與控制，任何一項誤差源都可能影響到零件的加工精度，影響生產的效率和質量。

1 數控車床的工作原理

數控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，配備有多工位刀塔或者動力刀塔，具有廣泛的加工工藝性能，可以加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧以及各種螺紋、槽、蝸桿等復雜工件，同時具有直線插補、圓弧插補等各種補償功能，推動了復雜零件的批量化生產，為加工制造企業帶來了良好的經濟效益。其基本結構如圖1所示。

圖1 數控車床基本結構

數控車床是集成了現代化制造技術、計算機技術等各種高新技術的，具有高自動化和高效率的現代化機械設備，其基本組成部分包括動力源、電子控制單元以及傳感器。數控車床的基本工作原理如圖2所示。

圖2 數控車床的基本工作原理

與普通車床相比，數控車床不需要操作人員不斷改變工具和機件之間的運動軌道，也不需要使用刀具對零件進行反復加工。數控機床在工作時，主要是按照相應的順序對待加工工件進行處理，結合參數和數控要求的數控語言，對加工程序進行編制，之后輸入CNC（Computerized Numerical Control，計算機數字化控制）裝置中，對加工程序進行進一步的處理和完善，之后向系統發出命令，由系統驅動車床部件推動刀具運動，從而實現對于零件的加工。

2 數控車床的組成和特點

2.1 組成

從細節方面分析，數控車床的組成主要包括以下幾個部分：

（1）主機：主機是數控車床的主體，包括床身、主軸、立柱、進給機構等機械部件，同時也是用于完成各種切削加工的機械部件。

（2）數控裝置：數控裝置是數控車床的靈魂與核心，包括硬件設備（印刷電路板、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，主要用于對數字化的零件加工程序進行輸入和存儲，同時也可以對數據進行處理和變化，實現各種控制功能。

（3）驅動裝置：驅動裝置是數控車床執行機構的驅動部件，包含主軸驅動單元、主軸電機、進給單元、進給電機等，可以在數控裝置的控制下，利用電氣或電液伺服系統，實現主軸驅動和進給驅動。同時，將幾個進給聯動，則可以實現對工件的定位以及對各種直線、平面曲線、空間曲線等的加工。

（4）輔助裝置：輔助裝置指數控機床運行中一些必要的配套設施，是保證數控機床穩定正常運行的基礎，其功能包括冷卻、排屑、潤滑、照明等，包含液壓裝置、排屑裝置、數控轉臺以及監測裝置等。

2.2 特點

與普通車床相比，數控車床具有以下幾個特點：

（1）加工精度高，加工質量穩定；

（2）通過多坐標聯動，可以實現對復雜工件的加工；

（3）如果需要加工不同的零件，只需對數控程序和相應參數進行適當調整即可，可有效節約生產的準備時間；

（4）生產效率高，可以達到普通車床的3～5倍；

（5）自動化程度高，可以有效減輕工作人員的勞動強度；

（6）精密性高，對于操作人員和維修人員的素質要求較高。

3 數控車床加工精度的影響因素

數控車床的加工精度主要是由數控系統的控制精度以及車床的機械精度共同組成的，而它們都會直接影響數控車床的加工精度。

結合相關經驗，對數控車床加工精度的影響因素進行分析，主要包括以下幾點：

（1）車床的熱變形引發的誤差；

（2）車床自身的幾何誤差；

（3）刀具磨損產生的誤差；

（4）車刀幾何參數導致的誤差；

（5）伺服進給系統誤差。

對于現代數控車床而言，一般情況下，對于工件位置的控制，主要是通過伺服電機對滾珠絲杠的驅動實現的，如果滾珠絲杠出現傳動誤差，就可能影響車床的加工精度，這也是造成數控車床定位精度誤差的重要因素之一。

從目前我國數控車床的研究和應用情況來看，數控車床的數控進程在大部分情況下都是采用半閉環控制和伺服進給控制，實現對加工過程的控制。當數控車床處于工作狀態時，伺服電機中的絲杠反方向運動，會使得空隙出現空運轉，導致軸承與軸承座之間的空隙出現反向間隙誤差。這種誤差的存在再加上外力的作用，數控機床的傳動和運動部件會出現相應的彈性變形，產生的誤差是正向運轉誤差與反向間隙之和，部件自身在運轉過程中的不均勻受力會導致彈性間隙出現變化，從而影響數控裝置的精度。半閉環控制系統的工作原理如圖3所示。

