數控機床加工操作中的誤差研究

王冠君

（常州科技經貿技工學校，江蘇 常州213000）

在機械制造技術更新換代之下，數控機床在加工領域得到普遍應用，在精度與加工速度等方面具有明顯優勢，適用于批量加工生產。但是，受機床自身因素影響，在制造與裝配環節中存在誤差，并且在位置控制、測量、刀具選擇等方面還會產生非機械性誤差。對此，應采取多樣化措施進行控制和消除，使機床加工精度得到顯著提升。

1 數控機床操作誤差的成因

要想對誤差進行有效控制，首先要明確機床加工中誤差的產生原因。從整體來看，機床操作誤差主要包括以下內容。

1.1 編程因素。在數控編程方面，在生產過程中軟件技術作為最關鍵內容，很容易導致誤差產生。例如，在直線零件輪廓生產中很容易產生誤差，對零件加工精度產生極大影響，難以滿足當前機床加工相關標準，進而影響后續生產效果。在機床系統運行中還可能出現公差問題，在驅動裝置與伺服系統運行時可能會重復性定位，加上脈沖的作用，使傳動線路運行效果受到影響。

1.2 測量誤差。在機床運行中出現的誤差很容易對測量精度產生不良影響，無法采用常規操作方式開展管理工作。在實際工作中，由于受到熱誤差、切削力誤差等因素影響，還可能導致實際測量尺寸不夠精準，難以構建合理的測量體系，對切割精度、切割位置的確定產生阻礙，進而影響整體測量效果。

1.3 刀具因素。該項因素包括刀具磨損、刀尖圓弧等方面。在刀具磨損方面，機床長期工作中可能受零件材料因素影響，導致加工誤差產生。在高溫或高剪切作用下，刀尖位置很容易出現磨損情況，進而導致誤差值增加。在刀尖磨損中呈現出快- 慢- 快的磨損趨勢，應采取科學方式進行處理；在刀尖圓弧方面，切削內孔與斷面加工屬于機床加工的重要環節，刀尖圓弧雖然未能對具體尺寸與性狀產生影響，但在加工中錐面會因此受影響，進而無法滿足精度要求，甚至出現切削過多或過少情況，對后續工作的順利開展產生不良影響[1]。

2 數控機床關鍵部件的綜合誤差分析

機床加工可以看成是一個傳動鏈，將加工工件和機床刀具相連接。在機床運動過程中，工件與刀刃之間的相對位置精度與加工精度具有緊密聯系。在切削過程中，應注重機床關鍵部件的綜合誤差分析，主要包括以下幾個方面。

2.1 支撐件誤差。在整個機床系統中，支撐件屬于基礎部件之一，主要包括支架、床身、橫梁與立柱等內容。通常情況下，主軸箱等關鍵部件的導軌安裝在支撐件上，上述部件順著床身、立柱等部件的導軌運動，導軌相對位置精度具有嚴格要求，以此確保加工精度符合標準。但是，在機床加工過程中，切削力產生的靜/動載荷最終都將作用到支撐件上，使支撐件受力變形，導軌的相對位置精度難以達到要求，最終對加工精度產生不良影響。機床中的支撐件受力變形后，坐標系的齊次變換矩陣為：

支撐件上坐標O2 相對于坐標O1 的變形趨勢如圖1 所示。

圖1 支撐件變形示意圖

2.2 移動副誤差。在機床運行中，滾動直線導軌副由諸多部件構成，包括導軌、滑塊以及二者之間的滾動體等。在設計過程中，只允許固定方向開展直線運動。例如，X為進給方向，溜板只可順著X方向運動，且剩余五個方向的自由度均受到限制。但在實際應用中，在非進給方向仍然存在一定的旋轉或者偏移，由此產生其他方向的誤差。機床加工中心溜板與導軌均可通過移動副表示出來，如圖2 所示。例如，在運行中X方向溜板進給x時，齊次變換矩陣如下：

圖2 移動副誤差示意圖

在機床運行過程中，受多種因素影響產生誤差，主要與以下因素有關。一是幾何因素，體現在導軌與滑塊之間的制造誤差。在制造直線導軌副時，難免會在形狀與尺寸方面偏離理想值。例如，導向面加工時出現直線誤差等等，進而產生運動誤差；二是外力因素。機床在運行時需要承擔部件自身的重量，在加工切削時也會不斷的加載在各個部件上，尤其是直線導軌副，受外力作用影響，滾動元件與導軌之間的接觸面會變形，進而對導向精度產生不良影響[2]。

2.3 轉動副誤差。在加工中心最為關鍵的轉動副便是主軸，在實際加工中，主軸組件受多種因素影響產生誤差，在旋轉過程中回轉中心線的空間位置發生動態變化。預計中心線位置與瞬間位置在機床空間中產生誤差，即回轉誤差，涉及到軸向、角度等多方面，導致主軸端面發生跳動。當徑向與角度誤差同時產生時，主軸便會產生徑向跳動，對最終加工精度產生極大影響。在理想情況下，主軸繞著理想軸旋轉時，齊次變換矩陣為：

