張靜雙　楊繼華

摘 要：社會(huì)的迅猛發(fā)展給數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用提供了更多的便利條件，而且，目前我國(guó)機(jī)械加工技術(shù)水平日益提升，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度性能也提出了更加嚴(yán)格的要求。文章主要對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的影響因素進(jìn)行詳細(xì)闡述，分析其影響情況以及原因，提出有效的優(yōu)化措施，進(jìn)而推動(dòng)數(shù)控機(jī)床的高精度發(fā)展進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；機(jī)床精度；影響因素；優(yōu)化措施

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0139-02

Abstract： The rapid development of society has provided more convenient conditions for the use of CNC machine tools. Moreover， at present， the level of machining technology in China is improving day by day， and people have put forward more stringent requirements for the accuracy and performance of CNC machine tools. In this paper， the factors that affect the accuracy of CNC machine tools are described in detail， the influence situation and reasons are analyzed， and effective optimization measures are put forward， to promote the development process of high precision CNC machine tools.

Keywords： numerical control machine tools； machine tool precision； influencing factors； optimization measures

1 我國(guó)數(shù)控機(jī)床以及精度評(píng)價(jià)方法的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段高精尖的數(shù)控機(jī)床主要應(yīng)用在我國(guó)航空、軍工、汽車以及發(fā)電儀器等制造行業(yè)。我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)擁有幾十年的發(fā)展時(shí)間，并且已取得了顯著的成果，目前已經(jīng)掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服動(dòng)力、主機(jī)研發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，其中還有一些核心技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)是當(dāng)今社會(huì)數(shù)控機(jī)床消費(fèi)量最大的大國(guó)，自己研發(fā)的數(shù)控機(jī)床的比例逐漸增加，相關(guān)數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的人才團(tuán)隊(duì)也在迅速擴(kuò)大。不過，現(xiàn)階段自主研發(fā)的數(shù)控機(jī)床一些技術(shù)依舊存在諸多的問題，舉例而言：自主研發(fā)的數(shù)控機(jī)床在外觀上和進(jìn)口數(shù)控機(jī)床基本一致，作用也不分上下，可是在性能和精度上卻相差較多，進(jìn)而造成“形”像卻“神”不像的狀況。

1.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國(guó)數(shù)控機(jī)床評(píng)價(jià)方法主要包括以下幾種：第一種，數(shù)控機(jī)床神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法：該精度評(píng)價(jià)方法的英文簡(jiǎn)稱為ANN（全稱是Artificial Neural Network）。該方法主要特點(diǎn)是利用一種非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過對(duì)樣本進(jìn)行收集、采樣，并對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)估內(nèi)容進(jìn)行研究、分析，最終得出較為全面且客觀的評(píng)價(jià)結(jié)論。該評(píng)價(jià)方法擁有十分強(qiáng)大的自組合、自適應(yīng)以及自學(xué)習(xí)的能力。不過該評(píng)估方法存在的問題有：不能科學(xué)、有效的對(duì)初始樣本進(jìn)行提取，所以必須與其他類別的評(píng)估方法配合使用。第二種，數(shù)控機(jī)床粗糖精度評(píng)價(jià)方法：該精度評(píng)價(jià)方法的英文簡(jiǎn)稱是RST（全稱是Rough Set Theory）。這種精度評(píng)價(jià)方法可以有效的解決不穩(wěn)定性以及模糊較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)信息，還可以把與權(quán)重有關(guān)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成粗糖屬性的評(píng)價(jià)內(nèi)容。第三種，數(shù)控機(jī)床模糊精度評(píng)價(jià)方法：該精度評(píng)價(jià)方法的英文簡(jiǎn)稱是FS（全稱是Fuzzy Sets）。該精度評(píng)價(jià)方法是在上世紀(jì)末期由 Lotfi以及A.Zadeh 等一些自動(dòng)控制專家、學(xué)者提出的。該精度評(píng)價(jià)方法一般是用于展現(xiàn)部分事物的不穩(wěn)定性以及模糊性。模糊數(shù)學(xué)是Fuzzy Sets評(píng)價(jià)理論的本質(zhì)內(nèi)容，該評(píng)價(jià)原理可以把非定量評(píng)價(jià)的內(nèi)容，通過模糊數(shù)學(xué)的隸屬度模式給轉(zhuǎn)換成定量評(píng)價(jià)的內(nèi)容。換言之，該精度評(píng)價(jià)方法能夠把受到各類因素、因子影響的對(duì)象以及物件，通過模糊數(shù)學(xué)原理獲取到較為科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)整體?？偠灾瑪?shù)控機(jī)床模糊精度評(píng)價(jià)方法可以有效的處理難以量化以及模糊等內(nèi)容，而且還擅于解決諸多不穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)問題。

