數控機床加工精度分析和提高方法要求

范鵬章 馬茂軍 楊曉紅 房芹芹 王延明

（1.東營市技師學院，山東 東營 257000 ；2.東營市市政工程公司，山東 東營 257000）

0 引言

近年來，因數控機床精度下降而導致數控機床成品制造精度下降的問題時有發生，加工精度的降低就會影響制造產品的質量。因此，高效地識別數控機床加工誤差已經成為制造業關注的熱點問題之一。該文圍繞數控機床加工精度分析和提高方法要求開展有關數控機床加工精度及提高手段的相關研究，旨在提升數控機床的加工精度，為我國制造業的發展提供基礎保障。

1 影響數控機床加工精度的分類原因分析

根據美國常用的數控機床誤差分類機制，可以將數控機床誤差分為檢測誤差、加工過程誤差與機床誤差，各項誤差具體細分內容如下：1） 檢測誤差。不確定性誤差的占比為10%，安裝誤差的占比為5%。2） 加工過程誤差。操作誤差的占比為7.5%，彈性熱變形誤差及工件熱誤差的占比為6.5%，夾具誤差的占比為7.5%，刀具誤差的占比為13.5%。3） 機床誤差。熱誤差的占比為28.0%，幾何誤差的占比為22.0%。

對誤差來源進行分析可知，運行情況、運行時環境條件的影響、加工過程中的實時監測、生產過程中機械的材質不均勻、裝夾彈性變形、更換機床切割刀具、刀具變形、刀具磨損、刀具與工件作用位點相互偏差、伺服系統跟蹤誤差以及位置監測誤差等因素都有可能使數控機床出現誤差。所有數控機床運行后都會受到誤差的影響，但均能夠通過應用各類誤差補償方式抵消誤差。

2 提高數控機床加工精度的關鍵技術與方法研究

2.1 誤差補償技術

在進行誤差補償時，需要先預估誤差補償值。確定目標值后，再明確補償誤差的時間，通常可分為實時誤差補償與離線誤差補償。

在進行實時誤差補償時，需要利用硬件輔助裝置。以熱誤差檢測系統開展的誤差補償技術為例，應用YK3105E數控滾齒機床進行誤差補，采取的策略為反饋補償控制策略。具體實踐策略如圖1所示。

圖1 誤差補償實踐策略

具體實踐步驟流程如下：1） 應用球桿儀及激光干涉儀對機床中旋轉副及移動副的幾何誤差元素進行測量，獲取實時檢測樣本數據。2） 數據處理單元處理樣本數據內容，并對誤差進行分離辨識。根據數據判斷理想軌跡與刀具軌跡間誤差是否滿足精度加工條件（該過程由計算機自動完成）。3） 情況判斷。如果滿足條件，就直接輸出。如果不滿足條件，則將數據輸入誤差元素數據庫，根據數據庫中既往存儲的誤差值大小對誤差補償具體數值進行判斷。4）指令修正。將修正后的數據輸入數控機床，以進行誤差補償。

2.2 誤差測量技術

直接誤差測量技術是面向單環節的，僅需要借助儀器獲取直接誤差數據，在數據的獲取方面也比較簡單。在測量時，技術人員可直接應用相關光學或機械方法（例如激光干涉儀、運動測量儀等設備）進行誤差測量。由于測量項目較少，因此該技術的優勢就是測量耗時短。綜上所述，誤差測量技術的關鍵就是尋求測量效率與測量精度間的平衡，在開展任意一項操作時，都有可能對另外一者造成影響。

以D165型三軸機床的幾何測量為例，可采用自由度激光干涉測量方案。在進行測量時，首先應該選擇合理的位置放置激光測量器，機床主軸卡上放置自由度傳感器，機床工作臺處放置基準水平儀。當測量的方向不同時，橫向與縱向的檢測儀可根據檢測位置實時調整反光鏡，以避免在測量過程中出現重新裝配激光器的問題。因為光沿直線傳播，所以在測量時，需要在測量位點放置90°反光鏡，一方面能夠確保光線從軸傳遞變為從軸傳遞，另一方面也能消除九線法中反射基準不重合的問題。自由度激光干涉測量儀測量時原理如圖2所示。

圖2 自由度激光干涉測量儀測量原理圖

2.3 誤差建模技術

對誤差綜合建模來說，需要通過帶入工件和刀具之間的相對位置來確定數控機床的加工精度。其數學語言表述為工件與刀具間的相對距離（在運動型模型中被稱為綜合誤差）。

以YK3150E數控滾齒機床幾何誤差建模為例，需要利用空間建模技術，先設定刀尖在刀具體坐標系中的位置矢徑以及在工件坐標系中的位置矢徑，再計算工件加工點與刀尖實際位置間的矢量偏差。根據誤差模型相鄰體間的特征變化要求，考慮工件加工時熱誤差的影響，計算物體的實際特征變換矩陣，從而獲得三軸機床通用空間綜合誤差補償模型的數學公式。該研究中得到的矩陣如公式（1）所示。

式中：ξ、ξ以及ξ分別為YK3150E型數控滾齒機床在工序中旋轉一定角度及移動一段距離后，滾刀坐標相較于工件坐標系在軸、軸以及軸之間的位移誤差；σ、σ以及σ分別為YK3150E型數控滾齒機床在工序中旋轉一定角度及移動一段距離后，滾刀坐標相較于工件坐標系在軸、軸以及軸之間的旋轉誤差。