圖3 半閉環控制系統工作原理

在零件的加工過程中，主要是利用數控車床的車刀，按照相應的參數和標準，在數控設備的控制下，對零件表面進行加工和處理，以達到預期的加工效果。在實際應用中，數控車床的車刀存在著主偏角和刀尖圓弧半徑，因此在對圓柱類工件進行加工時，會導致其軸線尺寸出現一定的變化，而且這個變化量與刀尖圓弧半徑的大小成正比例關系，如果刀尖圓弧半徑增大，則軸向尺寸的變化量也會隨之增大。同時，軸線尺寸的變化與車床刀的主偏角成反比例關系，會隨著車床刀主偏角的增大而減小。針對這種現象，在結合工件的特點對數控車床的加工和控制程序進行編制的過程中，必須充分考慮軸向尺寸的變化規律，對軸向位移的長度進行合理設置。因此在數控車床加工中，車刀的刀尖圓弧半徑、主偏角、車刀刀尖距與零件中心高的偏差等各項參數，都可能會對加工零件的精度以及零件表面的粗糙度造成相應的影響，而且還可能導致車刀使用壽命的減短，需要引起操作人員和管理人員的重視。

結合國內外的相關研究成果進行分析，在數控車床加工精度的影響因素中，不同的因素所產生的影響程度存在著一定的差別，具體如表1所示。

從表中可以看出，數控車床的加工精度受機床、刀具、夾具、工藝技術、加工環境等各種因素的影響。在正常加工條件下，數控車床自身的精度是影響被加工工件精度的最為重要的因素。同時，數控車床的幾何誤差在一般情況下會占據車床加工總誤差的20%～30%，對于精密和超精密數控車床而言，這個比例只會更高。

表1 數控車床加工精度影響因素的影響程度

4 提升數控車床加工精度的有效措施

4.1 做好數控車床的總體設計

在不斷發展的過程中，我國在數控車床的研究和制造方面取得了顯著的成效，目前大部分機床制造企業采取的生產策略，都是對主機結構進行自行設計，對于一些重要的功能部件則采用外購的方法，這樣可以在保證車床整體質量的前提下，有效降低車床的制造成本。在對數控車床進行整體設計時，需要遵循等剛度的原則，將機床的變形均勻分配到應力傳遞的每一個部件上，避免因剛度不均導致車床局部結構變形過大，出現剛度薄弱的部件。

同時，需要注意的是，數控車床的結構重心會對其自身的動態特性產生很大的影響，通過對其重心高度的降低，可以提高擺動的模態頻率。因此，在確保結構可以滿足靜剛度的條件下，可以通過減少上部結構材料使用量的方式，盡可能降低車床的整體重心。

對主軸系統的熱態特性進行優化設計，也是提高數控車床加工精度的有效措施。如果車床在批量生產后發現存在熱誤差的缺陷，則很難對其進行改進，因此需要在設計階段充分重視。通常情況下，主軸系統的設計需要結合相應的“熱對稱面”理論，將最容易影響加工精度的零件放置在熱對稱面上。換言之，就是把通過數控車床主軸中心同時垂直于床身底座的主軸箱安裝面當做熱對稱面，主軸箱體兩側結構實現對稱設計。通過這樣的方式，可以有效消除主軸中心存在的因箱體發熱所產生的零點漂移現象，改善熱變形所引發的加工精度誤差狀況。

4.2 提高床身導軌的幾何精度

從目前來看，數控車床一直都在向著高速度、高負荷、高精度的方向發展，因此對于車床的床身底座、導軌結構的設計以及其抗振性、剛度等提出了更高的要求，需要引起相關設計人員的重視。

對于全功能數控車床而言，通常都會采用斜床身的形式，床身一般呈封閉式筒形結構，這樣可以簡化鑄造工藝，同時也可以減輕鑄件自身的重量。從力學角度分析，筒形結構可以提高斜床身的抗扭和抗彎剛度，確保數控車床可以在復雜的切削負荷條件下，保持良好的精度。一般來說，從移動速度方面進行考慮，車床導軌應該首選負載能力相對較大的圓柱滾子直線導軌。另外，為了保證數控車床在高負荷切削的條件下擁有良好的精度保持性和較高的剛性，可以采用鑲鋼滑動導軌副結構。

利用經過磨削和淬硬處理后的鋼制滑動導軌，可以用螺釘安裝在經過導軌磨床磨削的安裝面上，采用注塑材料對鋼導軌與底座導軌之間的間隙進行消除，然后在導軌磨床上進行整體磨削，以確保導軌獲得最佳的幾何精度。

