數(shù)控車床加工精度影響因素及改進(jìn)策略分析

張玉香

（錦州市機(jī)電工程學(xué)校，遼寧 錦州 121007）

0 引言

作為現(xiàn)代化機(jī)械加工設(shè)備之一的數(shù)控車床，可助力各行業(yè)產(chǎn)品精加工的實(shí)現(xiàn)，且能大幅提升加工效率及精準(zhǔn)度，從而提高各行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，現(xiàn)階段市場(chǎng)面向產(chǎn)品提出更高精細(xì)度要求，而數(shù)控車床實(shí)際運(yùn)行中可能面臨伺服系統(tǒng)、數(shù)控軌道等因素影響的緣故，無法保證加工精度，也就難以滿足產(chǎn)品高精度的需求。基于此，設(shè)計(jì)及控制人員在數(shù)控車床設(shè)計(jì)與操作實(shí)踐中有必要對(duì)各類因素予以綜合考慮，以帶動(dòng)數(shù)控車床加工精度的全面提升。

1 數(shù)控車床概述

1.1 工作原理

數(shù)控車床實(shí)質(zhì)上便是在普通車床中引入計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)），涉及了多項(xiàng)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，在機(jī)械加工行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。從工作原理來看，數(shù)控車床與傳統(tǒng)車床的區(qū)別在于依托數(shù)控設(shè)備描述待加工零件并編制語(yǔ)言，同時(shí)向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)傳輸后展開后續(xù)操作，該流程中應(yīng)用了CNC裝置、數(shù)字傳輸設(shè)備及控制面板等。圖1呈現(xiàn)了數(shù)控車床硬件組成部分。

圖1 數(shù)控車床硬件組成

工作人員在機(jī)床本體卡具上裝置待加工零件后。通過控制面板的應(yīng)用輸入待加工零件加工形狀、尺寸及精度等加工要求至CNC系統(tǒng)內(nèi)；工作人員依托CNC系統(tǒng)完成刀具移動(dòng)軌跡等零件需加工信息的繪制，同時(shí)CNC裝置會(huì)轉(zhuǎn)化上述信息為代碼并在程序中完成記錄后，向數(shù)控系統(tǒng)傳輸；控制系統(tǒng)接收到傳輸?shù)男畔⒑螅Y(jié)合PLC系統(tǒng)展開譯碼、運(yùn)算，并向主軸伺服裝置、電氣回路及相關(guān)輔助裝置傳達(dá)指令，機(jī)床在CNC系統(tǒng)各裝置的帶動(dòng)下，依據(jù)提前錄入及轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)完成零件的精細(xì)化加工。

1.2 特點(diǎn)

引入CNC系統(tǒng)的數(shù)控車床，相比傳統(tǒng)機(jī)床而言在零件加工方面的優(yōu)勢(shì)顯著，主要包含“四高”，分別為：一是加工精度高。CNC控制系統(tǒng)具備極高的精準(zhǔn)度，引入數(shù)控車床中后，能保障機(jī)械零件加工一致性及穩(wěn)定性。二是加工深度高。CNC控制系統(tǒng)通過多種程序的匯編，能夠聯(lián)動(dòng)多個(gè)坐標(biāo)，故而支持具備更復(fù)雜形狀的機(jī)械零件的加工[2]。三是工作效率高。該系統(tǒng)在輸入程序調(diào)整的前提下可實(shí)現(xiàn)不同加工零件的控制，能減少計(jì)算評(píng)估零件的時(shí)間，因此具備更高的工作效率。四是自動(dòng)化程度高。數(shù)控車床支持批量加工零件，能夠減輕操作人員工作強(qiáng)度，具備遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)床的工作效率。

