李　航

數(shù)控機(jī)床加工誤差原因分析及改進(jìn)措施

李航

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二六研究所，上海 閔行 201108)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精準(zhǔn)度要求也越來越高。數(shù)控機(jī)床得到快速推廣和普遍應(yīng)用，在一定程度上增加了機(jī)床加工出現(xiàn)誤差的幾率。通過研究數(shù)控機(jī)床的加工工藝，分析了導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床加工誤差的原因并提出了改進(jìn)措施，以有效降低加工誤差，提高數(shù)控機(jī)床加工的精度。

數(shù)控機(jī)床；加工誤差；誤差原因分析；改進(jìn)措施

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)已步入信息技術(shù)時(shí)代，自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備數(shù)量日益增多，對(duì)工業(yè)發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懗潭炔粩嗵嵘?。?shù)控機(jī)床是數(shù)字控制下機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是一種帶有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠有效地解決和處理復(fù)雜、精密、多樣化、小批量零部件的加工，代表著現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在實(shí)際加工過程中，數(shù)控機(jī)床受諸多因素的影響，會(huì)出現(xiàn)加工誤差，影響其工作質(zhì)量，導(dǎo)致其加工的產(chǎn)品出現(xiàn)誤差，影響生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和未來的發(fā)展。

1　數(shù)控機(jī)床加工誤差出現(xiàn)的原因

1.1　機(jī)床設(shè)備自身的誤差

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，把接受到的指令信息處理后轉(zhuǎn)換成機(jī)床執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的最后環(huán)節(jié)，其性能直接影響著加工的精度和速度，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也蘊(yùn)藏著一定的誤差風(fēng)險(xiǎn)。一方面，影響其產(chǎn)生誤差的原因是由于數(shù)控機(jī)床自身加工不精準(zhǔn)。數(shù)控機(jī)床的組成零件豐富，一般零件的組裝均是由人工操作完成，操作期間如果工作人員不規(guī)范或者存在無意識(shí)的操作都會(huì)造成加工誤差，此外，不同機(jī)床設(shè)備對(duì)精度得要求各不相同，如果出現(xiàn)零件錯(cuò)裝的情況，加工誤差必然會(huì)出現(xiàn)，例如，鋼珠生產(chǎn)的精度要求高于鋼筆生產(chǎn)的精度，若將鋼珠機(jī)床零件與鋼筆機(jī)床零件混裝，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)加工誤差。另一方面，在機(jī)床加工過程中，車床的運(yùn)轉(zhuǎn)需要伺服系統(tǒng)的推動(dòng)，伺服系統(tǒng)是車床加工的動(dòng)力源泉，伺服電機(jī)的功能是精準(zhǔn)控制機(jī)械零件的加工位置，方便車床技術(shù)人員進(jìn)行零件加工與技術(shù)操作，如果機(jī)床設(shè)備自身存在誤差也會(huì)影響伺服系統(tǒng)。

1.2　設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的誤差

①傳統(tǒng)軸反轉(zhuǎn)誤差。數(shù)控機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，坐標(biāo)軸移動(dòng)或靜止都會(huì)使機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)過加速或者是減速的流程，在此過程中受設(shè)備運(yùn)行的慣性作用以及驅(qū)動(dòng)加、減速度的影響，容易產(chǎn)生加工誤差。同時(shí)，傳動(dòng)軸的各零部件間存在一定間隙，容易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)停止的問題，進(jìn)而造成機(jī)床加工誤差[1]。②數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)需要持續(xù)、穩(wěn)定的電流，在加工過程如果出現(xiàn)電流中斷或者不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床加工時(shí)的電流起伏變化，不利于機(jī)床加工的平穩(wěn)性和持續(xù)性，容易產(chǎn)生加工誤差。③數(shù)控機(jī)床的車刀刀尖如果出現(xiàn)偏角以及圓弧的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的削切操作缺乏精準(zhǔn)性，容易產(chǎn)生加工誤差。

