數(shù)控機床加工精度的主要影響因素及優(yōu)化路徑探析

陳恩來

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福州 350002）

1 數(shù)控機床在工業(yè)制造中的重要性

數(shù)控機床主要由主體結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及相關(guān)的防護和電氣系統(tǒng)構(gòu)成。由于信息技術(shù)和計算機技術(shù)的良好發(fā)展，數(shù)控機床取得了長足的進步，使得擁有較高加工精度和出色穩(wěn)定性的數(shù)控機床相繼誕生。工作人員通過數(shù)控機床手動編程可以生成相關(guān)程序，實現(xiàn)對零部件的有效加工。相對于一些復雜零部件，需要通過三維建模、UG等制圖軟件生成程序，即可實現(xiàn)自動化加工，有效節(jié)省了加工時間，減輕了工作人員的工作量。在數(shù)控機床使用和操作過程中，數(shù)控機床整體的加工精度對提升零部件的精度、光潔度產(chǎn)生巨大影響。為了確保數(shù)控機床具有良好的使用穩(wěn)定性，要求機床操作人員和維修人員擁有良好的綜合素養(yǎng)，有效維護和保養(yǎng)數(shù)控機床。

2 數(shù)控編程對加工精度的影響及對策

2.1 編程原點選擇對加工精度的影響及對策

數(shù)控機床程序編程要有效確定編程原點，因為它直接影響零部件的加工精度。通常操機人員需要結(jié)合零部件的具體外形和機床的規(guī)格來確定編程坐標系。編程坐標系的確定必須要依據(jù)編程基準、圖紙基準和工藝基準，并針對相關(guān)基準進行有效統(tǒng)一，才可以最大限度減少由于頻繁換算公差而產(chǎn)生的不良 誤差。

解決編程原點不明確問題，需要有效融合編程基準、圖紙基準和工藝基準，同時做到以下4個方面[1]。首先，要求編程原點與圖紙尺寸基準有效融合。設計零部件時，針對設計基準要有效明確，同時兼顧加工時的工藝基準，盡可能實現(xiàn)有效融合。其次，要盡可能實現(xiàn)數(shù)值的簡單計算，避免重復存在尺寸鏈換算的情況。再次，原點應該盡量選擇在精度和光潔度相對更高的表面。最后，要求原點的設計便于測量尺寸，以便能夠規(guī)避編程原點設定不佳可能會出現(xiàn)的相關(guān)問題，從而提高加工精度。

2.2 編程時數(shù)據(jù)處理對加工精度的影響及對策

編寫程序時，良好地處理數(shù)據(jù)能夠有效提高輪廓軌跡加工精度。可見，數(shù)據(jù)處理對于輪廓加工精度有直接影響，其中最突出的因素是未知編程節(jié)點的計算和編程尺寸公差區(qū)間的計算與轉(zhuǎn)換[2]。

一方面，數(shù)控系統(tǒng)可以結(jié)合已知輪廓的幾何條件自動計算節(jié)點坐標，但一些數(shù)控系統(tǒng)需要通過手工計算。在針對未知幾點坐標值進行手工計算的過程中，存在的突出問題為精度計算誤差。大量分析研究發(fā)現(xiàn)，手工計算結(jié)果與計算機輔助查詢結(jié)果相差0.01～0.03 mm。 為了提高手工計算精度，需要開展兩方面工作。一是手工計算的中間數(shù)據(jù)一定要有效保留4位以上的小數(shù)。現(xiàn)階段，我國數(shù)控機床大部分脈沖當量為0.001 mm， 如果使用計算器計算，應當保留全部小數(shù)。二是編程尺寸要依據(jù)機床脈沖當量。所謂脈沖當量，是指機床發(fā)送一個指令脈沖機床最小的移動量。如果數(shù)控機床脈沖當量為0.001 mm，那么其計算結(jié)果至少應當保留3位小數(shù)。

另一方面，零部件各處尺寸如果存在公差不一致或者公差不對稱情況，那么需要人工再次計算編程尺寸。如果需要同一把刀具加工零部件，則需要選取公差平均值進行編程。這樣能夠使公差均勻分布，為減少機床加工誤差留出更多空間，有效保障加工精度。如果編程尺寸公差帶基本一致或者保持對稱，則應該通過公稱尺寸編程，從而有效減少計算量。譬如：兩個外輪廓尺寸分別為20+00.02mm、5+00.01mm，應當選取的中值分別為20.01 mm和5.005 mm，并以此數(shù)據(jù)進行編程；加工20+00.02mm、24+00.02mm兩個外輪廓尺寸時，較為簡便的編程方法是選取尺寸20 mm和24 mm進行編程，并通過刀具補償保障公差，即在系統(tǒng)刀架補償界面實現(xiàn)半徑補償修正0.01 mm。

