數控機床加工精度技術提升探究

趙慶

[摘 ? ?要 ]現階段，隨著世界科技水平的不斷提升，數控機床的自動化程度也隨之增高，并且加工制造的數控產品及質量可靠性程度也相對較高，在產品的柔韌性方面也表現的較為突出，因此在實際生產制造過程中被很多制造企業所青睞。隨著人們對制作企業產品質量要求的提高，企業對數控機床加工精度技術的要求也隨之提高。本文以此為出發點，對數控機床加工精度提高技術做出詳細研究。

[關鍵詞]數控機床;加工精度;提高措施

[中圖分類號]TG659 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]At this stage， with the continuous improvement of the world's scientific and technological level， the degree of automation of CNC machine tools is also increased， and the CNC products and quality reliability of processing and manufacturing are relatively high， and the flexibility of products is also more prominent， so it is favored by many manufacturing enterprises in the actual production and manufacturing process. With the improvement of product quality requirements of manufacturing enterprises， the requirements of CNC machining accuracy technology are also improved. This paper takes this as the starting point， makes a detailed study on the technology of improving the machining accuracy of CNC machine tools.

[Keywords]CNC machine tools; machining accuracy; improvement measures

隨著我國科技水平的不斷進步和發展，我國的現代化加工技術水平也有了較為顯著的提高。現階段，數控機床所涉及到的行業越來越多，運用的范圍也變得越來越廣闊。數控機床加工精度的提高可以進一步提升其產品質量。如果數控機床具備較高的自動化水平和加工精度，那么在制造結構復雜的機械零部件時會更加方便快捷。在開展數控機床加工工作時，數控機床的加工精度將會直接影響產品的加工質量，影響數控機床加工精度提高技術的因素也是多種多樣的。本文詳細探究了提高數控機床加工精度的技術要點。

1 誤差測量與分析

加快推進高檔數控機床研究與發展對于提高國家制造業水平，提升綜合國力具有重要意義。自20世紀90年代后，我國汽車制造、微電子、國防、航天航空以及通訊等各產業的技術迅猛發展，對高精密復雜結構零件、零件表面的完整性、零件的制造精度等也提出了更高要求。在此背景下，傳統的數控機床已經無法滿足當下工作需求，必須要采取有效手段進一步提高數控機床加工精度，從而提升產品精度，為國防、航天等各領域的發展提供有力保障。研究發現，導致數控機床加工精度較低的原因比較復雜，環境、工藝、材料等有可能導致誤差產生，從而影響到產品的質量。下面結合實際，首先就數控機床的幾種常見誤差類型做簡要分析。

1.1 線性位移誤差

在數控機床加工過程中，目標位移與實際位移之間存在偏差，這一偏差也被稱為線性位移誤差，線性位移誤差是影響機床精度與產品質量的重要因素。在對數控機床的線性位移誤差進行測量與分析后發現，當數控機床處于加工運行狀態時，機床在去程內的誤差值是沿著正方向逐漸減小，但在回程，誤差值逐漸增大。

1.2 水平直線度誤差

數控機床的水平直線度誤差屬于幾何誤差的范疇，這一誤差也會給數控機床精度、產品質量造成很大影響，容易導致加工產品的精度達不到標準要求。經過測量與分析后發現，數控機床的水平直線度誤差有以下表現以及變化規律：當數控機床在運行過程中時，X軸的水平直線度誤差波動相較于Y軸與Z軸要較小一些，它的波動范圍一般為1.14～1.84 μm，變化趨勢并不是十分明顯。但Y軸與Z軸的變化趨勢就相對明顯一些，數值變化范圍較大。其中Y軸的誤差變化范圍為1.75～1.9 μm、Z軸的誤差變化范圍為-2.57～2.85 μm。

1.3 豎直直線度誤差

豎直直線度誤差在數控機床加工過程中也比較常見，該類誤差的變化趨勢相對明顯，且經研究發現，數控機床豎直直線度誤差的產生多與環境有關，當環境猛然發生變化時，誤差就更容易出現，或者在誤差已經存在的情況下，若環境驟然變化，那么誤差也會出現明顯波動。因此要想減小或消除豎直直線度誤差，就需要對數控機床的運行環境做嚴加管控。

