數控系統對數控機床加工精度的影響因素探究*

宋艷麗

（武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065）

隨著國際形勢的不斷變化，高端制造業的重要地位也進一步凸顯。制造業的根本來自于工業母機數控機床，因為數控機床的加工精度深深影響了生產的產品，而產品的性能是大國重器的重要組成部分，要求高的產品加工精度甚至要達到頭發絲的十分之一，所以不同數控系統的加工精度對比是非常有必要的，對日常用品及國防科工都起著關鍵作用[1]。通過對產品加工精度對比及其影響因素進行分析，進一步提高國產數控系統的綜合性能，提高產品競爭力，使國產制造走向高端制造、精密制造并實現全國產化。

1 零件加工工藝參數

1.1 二維、三維六邊形零件

使用華中數控系統與FANUC數控系統同時加工二維、三維六邊形零件[2]，零件成品分別如圖1、圖2所示。使用程序及加工刀具均不變，測試加工精度并進行對比，具體加工工藝參數如表1所示。

表1 二維、三維六邊形零件加工工藝參數

圖1 華中數控系統機床加工的二維、三維六邊形零件

圖2 FANUC數控系統機床加工的二維、三維六邊形零件

在不同系統、相同加工環境條件下，采用相同刀柄及相同加工刀具，刀具類型及直徑分別為6刃合金Φ10平底刀，測量主軸裝刀刀具得到相同刀擺數值為0.003 mm，以F1 200 mm/min的相同加工速度進行加工，在主軸S12 000 r/min相同轉速以及相同加工程序下進行加工測試，程序相同部分包括部件上最大步距、編程銑削方式、精加工余量、編程精度公差等參數。在相同的準備情況、不同的數控系統、不同加工區域下，能夠更好地印證不同數控系統相同加工環境對零件加工造成的影響。

1.2 三維球面零件

使用華中數控系統與FANUC數控系統同時加工三維球面零件[2]，零件成品分別如圖3、圖4所示，具體加工工藝參數如表2所示。

表2 三維球面零件加工工藝參數

圖3 華中數控系統機床加工的三維球面零件

圖4 FANUC數控系統機床加工的三維球面零件

在不同系統、相同加工環境條件下，采用相同加工刀具，刀具類型及直徑分別為2刃合金Φ6球刀，測量主軸裝刀刀具得到相同刀擺數值為0.002 mm，以相同的加工速度進行加工，在相同轉速以及相同加工程序下進行加工測試，程序相同部分包括部件上最大步距、編程銑削方式、精加工余量、編程精度公差等參數。

2 零件加工測試設備

分別采用華中數控系統和FANUC數控系統加工零件，對比相同加工環境下的相同產品在不同數控系統不同位置的加工參數[3]，具體參數對比如表3所示。

表3 參數對比

3 零件精度測量儀器

實驗測量器分別采用加時特蔡司三坐標測量儀以及華中雷尼紹三坐標測量儀，測量精度分別為0.5 μm和2.5 μm，在恒溫溫室環境下進行測量[4]，零件模型在設計上已經設計測量基準面，以零件銑削的四邊形四周分中建立XY測量基準零點，以零件頂面建立Z軸軸向基準面。

4 零件精度測試結果比對

4.1 二維、三維六邊形零件檢測

通過對比加時特蔡司三坐標測量數據與華中雷尼紹三坐標測量數據情況[5]，華中數控系統和FANUC數控系統機床加工的二維、三維六邊形零件精度測量結果分別如圖5、圖6所示。發現在常規二維及三維曲面加工方面，華中數控系統與FANUC數控系統的加工精度基本一致，由于加時特取點測量數據太少，故使用雷尼紹采集多點數據作為測量參考值[6]。

圖5 華中數控系統機床加工的二維、三維六邊形零件精度測量結果

圖6 FANUC數控系統機床加工的二維、三維六邊形零件精度測量結果

由圖5、圖6可知，華中數控系統的空間點檢測精度分別為0.003、0.006、0.007，因此二維面測量誤差在0.003～0.007范圍內；三維面測量精度分別為0.003、0.004、0.005、0.007、0.008、0.011，因此三維面測量精度誤差在0.003～0.011范圍內。FANUC數控系統加工的空間點測量精度分別為0.002、0.003、0.005、0.006，因此二維面精度在0.002～0.006范圍內；三維面測量精度分別為0.001、0.003、0.004、0.005、0.007、0.010，因此三維面精度在0.001～0.010范圍內[7]。

說明此處精度測試中，華中數控系統與FANUC數控系統均在一個固定的斜面上精度超差，初步判斷與模型及程序有關。因為在相同環境下，加工狀態及相關參數相同，均出現超差現象，證明與加工操作方式及其他影響加工的要素無關，只與模型以及程序有關，應檢查模型及程序問題，反饋檢測超差問題并進行總結，再進行實驗查漏補缺。