2 數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

我國(guó)應(yīng)用數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法的時(shí)間相對(duì)較短，不過隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，與其有關(guān)的精度要求準(zhǔn)則正在不斷提升，人們對(duì)數(shù)控機(jī)床技術(shù)加工的要求也變得更加嚴(yán)格。下面筆者將從數(shù)控機(jī)床工作精度的穩(wěn)態(tài)誤差、瞬態(tài)誤差以及勻速度波動(dòng)誤差這三方面的工作精度綜合評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行研究與分析。首先，穩(wěn)態(tài)誤差是數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)方法當(dāng)中最為關(guān)注的因素之一，數(shù)控機(jī)床工作精度的穩(wěn)態(tài)誤差主要代表著一種跟隨性精度誤差。這是由于實(shí)際的數(shù)控機(jī)床工作位移和位移命令之間存在滯后的現(xiàn)象，因此產(chǎn)生此類穩(wěn)態(tài)誤差。在數(shù)控機(jī)床單軸穩(wěn)態(tài)情況下，隨著工作時(shí)長(zhǎng)的不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)庫當(dāng)中的命令型系數(shù)所產(chǎn)生的滯后現(xiàn)象主要包含兩方面內(nèi)容，一方面是伺服管控內(nèi)容，另一方面是減速環(huán)節(jié)程序。標(biāo)準(zhǔn)庫當(dāng)中的命令型系數(shù)沒有由于有關(guān)命令的下達(dá)而在第一時(shí)間做出相應(yīng)的改變，所以由于時(shí)間的滯后造成穩(wěn)態(tài)誤差的產(chǎn)生，這種因滯后產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，其自身的位置信號(hào)和命令速度的變化保持一致。其次，瞬態(tài)誤差也是數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)工作最重要的因素之一，數(shù)控機(jī)床的實(shí)際工作精度瞬態(tài)誤差主要代表的是：數(shù)控機(jī)床在單軸工作環(huán)節(jié)中突發(fā)性的出現(xiàn)啟停以及突然換向等情況，由于命令的變化速度之快、命令間隙以及系統(tǒng)重新調(diào)試等環(huán)節(jié)，造成工作位移于傳輸?shù)拿钪g存在的差異大小。最后，勻速度波動(dòng)誤差同樣是數(shù)控機(jī)床精度評(píng)價(jià)工作的核心內(nèi)容，勻速度波動(dòng)誤差主要指的是數(shù)控機(jī)床在勻速工作的環(huán)節(jié)中命令下達(dá)的速度和實(shí)際工作的速度之間的誤差數(shù)值，數(shù)控機(jī)床在穩(wěn)定速度速命令下由于控制離散差異、摩擦和負(fù)載變化、伺服力矩改變等原因造成的偏差。數(shù)控機(jī)床加工速率的改變大小和頻率會(huì)直接影響著加工零部件的表面質(zhì)量好壞程度。

3 影響數(shù)控機(jī)床的主要因素

3.1 機(jī)床形狀變化

數(shù)控機(jī)床自身的剛度以及熱變形情況是決定機(jī)床形狀變化的重要因素。主要體現(xiàn)在以下兩方面內(nèi)容：一方面，數(shù)字機(jī)床的剛度是指數(shù)控機(jī)床是在外力作用下，以機(jī)床形狀不變化為基準(zhǔn)，機(jī)床可以承擔(dān)的最大應(yīng)力。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的工作環(huán)境十分復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備、器件之間出現(xiàn)摩擦接觸的情況十分頻繁，倘若數(shù)控機(jī)床的剛度不能滿足基本要求，數(shù)控機(jī)床自身的器件在受到外力干擾情況下就很容易出現(xiàn)錯(cuò)位以及脫落的情況，進(jìn)而影響數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)作。另一方面，數(shù)控機(jī)床的外部熱源以及自身熱源所產(chǎn)生的熱變形對(duì)數(shù)控機(jī)床也會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。外部熱源主要包括自然光線以及工作環(huán)境溫度；自身熱源主要包括軸承之間摩擦、器件工作構(gòu)成的熱量。與此同時(shí)，數(shù)控機(jī)床所使用的材料也會(huì)對(duì)熱變形造成影響。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作所產(chǎn)生的熱變形因素是影響其出現(xiàn)工作誤差的最主要原因，特別是針對(duì)自動(dòng)化精度較高的機(jī)床而言。

3.2 數(shù)控機(jī)床抖動(dòng)

數(shù)控機(jī)床在工作環(huán)節(jié)中，總是會(huì)出現(xiàn)不同程度的抖動(dòng)情況，因?yàn)槎秳?dòng)情況的存在，數(shù)控機(jī)床自身器件之間的嚙合狀況就會(huì)受到比較嚴(yán)重的影響，影響嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)降低數(shù)控機(jī)床的刀具使用期限，從而數(shù)控機(jī)床的加工精度也會(huì)大打折扣，給機(jī)床的長(zhǎng)期工作帶來負(fù)面作用。

3.3 數(shù)控系統(tǒng)性能問題

數(shù)控系統(tǒng)性能問題主要指的是數(shù)控制系統(tǒng)在計(jì)算過程中出現(xiàn)的誤差現(xiàn)象，在數(shù)控機(jī)床工作過程中，伺服機(jī)構(gòu)的工作平穩(wěn)性，檢查機(jī)構(gòu)的安裝穩(wěn)定性以及檢查精度等性能問題都會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度造成影響。