1.4 仰俯角誤差

仰俯角誤差的產生也與環境變化有關，因此控制以及優化環境便是控制仰俯角誤差的有效方式。

1.5 偏擺角誤差

偏擺角誤差屬于一種三項角度誤差，該類誤差也會對數控機床的精度以及產品加工質量產生很大影響。在當前階段要盡快研究出有效的誤差控制與消除方式來減小誤差影響，讓數控機床精度得到提升。

2 數控機床加工精度提高技術

2.1 防止幾何誤差技術

機床幾何誤差是數控機床開展加工生產活動過程中不可避免的一項內容。幾何誤差的出現主要是源于數控機床自身的原因，在制造加工過程中數控機床的各個零部件會出現配合失誤和結構部件微變形等情況，這也是引起數控機床幾何誤差的重要原因，為了能夠有效避免或減少數控機床加工制作過程中減少幾何誤差的出現，因此可以加大研究力度研發精度較高的數控機床軸承，同時增加數控機床導軌的力度，對當前數控機床的應用技術進行不斷改進，使用一些性能可靠的新型制造材料實施數控機床設計制造活動。當前在我國被使用次數最多的減少數控機床幾何誤差的方法為：對數控機床床身、滑枕以及立柱等重要結構部件進行調整，讓這些重要的動靜結構部件剛性都能得到很好的提高，以這樣的方式可以有效提高數控機床的加工精度，再加工制造產品的過程中，盡可能的減少或避免幾何誤差情況的出現。與此同時，將數控機床加工部件處于動靜工作狀態下的結構部件的高度和工作溫度控制在適宜的范圍內，以這樣的方式可以極大程度的提升數控機床自身的加工精度。研究發現，定位誤差是機床幾何綜合誤差的決定性影響因素，因此在具體的加工作業中需對這一因素加以控制與處理。

2.2 防止熱變形誤差技術

隨著科技的不斷發展和快速進步，機械制造加工企業對數控機床加工精度的要求也隨之提高，熱誤差對數控機床加工精度的影響也隨著時間的推移逐漸增大。尤其是部分機械部件產品對加工精度具有較高的要求時，熱變形產生的誤差會對產品的加工精度造成很大影響，而對產品的整體質量產生很大影響，這嚴重阻礙了數控機床加工精度的進一步提高。因熱變形導致機床加工產生誤差的原因主要為：機床自身的馬達、軸承等重要結構部件應受到熱力因素而產生變形。熱變形產生的具體過程為：當溫度升高的結構部件與數控機床的其他部件相互接觸或彼此靠近時，自身的熱量向所接觸的部件或周圍傳遞，因此所傳遞的溫度致使受溫度影響的零部件出現一定程度的形變。導致數控機床熱誤差出現的原因也是多種多樣的，并且只是這種結果產生的原因也呈現出非線性特點。我國數控機床事業起步相對較晚，對數控機床加工制造過程中熱誤差的認知也相對要晚一些，因此更加高效的解決措施的運用也會稍微小于減少幾何誤差的措施。制造加工企業想要在工作過程中盡可能減少熱誤差的出現，大多數情況下是利用減少數控機床工作熱原的產生并采取措施控制熱量的傳遞，或者使用抗熱能效果更為良好的數控機床結構部件開展機床加工工作。而在大部分制造加工企業中運用措施多數為：減少數控機床工作中結構部件發熱、在數控機床中建造相應的冷卻回路、對數控機床的加工制造格局進行修改和整體控制數控機床的加工制作溫度等多種方法。

