提高數控機床加工精度的途徑分析

楊春花

（云南機電職業技術學院，云南 昆明 650203）

數控機床是一種高精度、高效率、適應性強的現代化加工設備，在生產中應用日益廣泛，但隨著社會的不斷發展，對數控機床的加工精度也提出了越來越高的要求。數控加工過程中，加工誤差來源于各個方面，而且客觀存在不能避免。因此，研究提高數控機床加工精度的途徑具有很強的實際意義。數控機床加工精度可通過兩種方法來提高，減小誤差根源和誤差補償。單純減小誤差根源或進行誤差補償一般都無法滿足我們的精度要求，都需要兩種方法同時采用。

1 減小誤差根源

總的來說，數控機床加工誤差主要來源于以下幾方面：數控機床結構設計與制造誤差；工藝系統熱變形所產生的誤差；伺服系統產生的跟隨誤差；加工過程中由于剛度不足和振動產生的誤差；數控系統誤差；減小或消除誤差產生的根源是提高數控機床加工精度最直接、最有效的手段。

（1）減小數控機床幾何誤差。組成數控機床各零部件的幾何精度是機床加工精度的基本保證。減小數控機床幾何誤差可從以下4方面進行：①采用高精度的數控機床主軸及主軸支撐；如：滾動軸承、靜壓軸承、動壓軸承、磁浮軸承等。②采用高精度的導軌；數控機床上常用的導軌有貼塑導軌、滾動導軌和靜壓導軌。它們都具有導向精度高的、耐磨性好、剛度高等特點。③采用高精度的傳動機構；滾珠絲桿螺母副是數控機床上最常用傳動裝置，它具有高精度、高效率、高靈敏度等優點。④采用各種措施消除齒輪、滾珠絲桿螺母副等傳動部件的間隙，以提高機床定位精度。

（2）減小熱變形誤差。減小機床熱變形可采取以下3個措施：①減小熱源。采用新型電機、高效率的傳動機構均能起到減小熱源的作用。②合理設計機床結構。不同機床結構抵抗熱變形的能力也不同，合理設計機床結構可有效減小機床熱變形所引起的誤差。③改善散熱和隔熱條件。

（3）減小伺服系統跟隨誤差。伺服系統是數控機床的重要組成部分，其性能在很大程度上決定了數控機床的性能。為減小其跟隨誤差可采取以下措施：①開環控制。在開環伺服系統中盡量采用高精度的機床零部件來提高伺服系統跟隨精度。如：液體靜壓導軌、液體靜壓主軸、高性能電動機、滾珠絲桿等。②閉環控制。采用閉環或半閉環控制系統，通過位置檢測反饋來提高伺服系統的跟隨精度。③自適應控制。采用自適應控制系統可在數控加工過程中根據加工條件的變化，自動改變切削參數，以達到最佳的加工效果。

（4）減小振動和剛度不足引起的誤差。數控機床要在高速和重負載條件下工作，其主要部件均要求有很高的剛度抵抗加工過程的變形，提高加工精度。主要措施有：①主軸采用三支撐結構，選用剛性好的支撐軸承。②合理設計機床床身截面及布置肋板；③對主要傳動部件如：主軸、齒輪等進行動平衡和消除間隙；④采用刮研方法提高機床接觸剛度。

機床的抗振性是抵抗強迫振動和自激振動的能力。高抗振性即在高速重切削條件下沒有振動，從而保證工件的精度和質量。提高機床抗振性的措施主要有：①減少機床的內部振源；②提高機床構件的阻尼；調整機床構件的自振頻率必滿自激振動。

（5）減小數控系統誤差精密加工過程中，插補原理誤差、數控系統中檢測元件的制造誤差、系統響應速度、系統收斂性都會影響數控加工精度。減小數控系統誤差可采取以下措施：①優化數控系統插補原理；②提高系統檢測元件的精度和速度；③提高系統反饋頻率和加快系統收斂。

2 誤差補償

所謂誤差補償技術就是在掌握了誤差根源的特點及規律后，通過分析、統計、建立數學模型，然后在數控系統中輸入一定的補償量，該補償量數值大小與原始誤差相等，方向與原始誤差相反，以最大程度減小抵消原始誤差的一種方法。這種方法效率高，經濟性好，對提高數控機床的加工精度有事半功倍的效果。

目前，經常采用的誤差補償技術有兩大類：硬件補償和軟件補償。

（1）硬件補償。所謂硬件補償就是通過調整或改變數控機床機械零部件的部分尺寸和相互位置以達到減小或抵消誤差的效果。當在加工過程中發現加工誤差產生了變化以后，根據誤差變化量確定相關機械零部件的相關尺寸，并從新制作零部件或調整其相互位置以補償相應誤差。由此可見，硬件補償屬于一種機械式的靜態補償，他的靈活性、經濟型都比較差，特別對于隨機性誤差很難取得理想效果。

（2）軟件補償。軟件補償就是首相在結構上形成閉環或半閉環的伺服控制方式，通過檢測傳感器實時在線檢測加工過程中產生的實際位置，反饋給CNC，CNC將實際位置與理想位置進行比較，計算得到差值，輸出給伺服系統再控制運動部件運動。軟件補償是一種實時的動態補償，而且補償過程是通過計算機控制實現的，無需改變數控機床的機械結構，其特點是柔性高、精度高、經濟型好。與硬件補償相比，軟件補償更有優勢，其補償原理如下：

假設根據加工要求刀具運動軌跡中某點的理想位置為W，由于加工誤差△W的存在，最終刀具的實際位置為W1，他們之間的關系為：

系統需輸入一個補償量-△W，才能控制刀具到達理想位置，而且這個補償過程不是一次就完成，而是在整個加工過程中都在進行的，按照采樣周期，每周期一次。

3 結語

綜上所述，數控機床加工精度受到很多因素的影響，提高的途徑也可以從多方面入手，常用的方法就是消除誤差根源及誤差補償同時采用。盡管如此，數控機床加工誤差也無法完全消除，因此，如何提高數控機床加工精度仍是我們以后進一步深入研究及探索的課題。

[1] 楊仙.數控加工機床[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 周艷紅.數控加工技術[M].北京：國防工業出版社，2002.

[3] 朱少堃.數控機床誤差補償技術及應用[D].湖南：湖南大學，2013.

[4] 沈金華.數控機床誤差補償關鍵技術及其應用[D].上海：上海理工大學，2008.