數(shù)控車床加工精度的影響因素及提高措施
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發(fā)表時(shí)間：2020-09-26 16:13:15
數(shù)控車床在如今的機(jī)械制造業(yè)中已得到廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)和社會(huì)創(chuàng)造十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械產(chǎn)品的精度直接影響著產(chǎn)品的工作性能，而數(shù)控車床的精度控制直接影響著所加工機(jī)械產(chǎn)品的精度。隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)于數(shù)控車床的加工精度也提出了更高的要求。就一般數(shù)控車床而言，其加工精度大體由4
部分決定：車床本身制造的精度；數(shù)控編程精度；車床伺服系統(tǒng)精度；插補(bǔ)環(huán)節(jié)的精度。車床在加工過(guò)程中每一個(gè)過(guò)程因素也都有可能影響到加工精度，例如卡緊環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)以及外部環(huán)境等。所以對(duì)數(shù)控車床的精度控制要進(jìn)行綜合考慮和控制。
1、數(shù)控車床的組成
數(shù)控車床主要由4 部分組成：主機(jī)系統(tǒng)，數(shù)控編程系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加工輔助系統(tǒng)［1］。
1）主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)是機(jī)械加工的主體部分，主要實(shí)施對(duì)工件的切削加工。其組成部分主要由主軸、床身、立柱、進(jìn)給構(gòu)件等加工部件。
2）數(shù)控編程系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是有別于普通機(jī)床的關(guān)鍵部分，也是數(shù)控加工的核心部件，由硬件設(shè)備和相應(yīng)的軟件組成，主要完成機(jī)械加工的程序輸入和存儲(chǔ)，部分?jǐn)?shù)控機(jī)床也可以完成對(duì)輸入?yún)?shù)的加工和處理，完成某些特定的操作功能。
3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為數(shù)控車床加工提供原動(dòng)力，完成機(jī)械加工。主要包括主軸電機(jī)、主軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)給電機(jī)、進(jìn)給結(jié)構(gòu)等，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
4）加工輔助系統(tǒng)。加工輔助系統(tǒng)是指在加工生產(chǎn)過(guò)程中一些必要的輔助機(jī)構(gòu)，保證切削加工的順利完成。主要包括噴射機(jī)構(gòu)、排屑機(jī)構(gòu)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)機(jī)構(gòu)，主要作用為冷卻、排屑、照明、潤(rùn)滑等。
2、數(shù)控車床的工作原理
數(shù)控車床與普通車床在加工過(guò)程上有很大的區(qū)別，普通車床加工時(shí)需要加工人員根據(jù)零件加工圖不斷改變車刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)完成機(jī)械零件的加工。而數(shù)控車床是將刀具以及相關(guān)構(gòu)件通過(guò)數(shù)控編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)定，輸入NC 的裝置，通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的車床構(gòu)件完成零件的加工，其具體過(guò)程如圖1 所示［2］。
3、數(shù)控車床加工精度的影響因素
數(shù)控車床本身的機(jī)械加工精度以及伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精度都能夠影響數(shù)控車床的加工精度。具體細(xì)分影響數(shù)控車床加工精度的原因主要有車床本身幾何誤差、車床熱變形誤差、伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)誤差、車刀參數(shù)變化引起的誤差等。在數(shù)控車床加工中，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)誤差、車刀參數(shù)變化引起的誤差較為普遍。下面對(duì)這兩種影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。
3.1 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素
由數(shù)控車床工作原理可知，伺服系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)車床部件完成零件的加工，其具體過(guò)程為：數(shù)控車床的定位由滾珠絲杠完成，滾珠絲杠由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差成為定位精度影響因素之一。
數(shù)控車床一般采用半閉環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)控制，其工作原理如圖2 所示［3］。在正常加工過(guò)程，絲杠由伺服電機(jī)控制進(jìn)行反方向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)空隙的空運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成反向間隙誤差。同時(shí)數(shù)控車床的傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在外力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，并且加工部位與車床其他部位受力不同，造成彈性間隙發(fā)生也影響加工精度。此部分誤差為反向間隙誤差和正向傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)誤差的疊加。
3.2 車刀參數(shù)變化因素