2 數(shù)控車床加工精度影響因素

2.1 電氣伺服系統(tǒng)影響

數(shù)控車床加工零件時(shí)，負(fù)責(zé)車床正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電氣伺服系統(tǒng)，是影響車床實(shí)際運(yùn)行效果的主要因素之一，其準(zhǔn)確度高低會(huì)對(duì)零件加工精度構(gòu)成直接影響。應(yīng)用數(shù)控車床加工各種機(jī)械零件時(shí)，需對(duì)刀具及零部件位置予以重點(diǎn)關(guān)注和嚴(yán)格把控，運(yùn)轉(zhuǎn)中的伺服電機(jī)可前移或后調(diào)滾珠絲杠，而在調(diào)整兩者位置的過程中，伺服驅(qū)動(dòng)與滾珠絲杠中一旦有轉(zhuǎn)動(dòng)誤差問題產(chǎn)生，必然會(huì)影響零部件加工精度，甚至導(dǎo)致零部件無法使用或失效。

2.2 數(shù)控軌道影響

數(shù)控車床加工零件時(shí)，車床本身軌道位置同樣可能影響零件的加工精度，且其偏差越大時(shí)，構(gòu)成的影響也會(huì)隨之增長(zhǎng)。具體加工中，需提前精準(zhǔn)測(cè)量并校對(duì)各個(gè)零件的具體位置，該步驟是加工的必要前提，會(huì)對(duì)數(shù)控車床加工精度構(gòu)成直接影響。而在加工實(shí)踐中，當(dāng)車床軌道出現(xiàn)小量偏移或程度不一的磨損等情況時(shí)，零部件加工精度都會(huì)下降。同時(shí)，操作人員如果出現(xiàn)有誤的操作引起了車床軌道偏移，難以保證零部件加工質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.3 逼近誤差與圓整誤差影響

逼近誤差表示編程零件輪廓時(shí)，通過近似或擬合理念算法的應(yīng)用，在控制精確值的基礎(chǔ)上逼近零件基礎(chǔ)誤差。如果出現(xiàn)偏低的精確值，零部件加工精度就會(huì)受影響。應(yīng)用數(shù)控車床加工制作零部件時(shí)，需提前做好編程作業(yè)任務(wù)，不規(guī)則外形零部件的加工中涉及了數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用，如近似對(duì)非圓線性處理，零部件曲線輪廓可用直線輪廓取代。但是，雖然該方法呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，但形成的零部件輪廓形狀可能無法或難以重合待加工目標(biāo)輪廓形狀，此時(shí)就會(huì)有加工誤差產(chǎn)生。圓整誤差表示加工實(shí)踐中應(yīng)用圓軌跡或圓弧運(yùn)動(dòng)加工時(shí)，此類運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際數(shù)值間有較大誤差存在。部分?jǐn)?shù)控車床是由電機(jī)負(fù)責(zé)控制刀具實(shí)際運(yùn)行軌跡，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的脈沖往往決定了刀具最小運(yùn)動(dòng)距離，處于工作狀態(tài)的數(shù)控車床工件，操作至圓整脈沖當(dāng)量值時(shí)，難免會(huì)有圓整誤差產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)加工部件尺寸及規(guī)格構(gòu)成影響。

2.4 車床熱變形誤差影響

工作中的數(shù)控車床，可能會(huì)受到不同類型熱源的影響，當(dāng)車床有發(fā)熱的情況出現(xiàn)后，元件可能出現(xiàn)膨脹，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重變形，此時(shí)會(huì)阻礙程序運(yùn)行的有序性，進(jìn)而影響車床加工實(shí)際精度。同時(shí)，車床車刀切削過程中，會(huì)有摩擦熱產(chǎn)生，且當(dāng)外部環(huán)境溫度產(chǎn)生變化后，同樣會(huì)導(dǎo)致車床元件溫度局部不均勻，此時(shí)就會(huì)帶給機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)一定的影響，且元件體積大小可能會(huì)因溫度影響產(chǎn)生變化，對(duì)于高精度設(shè)備的數(shù)控車床而言也就會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重影響[3]。此外，當(dāng)元件體積與設(shè)備實(shí)際要求不符合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)絲杠軸心線傾斜、車刀切削角度偏移等問題，以致無法保障待加工零件精度。