4 針對(duì)數(shù)控機(jī)床精度問題應(yīng)采取的優(yōu)化措施

4.1 改變數(shù)控機(jī)床主軸的精度

除了數(shù)控機(jī)床床身之外，主軸也是數(shù)控機(jī)床是最重要的零部件之一。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工處理的零件精度時(shí)，基本都是由數(shù)控機(jī)床的主軸精度和主軸對(duì)導(dǎo)軌以及關(guān)鍵零部件的位置精度決定。改變數(shù)控機(jī)床主軸精度的過程中，一定要關(guān)注主軸和處理進(jìn)給方向的平行情況；針對(duì)多軸箱而言，要關(guān)注不同距離，加工精度需求較高的主軸和模板套筒的同軸情況；在使用有關(guān)夾具、模型以及機(jī)床多軸設(shè)備時(shí)必須關(guān)注相對(duì)位置的情況，如果出現(xiàn)不合理情況必須及時(shí)進(jìn)行改變和調(diào)整；對(duì)于孔深大小有明確要求的零件，在使用數(shù)控機(jī)床加工時(shí)必須關(guān)注軸向處理位置的實(shí)時(shí)變化情況。

4.2 對(duì)數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌精度進(jìn)行提升

在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌維修過程中，由于不同儀器的特征不一樣，修復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌面時(shí)所需要使用的方法差別也較大，以下幾種是應(yīng)用最為廣泛的方法：刮研法、精磨代刮法。針對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過淬硬加工的導(dǎo)軌面而言，一般只能使用精磨代刮法，而不建議使用刮研法。針對(duì)一些磨損面較多的導(dǎo)軌而言，無論是使用刨削代刮法還是精磨代刮法，在進(jìn)行修復(fù)過程中每一次代刮之后的殘余數(shù)量都必須保證在最低數(shù)值范圍以下，只有這樣才能有效避免對(duì)導(dǎo)軌自身的剛度造成負(fù)面效應(yīng)。針對(duì)急需進(jìn)行大面積修維護(hù)但磨損數(shù)量較少的導(dǎo)軌而言，其表面出現(xiàn)較為明顯的溝槽、痕跡或是拉毛等狀況時(shí)，建議使用環(huán)氧樹脂（石英粉）進(jìn)行后期處理，在進(jìn)行補(bǔ)焊的過程中可以應(yīng)用如下工具：巴氏合金焊條、鑄鐵冷焊條以及、銀焊條等等。

4.3 使用誤差補(bǔ)償技術(shù)

使用誤差補(bǔ)償技術(shù)可以有效的提升數(shù)控機(jī)床的精度，使用誤差補(bǔ)償技術(shù)需要考慮到以下幾種情況：第一，目前采用反向偏差補(bǔ)償技術(shù)的自主研發(fā)數(shù)控機(jī)床，其精度大多數(shù)都超過0.025mm，可是補(bǔ)償作用不夠明顯。針對(duì)以上數(shù)控機(jī)床而言，在特定的場(chǎng)景下，可以通過編程的途徑來提高定位精度，減少間隙大小，在保證機(jī)械構(gòu)件不發(fā)生變化的狀況下，只要確保單向定位處于插補(bǔ)源頭，就可以進(jìn)行正常的插補(bǔ)處理工作。針對(duì)其他類型的數(shù)控機(jī)床而言，一般在數(shù)控儀器內(nèi)部設(shè)置多個(gè)位置信息，目的在于存儲(chǔ)間隙數(shù)值大小。倘若數(shù)控機(jī)床的軸端被要求改變運(yùn)動(dòng)軌跡，數(shù)控機(jī)床就可以自行的獲取相應(yīng)軸端的間隙數(shù)值大小，并且對(duì)位置信息進(jìn)行補(bǔ)償和修訂工作，讓數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地控制，進(jìn)而減少反向偏差對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的負(fù)面作用。第二，如果檢測(cè)到數(shù)控機(jī)床的定位偏差過大，超出定位偏差最大范疇，就需要對(duì)數(shù)控機(jī)床采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。誤差補(bǔ)償技術(shù)主要指的是人工對(duì)機(jī)床CNC系統(tǒng)進(jìn)行修訂，進(jìn)而降低定位誤差。該過程的操作流程如下：第一，對(duì)數(shù)控機(jī)床的CNC控制系統(tǒng)進(jìn)行備份，確保已有的補(bǔ)償系數(shù)安全、可靠。第二，通過數(shù)字通訊技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床CNC程序進(jìn)行編寫和修訂，并把最終信息傳輸給數(shù)控機(jī)床CNC系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床由于長(zhǎng)時(shí)間工作，其自身器件很容易出現(xiàn)不同程度的磨損情況，進(jìn)而使得機(jī)床精度下降。因此，在對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行使用時(shí)需要加大對(duì)儀器的關(guān)注力度，必須應(yīng)用科學(xué)、安全的方法對(duì)影響數(shù)控機(jī)床精度的因素進(jìn)行處理，只有這樣才能保證數(shù)控機(jī)床擁有最好的工作狀態(tài)，零件的加工質(zhì)量也會(huì)得到進(jìn)一步提升。

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