數(shù)控車床的加工過(guò)程主要是車刀在編程控制下對(duì)零件進(jìn)行切削，達(dá)到所需的工件形狀。車削加工的車刀存在主偏角和刀尖圓弧半徑［4］，對(duì)棒料類進(jìn)行加工時(shí)，其軸線尺寸會(huì)存在一定的偏差，這一偏差與主偏角成反比，隨主偏角的增大而減小，與刀尖圓弧半徑成正比。所以，在對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行編程時(shí)需要根據(jù)加工零件的特點(diǎn)，將軸向尺寸的偏差規(guī)律考慮在內(nèi)，對(duì)其相關(guān)位移長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)控車床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，車刀的刀尖圓弧半徑、主偏角、刀尖與零件中心的高度偏差等都可能影響數(shù)控車床的加工精度，需要在編程時(shí)進(jìn)行考慮和分析。
根據(jù)以往的研究，影響數(shù)控車床加工精度因素的影響程度存在一定的差別，對(duì)其匯總分類可得：車床本身誤差所占比例為45%~65%，加工中的過(guò)程誤差所占比例為25%~40%，檢測(cè)誤差所占比例為10%~15%。
4、提高數(shù)控車床加工精度的有效措施
如何提高數(shù)控車床的加工精度，生產(chǎn)出更加精密的零件，一直是學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)，根據(jù)數(shù)控車床加工精度的影響因素，可通過(guò)提高導(dǎo)軌幾何精度、誤差補(bǔ)償法、誤差防止法控制和提高加工精度。
1）提高導(dǎo)軌幾何精度。數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)為高切削速度、高加工精度，較高的切削速度必然會(huì)引起振動(dòng)，所以需要導(dǎo)軌具有較好的精度穩(wěn)定性和較高的剛度，可以采用鋼制滑動(dòng)軌道整體磨削的方法進(jìn)行提高。具體方法為：數(shù)控車床在設(shè)計(jì)時(shí)采用淬硬處理后的鋼制滑動(dòng)導(dǎo)軌，用螺釘固定在由導(dǎo)軌磨床磨削后的平面上，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌基座之間縫隙用注塑填充物進(jìn)行充實(shí)，最后進(jìn)行整體磨削，獲得較好的幾何精度。
2）誤差補(bǔ)償法。誤差補(bǔ)償法是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，對(duì)已存在的坐標(biāo)軸偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ炔桓叩能嚧部梢酝ㄟ^(guò)誤差補(bǔ)償法加工出較高精度的產(chǎn)品。此方法可由硬件或軟件完成。例如采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控車床，由于反向偏差的影響其定位精度存在誤差，可以采用對(duì)反向偏差補(bǔ)償?shù)氖侄蜗`差［5］。
3）誤差防止法。誤差防止法是在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造階段通過(guò)提高機(jī)械零件的精度來(lái)消除可能存在的誤差。此方法能夠從整體上較好地減小加工精度的誤差，但是成本較高，并且此數(shù)控車床在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)提高加工精度難度較大。
5、結(jié)語(yǔ)
隨著制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床作為一種高效率的自動(dòng)化機(jī)床被廣泛應(yīng)用，其加工精度的高低直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工作性能。本文在簡(jiǎn)要闡述數(shù)控車床組成和工作原理的基礎(chǔ)上，研究了數(shù)控車加工精度的影響因素，主要對(duì)其伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素和車刀參數(shù)變化因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。并提出了3 種提高數(shù)控車床加工精度的有效措施，分別為：提高導(dǎo)軌幾何精度、誤差補(bǔ)償法，誤差防止法。對(duì)于進(jìn)一步研究和分析數(shù)控車床加工精度具有一定的參考價(jià)值。
1、數(shù)控車床的組成
數(shù)控車床主要由4 部分組成：主機(jī)系統(tǒng)，數(shù)控編程系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加工輔助系統(tǒng)［1］。
1）主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)是機(jī)械加工的主體部分，主要實(shí)施對(duì)工件的切削加工。其組成部分主要由主軸、床身、立柱、進(jìn)給構(gòu)件等加工部件。
2）數(shù)控編程系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是有別于普通機(jī)床的關(guān)鍵部分，也是數(shù)控加工的核心部件，由硬件設(shè)備和相應(yīng)的軟件組成，主要完成機(jī)械加工的程序輸入和存儲(chǔ)，部分?jǐn)?shù)控機(jī)床也可以完成對(duì)輸入?yún)?shù)的加工和處理，完成某些特定的操作功能。
3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為數(shù)控車床加工提供原動(dòng)力，完成機(jī)械加工。主要包括主軸電機(jī)、主軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)給電機(jī)、進(jìn)給結(jié)構(gòu)等，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
4）加工輔助系統(tǒng)。加工輔助系統(tǒng)是指在加工生產(chǎn)過(guò)程中一些必要的輔助機(jī)構(gòu)，保證切削加工的順利完成。主要包括噴射機(jī)構(gòu)、排屑機(jī)構(gòu)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)機(jī)構(gòu)，主要作用為冷卻、排屑、照明、潤(rùn)滑等。
2、數(shù)控車床的工作原理
數(shù)控車床與普通車床在加工過(guò)程上有很大的區(qū)別，普通車床加工時(shí)需要加工人員根據(jù)零件加工圖不斷改變車刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)完成機(jī)械零件的加工。而數(shù)控車床是將刀具以及相關(guān)構(gòu)件通過(guò)數(shù)控編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)定，輸入NC 的裝置，通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的車床構(gòu)件完成零件的加工，其具體過(guò)程如圖1 所示［2］。
3、數(shù)控車床加工精度的影響因素