2.3 誤差補償法

誤差補償法具體是指工作人員在開展數控機床加工工作過程中創作出一個與之不同的誤差，來沖抵或減小原問題中所產生的誤差。工作人員在工作過程中經過綜合分析和全面的總結之后，基本上能夠掌握原問題中所產生的誤差和數據特點，并根據原問題中所產生的誤差構建與之相對應的建模，然后在此基礎上人為創造一個能夠與之相沖抵的誤差，人為因素所創造出的誤差數值要和原問題中所產生的誤差數值相同，但是這兩項誤差的方向卻是相反的，這樣最終才能實現這兩項誤差相互補償的最終目的，從而進一步提升數控機床在實際工作中的加工精度。誤差補償法在數控機床加工使用過程中包含多項關鍵步驟，而這些關鍵步驟的實施對數控機床工作中的誤差補償法具有非常大的積極作用，其中最為關鍵的便是誤差建模和誤差準確檢測的實施，這對誤差補償法的效果具有決定性作用。下面就幾項主要的誤差補償控制方式進行分析。

（1）開環前饋補償控制。在對數控機床實施開環前饋補償控制時，要先構建起加工誤差數學模型，根據工程實際需求構建模型，使模型有較高的精確度，并且能實現對外界影響因素的有效抵制，從而保證各項工作的科學性、有效性。

（2）閉環反饋補償控制。閉環反饋補償控制也是當前常見的一種數控機床精度提高方式，該種方式的原理是測算出測量值與實際值之間的誤差，然后在加工的過程中進行補償，以此提高數控機床加工精度，提高產品質量。一般情況下，若對數控機床應用閉環反饋控制補償技術，就需先利用相應高精度尺寸檢測裝置，如激光干涉儀等對工件的尺寸做精準檢測，從而保證最終的補償效果。

（3）半閉環前饋補償控制。半閉環前饋補償控制方式在目前也比較常用，在應用這一技術方法時，重點要做好誤差模型參數的選取工作，這樣才能確保后續補償措施的科學性與有效性。一般來說，所選擇的參數要能實現對環境條件的準確反映，能真實反映出系統狀態等。

2.4 誤差建模的構建

數控機床中誤差建模的構件是由誤差運動學建模和誤差辨識建模共同構建而成，在構建數控機床精度建模過程中所運用的是誤差運動學建模。因為最初實施誤差補償時并不包含多項誤差的補償內容，所以在其實施過程中并不需要運用到精度相對較高的建模，但是隨著科技水平的不斷進步，數控機床的結構也在不斷的發生變化，數控機床的加工精度和結構的復雜性也隨之提升，因此實施誤差建模是提高數控機床加工精度不可缺少的一個步驟。隨著我國科技實力的不斷進步和科學技術的快速發展，神經網絡技術已經開始逐步被應用到數控機床建模的構建，這也顯著提升了數控機床誤差建模效果。在最初的幾年時間內，鋅產生了一種將鋼鐵運動學和小角度假設為基礎構建的誤差模型，同樣這也得到了很多以機械生產制造業為主企業的青睞。隨著技術的不斷進步，時至今日，涌現出許多能夠實施誤差補償的模型，這些模型的運用能夠精確分析數控機床的加工精度，同時對存在的誤差作出有效分析和檢測，以此有效提升了數控機床加工精度，但是這些建模能夠真正使用到數控機床誤差建模范圍中的數量卻并不多，并且在實際運用中，很容易在誤差建模構建的過程中出現部分新的數據誤差。所以并不能從本質上很好的解決數控機床加工過程中所存在的誤差。因此在構建數控機床誤差建模時需要充分考慮多方面的因素，并且在加工制造機械部件的過程中運用的機床不同需要所采取的建模方式也是不一樣的，如果以這樣的方式構建誤差建模只會增加誤差建模的構建成本，將數控機床中精度建模的理論應用到實際生產中，仍然存在一定因素的限制，所以這就需要根據數控機床生產加工的實際情況為其構建誤差建模。

3 結語

綜上所述，為了能夠采取有效措施進一步提高數控機床在生產過程中的加工精度，因此采取合理措施有效避免機床加工制造過程中各種誤差的產生是非常必要的。基于此，數控機床加工精度提高技術，可以從防止幾何誤差技術、防止熱變形誤差技術、誤差補償法、誤差建模的構建等多個方面入手，實現數控機床加工精度的有效提高。

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