2.3 加工路線對加工精度的影響及對策

加工路線對機床加工精度產(chǎn)生的影響相對較大。良好的加工路線能夠?qū)崿F(xiàn)機床加工效率和精度的全面提升。確定加工路線應該綜合考慮3個方面[3]。

首先，對零部件輪廓加工影響最大的是進、退刀方式。如果刀具在零部件內(nèi)外輪廓進行連續(xù)的下刀和抬刀，會導致零部件加工有接刀痕或者運動誤差，所以零部件加工下刀和抬刀最好要脫離零部件表面。如果必須在表面進退刀，則應該選取圓弧切入或者圓弧切出。

其次，相對于立式加工中心來說，為了提高零部件加工表面質(zhì)量，應當采取順銑的形式處理零部件表面，提高刀具的耐久度。此外，以下3種情況應該采取逆銑。一是工件的表面有硬化層，應該采取逆銑。二是加工非金屬材料尤其是塑料和尼龍材料時，應當選擇逆銑。三是刀具如果存在較大的長徑比，應該采取逆銑。長徑比較大的銑刀剛性較差，因此針對切血量相對較小的零部件表面切削應當采取逆銑加工。順銑加工雖然可以產(chǎn)生較大的切削量，但是加工過程中存在振動。逆銑雖然切削量較小，但是通過提高轉(zhuǎn)速能夠減少刀具變形，從而提高加工質(zhì)量。

最后，針對位置精度相對不高的孔隙加工，應當遵循加工路線最短原則。如果相對鉆孔加工擁有較高的精度要求，刀具的路線選擇應該盡量避免機床各軸反向間隙的影響。圖1為零部件孔隙加工尺寸圖。圖2為最短加工路線圖，此種情況容易產(chǎn)生外向的反向間隙誤差。圖3通過路線偏移避免了外向加工有反向間隙誤差，不會影響零部件鉆孔的精度，但是加工路線相對較長。筆者認為，如果孔隙加工的精度較高，應該選擇圖3的加工路線。

圖2 最短的加工路線圖 圖3 偏移加工路線圖

2.4 插補運算對加工精度的影響及對策

插補運算對于提高加工精度的影響在于系統(tǒng)的插補形式。相對于許多經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)來說，通常采用脈沖增量方法，而較為精密的數(shù)控系統(tǒng)通過采樣和軟硬件配合的補償方法。無論何種補償方式都會產(chǎn)生累積誤差，而累計誤差達到一定值就會導致機床移動存在定位誤差，影響機床的整體精度。

編程過程中，為了減小存在的插補累計誤差，應該采取以下兩種方法[4]。第一，編程方式盡量采取絕對式編程。絕對式編程是以某一編程原點為基準，實現(xiàn)零部件坐標程序的應用和循環(huán)程序加工指令運用。第二，在加工過程中，要盡量將回參考點指令插入程序，尤其是一些程序往往需要較長的加工節(jié)拍才能完成。所以，要通過機床參考點的有效返回，有效消除系統(tǒng)運算中可能潛在的累計誤差。加工過程中，在參考點換刀是較為理想的解決策略。

2.5 軌跡擬合誤差對加工精度的影響及對策

數(shù)控機床在針對一些非圓形曲線進行加工的過程中，主要是將一些圓弧分為若干個小線段或者圓弧來生成加工軌跡。一般數(shù)控系統(tǒng)通常只具備直線插補或者平面圓弧插補功能，但是如果加工軌跡為非圓曲線，只能通過直線或者圓弧去擬合非圓曲線。目前，非圓曲線擬合常用方法包括等間距、等弦長以及等誤差法等。應用等誤差法可以有效提高加工精度，從而有效保障擬合精度。非圓弧曲線軌跡擬合通常通過計算機軟件進行自動編程，如計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）可以通過等弦長和等誤差法對非圓曲線進行擬合。

但是，擬合過程中肯定存在擬合誤差。因此，最重要的基礎條件是控制擬合誤差，以保證其低于工件的允許誤差范圍，必要時還要進行多次計算。

現(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)通常有規(guī)則的非圓曲線編程功能，可以針對拋物線、橢圓曲線、雙曲線等的加工對零部件進行編程精度更加理想的宏變量編程。