1.3　設(shè)備磨損老化產(chǎn)生的誤差

①滾珠絲杠傳動(dòng)誤差。機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，滾珠絲因長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生大量的熱，會(huì)致使?jié)L珠絲發(fā)生變形，隨著作業(yè)時(shí)間增加會(huì)導(dǎo)致滾珠絲的精準(zhǔn)性降低，進(jìn)而產(chǎn)生傳動(dòng)誤差。②環(huán)境溫度誤差。受諸多如振動(dòng)、粉塵等因素的干擾，設(shè)備的精準(zhǔn)度會(huì)有所下降。設(shè)備工作時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)溫度會(huì)逐步升高，如若缺少降溫措施或者是降溫處理不及時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不良影響，致使誤差出現(xiàn)[2]。③刀具磨損誤差。數(shù)控機(jī)床加工的零件不同，所選擇的刀具也會(huì)不同。車刀是各刀具中損耗最明顯的工具，高溫作業(yè)下車刀會(huì)出現(xiàn)磨損與變形的現(xiàn)象，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。

1.4　系統(tǒng)編碼設(shè)置產(chǎn)生的誤差

①系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置誤差。數(shù)控參數(shù)的精準(zhǔn)校對(duì)是減少參數(shù)誤差的有效方式，技術(shù)人需要測(cè)量零件的外輪廓尺寸，依據(jù)零件尺寸校對(duì)數(shù)控編程參數(shù)值，有利于提高相關(guān)參數(shù)值設(shè)置的精準(zhǔn)度。如若校正期間有一組參數(shù)值不符合零件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，則加工過程中便會(huì)出現(xiàn)誤差。②脈沖編碼器數(shù)字化處理誤差。車床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖編碼器會(huì)按要求發(fā)送脈號(hào)指令，以此精準(zhǔn)控制傳動(dòng)軸的加工流程。在數(shù)字化背景下，零件的精準(zhǔn)尺寸會(huì)轉(zhuǎn)化為整數(shù)形式的脈沖當(dāng)量，產(chǎn)生小數(shù)點(diǎn)誤差。③程序編輯處理誤差。程序編輯應(yīng)先確定原點(diǎn)位置并完成坐標(biāo)編譯，若原點(diǎn)位置的確定出現(xiàn)偏差，則勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生加工誤差。

2　數(shù)控機(jī)床加工誤差的改進(jìn)措施

2.1　提升設(shè)備性能與精度

數(shù)字化生產(chǎn)時(shí)代要求數(shù)控機(jī)床的加工技術(shù)必須及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化與升級(jí)，提高機(jī)床加工的精準(zhǔn)性。隨著經(jīng)濟(jì)和機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)床精準(zhǔn)度的要求也在不斷提升，數(shù)控機(jī)床的性能逐漸獲得完善。例如，近年開發(fā)出的高檔液壓全數(shù)字化數(shù)控機(jī)床就引用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，能夠有效減少驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中由于加速或者是減速而產(chǎn)生的誤差，除此之外，該機(jī)床設(shè)備的車床設(shè)計(jì)有所改善，其承載力增加，導(dǎo)軌精度更加精確，減小了車床的自重力，使得車床的振動(dòng)扭曲效率提升，有利于為車床運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性提供保障，同時(shí)，車床的車刀設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化，可確保加工始終穩(wěn)定[3]。

2.2　矯正伺服系統(tǒng)誤差

伺服系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)組運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，不同的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)會(huì)設(shè)置不同的加工軌跡，以確保數(shù)控機(jī)床加工的靈活性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工精度符合0.1微米的標(biāo)準(zhǔn)[4]。伺服系統(tǒng)對(duì)車刀加工速度以及范圍具有一定的控制作用，對(duì)傳動(dòng)組扭矩具有靈活調(diào)整的功能，因此，矯正伺服系統(tǒng)誤差，有利于提升數(shù)控機(jī)床的加工精度。矯正伺服系統(tǒng)需要優(yōu)化與升伺服級(jí)系統(tǒng)的元器件，淘汰老化的元器件，重新配置高性能和高質(zhì)量的元器件。由于伺服系統(tǒng)同時(shí)還具有加工圓弧的功能，而圓弧的加工工藝比較復(fù)雜，需要加工人員依據(jù)實(shí)際加工狀況合理選擇伺服系統(tǒng)的控制類型，減少加工誤差。