2.5 切削刀具影響

數(shù)控車床工作中會(huì)使用刀具切削零件，由于刀具本身具備刀尖圓弧及主偏角，因此在切削時(shí)難免會(huì)有程度不一的誤差形成，且在不斷加工零件的過程中會(huì)逐步擴(kuò)大此類誤差。同時(shí)，切削速度、深度及進(jìn)給量也會(huì)對(duì)待加工零件表面粗糙程度及精度構(gòu)成影響，如初加工階段為促進(jìn)效率的提高多選擇較大背吃刀量，越大的背吃刀量具備越大的切削力，稍有不慎就會(huì)損壞刀具和零件，進(jìn)而影響加工精度。

2.6 程序運(yùn)行

數(shù)控車床運(yùn)行中，有著順序與規(guī)范極為嚴(yán)格的控制系統(tǒng)，工作人員如果未參照對(duì)應(yīng)的程序?qū)嵤┎僮鳎瑪?shù)據(jù)處理有誤差、操作順序不科學(xué)，或數(shù)控車床運(yùn)行程序欠缺合理性，會(huì)帶給程序正常運(yùn)行一定的影響，進(jìn)而造成加工精度出現(xiàn)誤差的情況。

3 數(shù)控車床加工精度影響改進(jìn)策略

3.1 電氣伺服系統(tǒng)影響的改進(jìn)策略

作為數(shù)控車床關(guān)鍵組成之一的電氣伺服系統(tǒng)，是決定車床運(yùn)行穩(wěn)定性、有序性的重要因素，同時(shí)與車床加工精度間的關(guān)聯(lián)十分密切，是影響零部件加工質(zhì)量的主要內(nèi)容。基于此，要想保證數(shù)控車床加工精度，就必須關(guān)注電氣伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確性的提高，在伺服系統(tǒng)設(shè)備選擇中適當(dāng)提高性能指標(biāo)，可供選擇的包含伺服電機(jī)、伺服進(jìn)給單元及伺服控制單元等。同時(shí)，要注重伺服控制系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化。結(jié)合伺服系統(tǒng)加工圓環(huán)或圓弧等零件時(shí)，應(yīng)當(dāng)精確設(shè)計(jì)進(jìn)給軸，設(shè)計(jì)為開環(huán)增益，以便促進(jìn)加工零部件輪廓時(shí)精度的提升。此外，零件實(shí)際加工過程中，需維持進(jìn)給軸在45°的位置，加工時(shí)處于此類傾斜角度能為零部件質(zhì)量及精度提供可靠保障，以便加工結(jié)束后能獲取與相關(guān)需求完全符合的零件。

3.2 車床導(dǎo)軌影響的改進(jìn)策略

數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，為了避免車床床身可能引起的精度誤差影響，有必要優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)軌及底座。針對(duì)功能要求較多的數(shù)控車床，在設(shè)計(jì)中可優(yōu)先選擇斜床身方案，挑選適宜的筒形結(jié)構(gòu)，做好車床重量的控制，并酌情改進(jìn)制造工藝。保持一定切削載荷的情況下，通過筒形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能為數(shù)控車床本身的穩(wěn)定性提供保障，并最大限度降低幾何誤差。滑動(dòng)導(dǎo)軌的安裝中，明確零件加工精度要求的同時(shí)，以規(guī)范流程為根據(jù)展開安裝，并做好潤(rùn)滑油的填充，不僅能降低摩擦系數(shù)，且有利于數(shù)控機(jī)床幾何精度的提高，從而為零件加工精度提供保障[4]。此外，在導(dǎo)軌選擇中應(yīng)當(dāng)著重突出實(shí)用性這一指標(biāo)，確保其具備能滿足工作實(shí)際需要的負(fù)載能力，以此帶動(dòng)車床加工水平、精度的提高。