3 機床傳動系統(tǒng)誤差對加工精度的影響

機床傳動系統(tǒng)存在的誤差會影響機床本身的加工精度。筆者總結(jié)了多年工作經(jīng)驗，提出機床自身產(chǎn)生誤差主要體現(xiàn)為3種情況，分別為溫度變化導致機床變形的情況、強度不足導致機床剛性下降的情況以及機床本身結(jié)構(gòu)存在誤差。

3.1 螺距誤差及補償

對于一些經(jīng)濟型數(shù)控機床，它的傳動系統(tǒng)多數(shù)是半閉環(huán)傳動系統(tǒng)，整體精度取決于絲杠精度。盡管近些年來我國經(jīng)濟型機床多數(shù)通過使用高精度滾珠絲杠實現(xiàn)了精度和剛性的提升，但是絲杠在使用過程中存在磨損情況，會產(chǎn)生螺距誤差。為了減小螺距誤差，提高加工精度，需要進行螺距誤差補償。螺距誤差補償通過激光干涉儀的高精度位置測量，與機床實際運動位置測量結(jié)果相比較。在軸運動全程上測定某一些實際坐標，并記錄各測量點的誤差，之后輸入數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，可以使機床在運動到某一節(jié)點時結(jié)合誤差值自動進行補償。

目前，在機床螺距補償建設過程中，設置測點越多，螺距誤差補償效果提升越好。螺距誤差補償需要注意以下3個方面。首先，如果機床重復精度過低，則不能通過螺距誤差補償提升精度。其次，螺距誤差補償是依據(jù)機床坐標系進行設定的。最后，機床坐標要依靠參考點明確，所以參考點的誤差應當設定為零。

下面簡述西門子828系統(tǒng)（臥式數(shù)控車床HTC40E）Z軸螺距誤差補償流程。首先，進行激光螺距誤差補償尺寸的設定，通過程序設定為X軸原點（靠近尾臺部位距離X軸硬限位10 mm）為起始點，向正方向行走150 mm，程序暫停間距為15 mm，共走10個點位，之后通過激光數(shù)據(jù)讀取確定相關(guān)反向數(shù)值，并將其添加到系統(tǒng)的螺距誤差補償界面。圖4和圖5為螺距誤差補償補償初始界面和補償后界面，之后點擊激活，實現(xiàn)螺距誤差補償?shù)挠行л斎牒蛥?shù)的復位。此時，可以參考診斷畫面中的軸診斷來判斷螺距誤差補償是否生效。

圖4 螺距誤差補償補償初始界面

圖5 螺距誤差補償補償后界面

3.2 反向間隙誤差及補償

數(shù)控機床傳動系統(tǒng)中存在許多間隙。譬如，機床傳動齒輪箱中，相互齒輪存在齒側(cè)間隙，絲杠的絲母套和螺母也存在間隙。反向間隙的存在會導致伺服電機帶動滑臺運轉(zhuǎn)時有空轉(zhuǎn)或者不轉(zhuǎn)動的情況，引發(fā)嚴重的機床精度誤差，甚至產(chǎn)生嚴重的震蕩。相對于反向間隙的控制來說，數(shù)控機床應當在結(jié)構(gòu)設計方面進行優(yōu)化。例如，可以采取絲杠螺母副預緊手段、同步齒形帶以及齒輪間隙消除等手段來減小反向間隙[5]。相對于半閉環(huán)系統(tǒng)，它可通過螺距誤差補償方法進行彌補。在軸運動過程中，記錄反向間隙，并輸入數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如反向間隙的補償值，從而有效彌補反向間隙誤差。相對于全閉環(huán)系統(tǒng)，要針對反向間隙補償量和快移反向間隙補償量進行輸入。譬如，F(xiàn)ANUC 0i-MF PLUS系統(tǒng)應該在1851和1852兩個參數(shù)中輸入補償量，以在傳動系統(tǒng)加速運動中補償加速反向間隙，從而有效提高加工效率和精度。

4 結(jié)語

數(shù)控機床是我國工業(yè)發(fā)展的重要基礎，能夠有效提升數(shù)控機床零部件加工精度和效率，能夠為我國社會主義經(jīng)濟建設提供巨大幫助。針對數(shù)控機床影響加工精度的相關(guān)因素進行分析，同時結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，探討相關(guān)優(yōu)化路徑，能夠為數(shù)控機床的加工和使用提供借鑒。