4.3 誤差補償法

誤差補償法是利用數控系統自身的補償功能，對車床坐標軸上存在的誤差進行補償，從而提高車床加工精度的一種有效的方法和手段。通過誤差補償的方式，可以在精度較低的數控車床中加工出高精度的零件。這種方法在實施過程中，既可以由硬件來完成，也可以由軟件來實現。

首先，對于采用半閉環伺服系統的數控車床，車床在定位和重復定位方面的精度誤差主要受反向偏差的影響，進而影響被加工件的加工精度。對于這種情況，可以采用誤差補償法，對反向偏差進行補償，減少加工零件的精度誤差。從目前的發展情況看，我國多數數控車床的定位誤差在0.02 mm以上，這類數控車床自身一般并不具備誤差補償功能，因此可以通過編程的方法，利用相應的軟件，實現對工件和刀具的定位，對反向間隙進行清除。

然后，編程法可以在不改變數控車床機械部分和低速單向定位到達插補起始點的情況下，實現數控車床的插補加工。在插補加工的過程中，如果插補進給遇到反向情況，在給出反向間隙值后再進行插補，就可以滿足零件的公差要求。而其他類型的數控車床，可以在數控裝置內預先存儲多個不同的地址作為專用儲存單元，對各軸的反向間隙值進行存儲。如果車床中的某個軸需要改變運動方向，可以直接讀取相應的反向間隙值，對坐標位移進行補償和修正，同時結合實際需求，實現車床的準確定位，消除或減小反向偏差對于工件加工精度的影響。

4.4 誤差防止法

誤差防止法并不是對誤差的治理，而是事先預防，主要是通過對機床的合理設計和制造，提前對可能存在的誤差源進行消除，避免誤差的發生。例如，可以通過提升車床零部件的加工和裝配精度，改善車床的結構，提升整體剛度；也可以對機械加工的環境進行合理控制，這些都可以提高機械加工的精度。但是，誤差防止法同樣存在一定的不足，如果一味提高車床的性能和精度，很可能導致車床制造成本的不斷增加，影響企業的經濟效益。同時，如果單純采用誤差防止法提升數控車床的加工精度，當精度達到一定要求后，再想提升就會變得極為困難。

5 結語

總之，隨著當前加工制造行業的不斷發展，數控車床作為一種高精度、高效率的自動化機床，得到了廣泛的應用，其加工精度直接影響著產品的質量，與被加工零件的尺寸、形狀、相對位置等密切相關，需要引起數控車床制造者和使用者的重視。本文結合數控車床的工作原理，對其加工精度的影響因素進行了簡單分析，并提出了提高數控車床加工精度的有效措施，對提高數控車床的加工精度，從整體上改善數控車床的現有水平，具有一定的參考價值，希望可以推動數控車床的不斷發展和進步，為我國的機械加工工業作出相應的貢獻。

［1］Leonard Mircea.Methods of Evaluation of the Mechanical Characteristics Influences on the Ballscrew Drivers Dynamic Behaviour［J］.Journal of Mechanical Design，2005（12）：336～345

［2］Kripa K.Varanasi，Samir A.Nayfeh.The Dynamics of Lead－Screw Drives：Low－Order Modeling and Experiments［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2004（126）：388～396

［3］Ulrich D，Smallwood N.Capitalizing on Capabilities［J］.Harvard Busin ess Review，2004（6）：119～127

［4］鄭燁.基于加工精度的數控設備質量與成本調控研究［D］.沈陽工業大學，2013

［5］李華龍.數控車床研制及其進給剛度誤差源的一種加工補償技術［D］.哈爾濱工業大學，2012

［6］滕章斌.車床加工精度控制的創新方法探討［J］.黑龍江科技信息，2013（18）：77

［7］周永良.數控車床精度分析及提高精度保持性措施［J］.中國制造業信息化，2010（9）：78～80，84

［8］張衛東.數控車床加工精度的工藝處理及優化［J］.長春大學學報，2011（12）：9～12

［9］劉春利，趙紅梅.提高數控車床螺紋加工精度的研究［J］.現代機械，2009（6）：3～5

［10］夏瑩.數控車床加工精度影響因素分析及對策研究［J］.科技傳播，2013（12）：98～99

［11］張紹勇.淺析數控車床加工薄壁零件精度的影響因素［J］.黑龍江科技信息，2013（28）：26

［12］林志沖.數控車床加工精度的影響因素及提高方法分析［J］.裝備制造技術，2012（10）：107～109