3.3 細(xì)化誤差補(bǔ)償措施

補(bǔ)償誤差措施的實(shí)施中，需高度重視逼近誤差和圓整誤差兩類。有關(guān)逼近誤差的補(bǔ)償方面，需突出擬合思想、近似算法應(yīng)用的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件外廓型的精準(zhǔn)計(jì)算與勾勒，由此降低控制系統(tǒng)補(bǔ)償誤差。同時(shí)，在控制圓整誤差方面，可結(jié)合硬件處理做好前期預(yù)防工作，或是結(jié)合軟件處理對(duì)誤差精度值展開彌補(bǔ)，最大限度規(guī)避可能出現(xiàn)在實(shí)際加工中的不確定性因素。此外，工件或工藝如有重復(fù)定位的需要時(shí)，數(shù)控加工前應(yīng)做好相關(guān)測(cè)量誤差測(cè)算工作，規(guī)避測(cè)量誤差的產(chǎn)生，提高計(jì)算量的準(zhǔn)確性，為后續(xù)深度精細(xì)加工中掌控工件誤差精度范圍提供保障，以此促進(jìn)產(chǎn)品加工質(zhì)量及精度的提高。

3.4 嚴(yán)格控制溫度

鑒于生產(chǎn)車間溫度變化可能會(huì)對(duì)數(shù)控車床加工精度構(gòu)成影響，所以相關(guān)管理人員有必要做好車間溫度的嚴(yán)格控制，全面優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)加工環(huán)境，消除過高或過低溫度的情況，避免設(shè)備因熱脹冷縮而受到影響。針對(duì)摩擦熱等難以避免的溫度升高情況，工作人員可引入相應(yīng)的改善措施，最大限度消除此類影響，為數(shù)控車床加工精度提供保障。同時(shí)，可進(jìn)行冷卻回路的建造，已實(shí)現(xiàn)溫差的精準(zhǔn)控制，減少形成的熱量，為數(shù)控車床提供適宜的運(yùn)行環(huán)境。

3.5 合理減少刀具偏差

數(shù)控車床實(shí)施零件加工作業(yè)的過程中會(huì)涉及到刀具，但刀具往往存在偏圓角或者刀尖圓弧的特征，在開展加工作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)一定誤差。所以應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)控車床零件加工過程中的刀具實(shí)施合理調(diào)整，從而盡可能避免因?yàn)榈毒哒`差而導(dǎo)致零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)[5]。一方面，應(yīng)當(dāng)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化調(diào)整，刀具設(shè)計(jì)工作人員應(yīng)當(dāng)全面掌握刀具可能存在的缺陷和問題，同時(shí)根據(jù)數(shù)控車床加工實(shí)際要求實(shí)施有針對(duì)性地調(diào)整，數(shù)控車床屬于一種自動(dòng)化水平較高的設(shè)備，所以在刀具配置過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)所有刀具都按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)予以設(shè)計(jì)，同時(shí)將刀具庫(kù)內(nèi)部所有刀具都進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如此一來能夠在很大程度上避免因?yàn)榈毒邔?dǎo)致的加工誤差。另一方面應(yīng)當(dāng)根據(jù)刀具具體特征對(duì)誤差實(shí)施準(zhǔn)確計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行誤差修補(bǔ)，在開展加工作業(yè)時(shí)對(duì)加工過程中可能出現(xiàn)的誤差予以有效修正，從而保證數(shù)控車床加工中相關(guān)零件的精度。

3.6 注重自動(dòng)編程水平的提升

數(shù)控車床是圍繞預(yù)先編寫的程序運(yùn)行，故而數(shù)據(jù)編程會(huì)帶給加工精度直接影響。自動(dòng)編程中，需為原點(diǎn)位置提供精準(zhǔn)性保障，嚴(yán)格遵循統(tǒng)一編程基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)的原則，且編程原點(diǎn)需要一致于圖紙基準(zhǔn)。計(jì)算數(shù)據(jù)的過程中，要確保能夠獲取精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，突出工序安排的合理性也能規(guī)避加工中可能出現(xiàn)的誤差，所以在工序編制中需詳細(xì)分析毛坯剛性、變形及零件加工要求，并做好粗加工與精加工順序及比例的確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)控車床加工作業(yè)中開展好精度控制，對(duì)可能影響加工精度的因素進(jìn)行有效管控，制定有針對(duì)性的解決措施，可以在很大程度上保障零件加工的準(zhǔn)確性，讓最終得到的零件尺寸能夠滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所以專業(yè)技術(shù)人員必須要引起充分重視，明確可能影響加工精度的因素，制定有效處理方案，確保數(shù)控車床加工作業(yè)的有效開展。