數(shù)控車床本身的機(jī)械加工精度以及伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精度都能夠影響數(shù)控車床的加工精度。具體細(xì)分影響數(shù)控車床加工精度的原因主要有車床本身幾何誤差、車床熱變形誤差、伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)誤差、車刀參數(shù)變化引起的誤差等。在數(shù)控車床加工中，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)誤差、車刀參數(shù)變化引起的誤差較為普遍。下面對(duì)這兩種影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。
3.1 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素
由數(shù)控車床工作原理可知，伺服系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)車床部件完成零件的加工，其具體過(guò)程為：數(shù)控車床的定位由滾珠絲杠完成，滾珠絲杠由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差成為定位精度影響因素之一。
數(shù)控車床一般采用半閉環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)控制，其工作原理如圖2 所示［3］。在正常加工過(guò)程，絲杠由伺服電機(jī)控制進(jìn)行反方向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)空隙的空運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成反向間隙誤差。同時(shí)數(shù)控車床的傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在外力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，并且加工部位與車床其他部位受力不同，造成彈性間隙發(fā)生也影響加工精度。此部分誤差為反向間隙誤差和正向傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)誤差的疊加。
3.2 車刀參數(shù)變化因素
數(shù)控車床的加工過(guò)程主要是車刀在編程控制下對(duì)零件進(jìn)行切削，達(dá)到所需的工件形狀。車削加工的車刀存在主偏角和刀尖圓弧半徑［4］，對(duì)棒料類進(jìn)行加工時(shí)，其軸線尺寸會(huì)存在一定的偏差，這一偏差與主偏角成反比，隨主偏角的增大而減小，與刀尖圓弧半徑成正比。所以，在對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行編程時(shí)需要根據(jù)加工零件的特點(diǎn)，將軸向尺寸的偏差規(guī)律考慮在內(nèi)，對(duì)其相關(guān)位移長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)控車床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，車刀的刀尖圓弧半徑、主偏角、刀尖與零件中心的高度偏差等都可能影響數(shù)控車床的加工精度，需要在編程時(shí)進(jìn)行考慮和分析。
根據(jù)以往的研究，影響數(shù)控車床加工精度因素的影響程度存在一定的差別，對(duì)其匯總分類可得：車床本身誤差所占比例為45%~65%，加工中的過(guò)程誤差所占比例為25%~40%，檢測(cè)誤差所占比例為10%~15%。
4、提高數(shù)控車床加工精度的有效措施
如何提高數(shù)控車床的加工精度，生產(chǎn)出更加精密的零件，一直是學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)，根據(jù)數(shù)控車床加工精度的影響因素，可通過(guò)提高導(dǎo)軌幾何精度、誤差補(bǔ)償法、誤差防止法控制和提高加工精度。
1）提高導(dǎo)軌幾何精度。數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)為高切削速度、高加工精度，較高的切削速度必然會(huì)引起振動(dòng)，所以需要導(dǎo)軌具有較好的精度穩(wěn)定性和較高的剛度，可以采用鋼制滑動(dòng)軌道整體磨削的方法進(jìn)行提高。具體方法為：數(shù)控車床在設(shè)計(jì)時(shí)采用淬硬處理后的鋼制滑動(dòng)導(dǎo)軌，用螺釘固定在由導(dǎo)軌磨床磨削后的平面上，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌基座之間縫隙用注塑填充物進(jìn)行充實(shí)，最后進(jìn)行整體磨削，獲得較好的幾何精度。
2）誤差補(bǔ)償法。誤差補(bǔ)償法是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，對(duì)已存在的坐標(biāo)軸偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ炔桓叩能嚧部梢酝ㄟ^(guò)誤差補(bǔ)償法加工出較高精度的產(chǎn)品。此方法可由硬件或軟件完成。例如采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控車床，由于反向偏差的影響其定位精度存在誤差，可以采用對(duì)反向偏差補(bǔ)償?shù)氖侄蜗`差［5］。
3）誤差防止法。誤差防止法是在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造階段通過(guò)提高機(jī)械零件的精度來(lái)消除可能存在的誤差。此方法能夠從整體上較好地減小加工精度的誤差，但是成本較高，并且此數(shù)控車床在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)提高加工精度難度較大。
5、結(jié)語(yǔ)
隨著制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控車床作為一種高效率的自動(dòng)化機(jī)床被廣泛應(yīng)用，其加工精度的高低直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和工作性能。本文在簡(jiǎn)要闡述數(shù)控車床組成和工作原理的基礎(chǔ)上，研究了數(shù)控車加工精度的影響因素，主要對(duì)其伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素和車刀參數(shù)變化因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。并提出了3 種提高數(shù)控車床加工精度的有效措施，分別為：提高導(dǎo)軌幾何精度、誤差補(bǔ)償法，誤差防止法。對(duì)于進(jìn)一步研究和分析數(shù)控車床加工精度具有一定的參考價(jià)值。
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