將相應的數值帶入公式（1）就能夠算出YK3150E型數控滾齒機床的精確誤差值，將數值輸入數控補償軟件中即可開展誤差補償。

2.4 機床設計角度降低誤差的相關方法

從降低誤差的角度來看，應用閉環控制的伺服給系統能有效補償在機械傳動過程中因機械間隙（會產生一定的機械干擾）而導致加工精度受到的影響。可根據自身條件合理選擇交流或直流伺服系統供電。但應注意，由于伺服系統改造所花費的成本較高且技術難度大，后期維修與調試較困難，因此，當生產加工精度不高的產品時，從經濟學角度出發考慮，則不建議改造伺服系統。例如以CA6140車床為改造案例，針對橫向進給機構，仍保留原有手動機構操作方式，并將減速箱體、步進電機安裝在車床后側，且保留原有支承結構。為保證改造后的設備仍能夠滿足緊急停車的要求，在溜板箱橫向及縱向處安裝急停、快速進給按鈕，防止發生意外情況。縱向進給機構中驅動元件應用用步電機。由于更換電機，需要拆除車床上的操作杠、光杠、刀架以及溜板箱等。針對縱向進給機構，采用滾珠絲杠螺母代替伺服系統原梯形螺紋絲杠螺母副，安裝位置仍位于原處。減速器端采用原固定方式，而兩端采用滾軸軸承固定方式，采用套筒剛性聯接方式。在橫向、縱向進給系統中均應用步進電動機→減速齒輪→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式。改造后的車床傳動系統如圖3所示。

圖3 改造后的車床傳動系統

改造的核心思路為改造軸線傳遞方式，補充精度，從而彌補軸線傳動方式下存在的反向誤差與螺距誤差。反向誤差來源于設備的運行過程，屬于動態誤差；螺距誤差來源于2個零件間的相對位置，屬于靜態誤差。動態誤差可以通過改善主傳動系統的軸線形式來實現彌補，而靜態誤差即使經過補償后也不能完全消除誤差，最終可將其納入系統誤差范疇中。當前最推薦的主傳動系統軸線改造方式如下：將傳統的高速滾珠絲杠傳動轉化為用直線電機傳動，該方式可有效提升軸線的機械剛度。因此，能夠提升軸線運行時的加速度，獲得更高的速度，從而提高生產效率。以某設備改造的方式為例，滑臺箱體主傳動系統不應用滾珠絲杠副傳動模式，而是應用直線電機傳動方式。改造后，經過試驗驗證，其滿足直線電機防撞擊、防屑的要求。為確保改造后的軸線系統仍有較高的運行速度，設計時在電機處應用了全封閉的防磁拉罩，減少外界因素的影響。同時，在軸線的末端應用軟行程限位設計和高靈敏度的限位設計，保證了設備運行時的穩定性水平。最終改造后的腔體式滑臺結構圖如圖4所示。

圖4 改造后腔體式滑臺結構圖

主軸與電機間在相互轉動的影響下易出現兩者相互位置改變、齒輪相互軸向位點跳動的現象，對生產產品質量及產品加工精度有顯著影響。傳統模式下，數控機床電機與機械主軸間的連接方式分為3種，電機直連、齒輪連接以及同步帶連接。對電機直聯方式來說，由于電機本身馬力有限，因此主軸的旋轉速度在達到一定水平后，將難以提升，軸線的轉速一般低于10 r/min。相關學者提出了應用“主軸單元零傳動”的方式來解決該問題。其開展的具體思路如下：在內裝電時，電機內部的主軸、電機等所有機構均采用一體化設計方案，從而實現裝置的“零傳動”。經過該方法改造后的電主軸具備調速范圍寬、運行無爬行、性能佳、耐低溫、清潔度高、能適應溫度變化、變速調節快、可快速啟動、轉動時慣量小、轉速及回轉精度高等優勢。當前該技術預期的發展方向為“懸浮技術”，例如磁懸浮電主軸技術與氣體懸浮技術。在懸浮技術的背景下，各控制單元間無接觸，能夠滿足機床超高精度加工的要求。此時，將電主軸分別與高速刀具系統、高速進給系統進行配合，能夠滿足設備運行的小震動、高可靠性、高速度及高精度要求，該技術將成為未來發展的前沿技術之一。

切割參數會影響零件出廠時的精度表現。因此，可通過以下途徑優化機床加工時的參數：首先，選取硬度高、脆性低、耐磨且耐切割的刀具，并確保刀具的規格與尺寸適配于生產物品。在選取刀具前應經過物理學及化學論證，分析其幾何參數、物理特性，并計算所選刀具的合適參數區間。其次，在現場加工階段，需要根據機床自身的運行情況調節切割參數，例如在機床處于長時間運行狀態時，可適當降低刀具的轉速，保證同一批材料的切割效果；同時，通過實時分析切割物體的參數，調節刀具的切割角度及切割深度等參數。此外，從刀具運維的角度來說，需要通過定期檢查刀具運行時冷卻液的噴出量參數，以降低切割過程中產生的熱量，降低刀具可能引起的幾何誤差與熱量誤差，從整體上提高機床切割精度水平。

3 結語

綜上，將誤差補償技術充分應用于數控機床的改造中，能夠提升機床的加工精度。該技術在實際應用過程中存在建模方式落后的問題，需要在日后研發中對其進行改進，智能化制造的逐步深入及誤差補償技術的不斷應用將有效促進超精密數控機床的發展。因此，對機床企業來說，需要注重技術創新發展，識別影響當前機床加工精度的相關因素，并開展有針對性的研發工作，最終優化調整生產過程及生產工藝，從而促進我國高精尖數控機床的有序發展。