經濟型數控機床加工中誤差來源分析及其對策

田康慶 王永水

摘 要：如何提高經濟型數控機床加工精度是機床數控改造的關鍵問題之一，但在加工過程中，會由于某些原因產生不可接受的誤差，而致使零件報廢。本文將分析誤差產生的原因，根據這些來源情況采取相應措施。

關鍵詞：數控機床加工；誤差；對策

機械加工誤差是指零件加工后的實際幾何參數與理想幾何參數之間偏差的程度。在實際零件加工過程中，由于各種原因，加工出的零件幾何參數與理想零件的幾何參數總有一定的誤差，以至于造成零件不合格甚至產生廢品。為了提高數控機床加工精度，必須對數控加工過程中所產生的誤差進行詳細分析，采取相應措施。

1.程序編制中的誤差

如果把零件最早的輪廓形狀借助列表曲線進行表示，采用近方程式與列表曲線發生逼近時，該方程式表現出的形狀和零件原本形狀之間形成的差值，就是所說的逼近誤差。在使用數控機床來對零件進行加工時，由于數控裝置之間具有互不相同的插補功能，所以與零件輪廓互相逼近的時候，都是選擇直線的方式進行，有的時候則是用圓弧。直線或圓弧在馬上臨近零件輪廓曲線的時候，逼近曲線和現實中輪廓原來的曲線之間會產生一個最大差值，這就是通常所說的插補誤差。

2.控制系統誤差

2.1開環控制數控系統

此類數控系統是很特殊的一個種類，系統沒有配備檢測裝置，同時也沒有反饋電路，主要的驅動元件是步進電機。進給系統里面不存在反饋檢測裝置，所以前向通道里面產生的各種誤差沒有辦法以反饋信息呈現出來并加以補償，這樣在一定程度上就出現了輸出位置誤差。開環控制系統中最主要的輸出誤差就是步進電動機產生的誤差。在步進電動機工作運行的過程中，主要會產生以下誤差：第一，動態誤差。在步進電動機正常的單步運行過程中，往往會產生一定的振蕩現象。如果步進電動機在頻率比較低的地方進行工作，還會伴有共振現象產生。第二，啟停誤差。步進電動機無論是啟動開機還是關機停止，都需要一個過渡的過程，在這個過程里，電動機的轉動和控制脈沖相比，前者總是處于滯后的狀態。針對引發以上誤差的原因，可以采取以下措施進行改善：把好元件選擇關口。在條件允許的情況下，選擇步進電動機的時候，盡可能選擇步進角最小的機器。把握好驅動電路環節。針對步進電動機的控制環節，一定選擇最優質的驅動電路來完成此項工作。從控制原理方面入手。針對大型數控機床而言，通常要求具有很高的精度，那么開環系統在這方面就存在很大不足，可以增設類似于直光柵這樣的檢測裝置，可以針對前向通道可能產生的誤差起到監視和補償作用。一旦有傳動誤差產生，反饋電路就會迅速發出一定數量的附加脈沖，這樣一來，步進電動機無論是多走步數還是少走步數都會得到有效的補償。

2.2閉環控制數控系統

由于閉環系統在進行位置檢測的時候，已經將進給傳動鏈所具有的全部誤差包含進去，所以具有相當高的控制精度。但是，位置檢測進行的反饋同時帶有諸多不穩定因素，調試工作進行起來具有很大難度。閉環系統主要的誤差來源主要有：檢測裝置通常具有制造誤差和安裝誤差，這兩種誤差會引起反饋系統產生誤差。機床零件與機構之間經常有誤差產生，因此檢測裝置在檢測的時候同樣會出現誤差，這樣得到的測量值就不再真實可靠。減小上述誤差的主要途徑有：如果條件允許，要盡量使用具有高分辨力的檢測裝置。在進行檢測裝置安裝時，一定要盡量提高安裝精度。

2.3半閉環控制數控系統

這種系統主要存在于伺服電動機之上，兩者之間是同軸安裝的關系，有時也可以把檢測裝置安裝在滾珠絲杠軸端，這樣就可以對角位移進行測量，就可以把移動部件產生直線位移數值間接地計算出來，再向數控系統進行反饋，控制方式和閉環控制系統完全一樣。半閉環系統主要的誤差來源如下：上述提及的閉環系統中產生的誤差。滾珠絲杠帶有的螺母副與導軌副之間產生的誤差。

3.機械部分產生的誤差

任何機床的驅動坐標軸在移動和停止時，都要經歷一個升、降速過程。在高檔數控機床中，由于有液壓驅動和鎖緊系統，其升、降速率可以在很短的時間內完成，而經濟型數控機床由于沒有液壓驅動和鎖緊系統，則升、降速率在一定的時間內才能完成。這種傳動系統的滯后（即慣性）、停頓在加工內槽型面等輪廓中，當零件輪廓有拐角時刀具容易產生超程而導致加工誤差。編程時應在接近拐角前適當降低進給速度，過拐角后再逐漸增速。數控機床傳動副中包含有齒輪、軸、傳動絲杠存在反轉間隙，當工作臺反向運動時，這種間隙會造成電動機空走而工作臺不運動的現象，從而產生誤差；傳動部分的受力變形和熱變形引起的誤差；工作臺導軌誤差。針對以上的幾種誤差原因可以采用以下的方法：對傳動反向間隙，在開環和半閉環系統中可將其間隙值測出，作為參數輸入控制系統，作為反向間隙補償值在反向運動時進行補償；對于由于機械傳動鏈受力變形和熱變形而引起的誤差，可以通過增大傳動鏈的剛性、減小摩擦力等來解決。

4.進給誤差

進給誤差通常產生于數控機床和傳動鏈兩者之間，是二者產生的誤差。進給誤差通常由以下的幾種原因導致：滾珠絲杠日積月累，出現累積的螺距誤差。滾珠絲杠和螺母支架由于長時間處于受力或者受熱的狀態，導致出現變形，直至引發誤差。工作臺出現在導軌方面的誤差。可以采用以下措施，達到有效減小進給誤差的目的：針對開環系統和半閉環系統來說，累計產生的螺距誤差可以借助數控系統進行誤差的修正和補償工作，因此，只要用數控系統對軸運動進行控制，就會將該差值進行自動考慮，并且進行補償處理。針對機械傳動鏈遭受外力影響，導致變形以及受熱變形而產生的誤差，可以采用增大傳動鏈剛性，或者減少摩擦力的方法解決。

5.結語

使用數控機床加工零件時產生的誤差來源十分復雜，除了上述討論的相關加工誤差外，還有很多。只有合理掌握數控機床的原理，強化操作人員的工藝知識，才能很好地解決數控機床的加工誤差問題，提高數控加工精度，從而生產出合格產品。

參考文獻：

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[2]何偉.基于數控機床加工誤差分析的補償研究[J].制造業自動化，2011

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