4.2 三維球面零件檢測

在三維球面加工測試中，通過對比測試，采用曲面截面線無基準輪廓度誤差和曲面截面線帶基準輪廓度誤差兩種測試方法，得到四種測試結果，如下所示：

在華中數控系統曲面截面線無基準輪廓度誤差三維球面加工測試中，采用曲線輪廓線，最大誤差點點位為408號，測量算法為低通（形狀）Gauss，探針測量半徑為1.499 5 mm，評定策略采用各交法線方向，基準坐標系偏移X-0.000 3、Y-0.000 0、Z-0.001 6，旋轉位置X-0.000 0、Y-0.008 5、Z-0.000 0，華中數控系統機床加工的零件無基準最佳擬合輪廓誤差最大值為0.014 4 mm，最小值為0.004 3 mm。

在華中數控系統曲面截面線帶基準輪廓度誤差三維球面加工測試中，采用曲線輪廓線，最大誤差點點位為408號，測量算法為低通（形狀）Gauss，探針測量半徑為1.499 5 mm，評定策略采用各交法線方向，基準坐標系偏移X0.000 0、Y0.000 0、Z0.000 0，旋轉位置X0.000 0、Y0.000 0、Z0.000 0，華中數控系統機床加工的零件帶基準輪廓誤差最大值為0.014 3 mm，最小值為0.006 2 mm。

在FANUC數控系統曲面截面線無基準輪廓度誤差三維球面加工測試中，采用曲線輪廓線，最大誤差點點位為405號，測量算法為低通（形狀）Gauss，探針測量半徑為1.499 5 mm，評定策略采用各交法線方向，基準坐標系偏移X0.002 5、Y0.000 0、Z-0.004 7，旋轉位置X-0.000 0、Y-0.001 6、Z-0.000 0，FANUC數控系統機床加工的零件無基準最佳擬合輪廓誤差最大值為0.016 4 mm，最小值為0.004 6 mm。

在FANUC數控系統曲面截面線帶基準輪廓度誤差三維球面加工測試中，采用曲線輪廓線，最大誤差點點位為405號，測量算法為低通（形狀）Gauss，探針測量半徑為1.499 5 mm，評定策略采用各交法線方向，基準坐標系偏移X0.000 0、Y0.000 0、Z0.000 0，旋轉位置X0.000 0、Y0.000 0、Z0.000 0，FANUC數控系統機床加工的零件帶基準輪廓誤差最大值為0.017 1 mm，最小值為0.009 9 mm。

5 影響測量誤差的主要因素分析

5.1 測量零件沒有合理的測量基準

在設計加工測量零件時，沒有設計合理的測量基準供三坐標使用，會造成三坐標無法測量或測量誤差整體偏大。以如圖7所示的零件測量基準檢測分析圖為例。

圖7 零件測量基準檢測分析圖

三坐標建立基準坐標系的原則一般為“一點、一線、一面”，測量部位為黃顏色體的相關尺寸，綠色體為毛坯。以上零件沒有給出作為測量建立坐標系的基準面（缺少建立的點線面基準），在測量時建立坐標系無法滿足要求，以其他方式建立則會造成測量誤差偏大。在建立測量坐標系時，最好與建模編程坐標系相重合，以此減少測量產生的誤差。

5.2 測量基準質量差

作為三坐標測量要使用的測量基準，在加工過程中若尺寸及表面質量差，將直接影響到三坐標測量時建立坐標系的基準誤差，會造成測量尺寸偏大。

因此，在加工基準時應注意以下幾點：1）使用新刀加工基準[8]（主軸上裝刀刀擺控制在0.002 mm）；2）加工的基準盡量不要有進刀痕或退刀痕；3）加工完成后，去掉加工毛刺，加工基準面的保護措施要好，不要用手摸，要用無塵布擦拭；4）以加工零件的坐標基準來加工基準面。

5.3 多把刀加工或手動對刀

在測量時選定的測量基準不一會造成測量誤差偏大[9]，特別是在手動對刀或使用多把刀具加工時。如圖8所示，選定的測量基準與實際需測量的部位基準在加工時刀具不一樣，而且都為手動對刀，此時，兩把刀在Z軸方向上會產生對刀誤差，測量時的尺寸測量誤差會包含此對刀誤差。

圖8 不同刀具加工平面

上圖中，零件的六邊體斜面與頂面和六邊形面分別使用兩把不同的刀具加工，在測量時，根據圖紙要求，需要測量六邊體斜面及六邊形面的空間點誤差值[10]，測量時用的基準為紅色面。應以紅色頂面作為Z軸基準，四方面作為XY分中面建立，以此測量需要的尺寸，可以避免測量六邊體斜面時由于手動對刀產生的Z向誤差。

如果測量時選定四邊形的上頂面作為測量基準，那么在測量六邊體斜面時就會造成很大的測量誤差。如圖9所示。

圖9 不同基準下的測量誤差

5.4 加工時零件本身存在誤差

即使測量基準設計及三坐標建立正確，也可能由于加工誤差[11]，如編程精度、模型造型精度等影響加工尺寸的精度，此時，就需要調整相關精度，來減少誤差。

6 結語

本文通過對比分析的方法，在相同環境下加工同一產品，對不同特征的加工采集相同的數據點，最后對數據點進行測量比較，發現其中的相同點及不同點，并進行規律性研究。對二維、三維平面以及三維曲面的加工能體現相同環境、不同加工特征的可比較性，使實驗獲取的數據更加真實。由以上數據分析可得，國產數控系統與國外數控系統的加工精度基本一致，但在一些局部加工特征方面，整體的數控系統加工設計還需要進一步優化。