在轉動過程中，很容易受到振動因素影響產生誤差。對于任何直線導軌來說，在進給運動方向的剛度要遠遠低于非運動方向的數值。在機床加工時存在多個振動源，在振動時很容易產生慣性力，如若在進給的方向產生慣性力，則部件很容易在此方向出現非正常位移。

3 數控機床加工誤差的控制措施

在機床加工中，應明確操作誤差的形成原因，并采取相應的解決措施，通過優化程序、控制刀尖、修正磨損等方式，使機床加工質量和效率得到全面提升，將誤差控制在合理范圍內，為生產加工管理提供更多便利。

3.1 優化程序，構建控制模型。在數控加工方面，應根據程序進行合理分析，選取最佳工作方式。首先，可采用“人工+計算機”的綜合管理模式，對零件管理措施進行優化，促進程序控制效果提升。在此基礎上，可對加工誤差進行預防，創建更加科學可行的發展體系；其次，在程序管理中采取合理加工方式開展相應工作，對工作內容和原因深入分析，確定零件曲面特點和內容，對軟件節點進行科學設置，并對刀具進行有效管理。在實際工作中，根據當前加工特點與實際需求，創建多元加工管理體系，促進程序優化效果提升。在此過程中，應及時發掘程序中的缺陷和不足，采取合適的防誤差措施，在確定加工技術的基礎上構建程序控制模式，為后續加工生產打下堅實基礎[3]。

3.2 控制刀尖，提高測量精度。3.2.1 對刀管理。在加工工作中，對刀管理十分關鍵，應確定對刀工作要求，采用合適的對刀儀與ATC 方式進行處理，形成自動對刀管理。在此過程中，應通過試切的方式，利用誤差管理方式，明確是否存在測量誤差，如若存在則要判斷誤差是否處于允許范圍，如若超過設定范圍，則應開展相應的削減工作。在測量過程中，還要判斷工具與卡尺方式是否正確，以此提高測量準確性；然后，利用螺紋卡尺進行測量，提高測量精準度。在實際工作中，還可采用靜態測量與動態管理相結合的方式，使刀具得到有效處理。與測量加工規定相結合，采用震動外力加工模式，確定刀具的實際特點，實施工件與刀架之間的夾緊處理，促進機床加工水平提升。3.2.2 刀尖管理。在程序優化完畢后，應對機床的具體加工指令進行掌握，強化刀尖的控制與管理，將正確的參數輸入其中，并對頁面合理控制，使程序指令的作用和功能得以充分發揮，有效預防加工誤差產生。3.2.3 反向失動量管理。在機床實際加工中，應判斷是否存在反向失動量，并對具體內容與特點進行確定，以此提高管控效率。在此過程中，還應判斷是否存在間隙，如若存在則應及時有效的整改，減少機床工作中抗力的產生。在誤差管理方面，應結合傳動零件的聯接情況進行檢查，尤其是反向失動量，根據實際加工精度要求，構建科學的管理體系。在加工操作中，還應制定故障整改制度，最大限度的減少磨損問題產生。在測量期間，明確機床系統是否存在間隙，并放緩刀具速度，達到最佳整改效果。

3.3 修正磨損，消除間隙誤差。在數控加工生產中，加工技術精度控制與生產質量息息相關，可實現智能化、網絡化的有機結合。在實際生產中，應對各項誤差形成因素嚴格把控，促進機床制造技術精度的大幅提升，以此推動制造業的穩健長久發展。對此，可采取以下措施修正磨損，使間隙誤差得到有效消除。一是批量生產誤差控制。在機床批量加工中，經常采用高溫高剪切的方式使刀具持續運行。為了預防磨損問題產生，了解具體零件尺寸，應合理開展誤差管理。在實際工作中，應將磨耗數值輸入機床系統，掌握工件生產相關內容。對于機床來說內部存在許多間隙，在加工時應結合實際情況創建X 軸系統，采用磨耗管理的方式對誤差進行分析，計算公式為理論數據與實際數據的差值。例如，在機床加工中，如若理論數據為20mm，實際數據為20.1mm，便可說明誤差為0.1mm，將該數值輸入機械中進行誤差消除，便可提高整體設備的管理效率，與當前機床加工要求相符。二是誤差補償技術應用。在機床誤差維護方面，補償技術的應用較為常見，通過加強對誤差數據的測量與分析，可對誤差的形成因素進行研究，由此構建補償數學模型，以人工方式抵消誤差。通過對數控機床精度的控制，促進工作精度優化升級。只有強化機床在空載運行時的數據精度，并通過多次測試，才可使整個機床的工作質量得到切實保障。三是及時維修。機床設備長期處于運行狀態，內部各部件老化加速，需要及時檢修和維護，以免對制造精度產生不良影響。在檢修過程中，應注意機床調試與管理，確保精度無誤的情況下才可開始運行，并適當增加機床制造成本，促進其精度提升，由此實現高效優質運行[4]。

4 結論

綜上所述，在機械加工過程中，誤差問題無法徹底避免。但是，可通過創新機床操作手段與技術，優化編程程序、構建控制模型、控制刀尖與道具等方式，針對測量誤差、刀具自身因素與編程因素等得到有效控制，使修正磨損被有效的消除，最大限度的控制誤差產生，使測量精度得到顯著提升，推動現代機械事業的健康可持續發展。