2.3　誤差補(bǔ)償

在實(shí)際加工過程中要避免數(shù)控機(jī)床的加工誤差，除了盡可能的降低誤差出現(xiàn)的幾率外，還可以通過誤差補(bǔ)償?shù)姆绞綔p少加工誤差。誤差補(bǔ)償法即依據(jù)誤差值提前設(shè)置好相近的補(bǔ)償值，以此縮小誤差范圍，實(shí)現(xiàn)誤差的有效控制，數(shù)控機(jī)床加工中的車刀刀尖磨損誤差、脈沖轉(zhuǎn)換誤差等都可以使用補(bǔ)償值的方式。誤差補(bǔ)償法能夠最大限度減少誤差值，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工的精準(zhǔn)校對(duì)[5]。數(shù)控機(jī)床的設(shè)備類型不同，其誤差補(bǔ)償值也應(yīng)不同，依據(jù)設(shè)備實(shí)際的加工工藝預(yù)算誤差值，并設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)償值，有利于減少實(shí)際加工過程中產(chǎn)生的不良影響因素。優(yōu)化機(jī)床加工環(huán)境及編程方案，也有利于誤差補(bǔ)償值的精準(zhǔn)設(shè)置。

2.4　加強(qiáng)機(jī)床設(shè)備保養(yǎng)

數(shù)控機(jī)床作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、使用頻率高，難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化與磨損的問題，規(guī)范使用機(jī)床設(shè)備并注重日常機(jī)床設(shè)備的保養(yǎng)工作，有利于降低設(shè)備的磨損程度，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，保證設(shè)備的加工精度。加強(qiáng)機(jī)床設(shè)備的檢修與養(yǎng)護(hù)，需要相關(guān)人員具有較高的職業(yè)素養(yǎng)和設(shè)備養(yǎng)護(hù)專業(yè)知識(shí)技能，能夠嚴(yán)格遵照機(jī)床的養(yǎng)護(hù)流程完成設(shè)備的日常護(hù)理工作，定期檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，做好實(shí)時(shí)監(jiān)督加工的管控工作[6]。尤其是加工操作的一線工作人員，必須持證上崗，具有一定的責(zé)任感與工作熱情，對(duì)機(jī)床設(shè)備操作嫻熟，有利于減少因人為操作產(chǎn)生的加工誤差。

3　結(jié)語

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，產(chǎn)生誤差的原因有很多，例如機(jī)床設(shè)備自身設(shè)置問題、機(jī)床設(shè)備運(yùn)行問題、機(jī)床設(shè)備老化問題以及系統(tǒng)編碼設(shè)置有誤等，機(jī)床加工的每一環(huán)節(jié)都存在誤差風(fēng)險(xiǎn)，需要相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)真、負(fù)責(zé)任地對(duì)待數(shù)控機(jī)床的加工工作，熟知并熟練掌握加工工藝，依據(jù)具體問題具體分析的原則，采取提升設(shè)備性能、實(shí)施誤差補(bǔ)償以及注重機(jī)床設(shè)備保養(yǎng)等措施避免加工誤差的發(fā)生，保證數(shù)控機(jī)床的加工精度和質(zhì)量。

[1] 高帆.數(shù)控機(jī)床加工誤差原因分析及改進(jìn)措施[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2020(16):89-90.

[2] 牛亞軍.數(shù)控機(jī)床加工過程綜合誤差分析[J].現(xiàn)代農(nóng)機(jī),2020(5):58-59.

[3] 王曹宇.機(jī)械加工誤差分析與工藝改進(jìn)[J].南方農(nóng)機(jī), 2017,48(2):40.

[4] 黃洛.數(shù)控機(jī)床加工精度在線測(cè)量與誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2017.

[5] 王桂龍.數(shù)控機(jī)床加工精度的影響因素及改善措施[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2018(9):10-11.

[6] 馬麗,賈大明.收割機(jī)復(fù)雜零件多軸數(shù)控機(jī)床加工誤差控制優(yōu)化仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2021,43(10):37-41.

Analysis on the causes of machining errors in CNC machine tools and improvement measures

LI Hang

(The 726th Research Institute of China State Shipbuilding Corporation, Minhang District, Shanghai 201108, China)

In recent years, the development of science and technology has gradually expanded the application range of CNC machine tools, and the processing accuracy requirements of CNC machine tools have become higher and higher. The rapid promotion and widespread application of CNC machine tools have increased the probability of errors in machine tool processing to a certain extent. The machining technology of CNC machine tools is further studied, the reasons for the machining errors of CNC machine tools are analyzed, and improvement measures are proposed to effectively reduce the machining errors and improve the machining accuracy of CNC machine tools.

CNC machine tool; machining error; error cause analysis; improvement measures

TG659

A

2096–8736(2021)06–0023–03

李航，男，江西吉安人，大學(xué)本科，高級(jí)技師，機(jī)械加工工藝師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械、數(shù)控加工。

責(zé)任編輯：陽(yáng)湘暉

英文編輯：唐琦軍