數控車床加工精度的影響因素及提高措施
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發(fā)表時間：2020-09-26 16:13:15
數控車床在如今的機械制造業(yè)中已得到廣泛的應用，為企業(yè)和社會創(chuàng)造十分顯著的經濟效益。機械產品的精度直接影響著產品的工作性能，而數控車床的精度控制直接影響著所加工機械產品的精度。隨著機械制造業(yè)的發(fā)展，對機械產品的精度要求越來越高，相應地對于數控車床的加工精度也提出了更高的要求。就一般數控車床而言，其加工精度大體由4
部分決定：車床本身制造的精度；數控編程精度；車床伺服系統(tǒng)精度；插補環(huán)節(jié)的精度。車床在加工過程中每一個過程因素也都有可能影響到加工精度，例如卡緊環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)以及外部環(huán)境等。所以對數控車床的精度控制要進行綜合考慮和控制。
1、數控車床的組成
數控車床主要由4 部分組成：主機系統(tǒng)，數控編程系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)，加工輔助系統(tǒng)［1］。
1）主機系統(tǒng)。主機系統(tǒng)是機械加工的主體部分，主要實施對工件的切削加工。其組成部分主要由主軸、床身、立柱、進給構件等加工部件。
2）數控編程系統(tǒng)。數控系統(tǒng)是有別于普通機床的關鍵部分，也是數控加工的核心部件，由硬件設備和相應的軟件組成，主要完成機械加工的程序輸入和存儲，部分數控機床也可以完成對輸入參數的加工和處理，完成某些特定的操作功能。
3）驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)為數控車床加工提供原動力，完成機械加工。主要包括主軸電機、主軸驅動結構、進給電機、進給結構等，通過伺服機構由驅動系統(tǒng)控制實現主軸運動和進給運動。
4）加工輔助系統(tǒng)。加工輔助系統(tǒng)是指在加工生產過程中一些必要的輔助機構，保證切削加工的順利完成。主要包括噴射機構、排屑機構、數控轉臺、監(jiān)測與檢測機構，主要作用為冷卻、排屑、照明、潤滑等。
2、數控車床的工作原理
數控車床與普通車床在加工過程上有很大的區(qū)別，普通車床加工時需要加工人員根據零件加工圖不斷改變車刀的運動軌跡，來完成機械零件的加工。而數控車床是將刀具以及相關構件通過數控編程語言進行設定，輸入NC 的裝置，通過伺服系統(tǒng)驅動相應的車床構件完成零件的加工，其具體過程如圖1 所示［2］。
3、數控車床加工精度的影響因素
數控車床本身的機械加工精度以及伺服系統(tǒng)驅動精度都能夠影響數控車床的加工精度。具體細分影響數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)驅動誤差、車刀參數變化引起的誤差等。在數控車床加工中，伺服系統(tǒng)驅動誤差、車刀參數變化引起的誤差較為普遍。下面對這兩種影響因素進行詳細分析。
3.1 伺服系統(tǒng)驅動因素
由數控車床工作原理可知，伺服系統(tǒng)通過驅動車床部件完成零件的加工，其具體過程為：數控車床的定位由滾珠絲杠完成，滾珠絲杠由伺服電機驅動進行控制，滾珠絲杠的傳動誤差成為定位精度影響因素之一。
數控車床一般采用半閉環(huán)控制伺服進給系統(tǒng)控制，其工作原理如圖2 所示［3］。在正常加工過程，絲杠由伺服電機控制進行反方向運轉時，會出現空隙的空運轉現象，造成反向間隙誤差。同時數控車床的傳動和運動機構在外力作用下會產生彈性變形，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運轉誤差的疊加。
3.2 車刀參數變化因素
數控車床的加工過程主要是車刀在編程控制下對零件進行切削，達到所需的工件形狀。車削加工的車刀存在主偏角和刀尖圓弧半徑［4］，對棒料類進行加工時，其軸線尺寸會存在一定的偏差，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，在對數控車床進行編程時需要根據加工零件的特點，將軸向尺寸的偏差規(guī)律考慮在內，對其相關位移長度進行調整。在數控車床運轉時，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控車床的加工精度，需要在編程時進行考慮和分析。
根據以往的研究，影響數控車床加工精度因素的影響程度存在一定的差別，對其匯總分類可得：車床本身誤差所占比例為45%~65%，加工中的過程誤差所占比例為25%~40%，檢測誤差所占比例為10%~15%。
4、提高數控車床加工精度的有效措施
如何提高數控車床的加工精度，生產出更加精密的零件，一直是學者關注和研究的重點，根據數控車床加工精度的影響因素，可通過提高導軌幾何精度、誤差補償法、誤差防止法控制和提高加工精度。
1）提高導軌幾何精度。數控車床的發(fā)展趨勢為高切削速度、高加工精度，較高的切削速度必然會引起振動，所以需要導軌具有較好的精度穩(wěn)定性和較高的剛度，可以采用鋼制滑動軌道整體磨削的方法進行提高。具體方法為：數控車床在設計時采用淬硬處理后的鋼制滑動導軌，用螺釘固定在由導軌磨床磨削后的平面上，導軌與導軌基座之間縫隙用注塑填充物進行充實，最后進行整體磨削，獲得較好的幾何精度。
2）誤差補償法。誤差補償法是通過數控系統(tǒng)的補償功能，對已存在的坐標軸偏差進行補償的方法，精度不高的車床可以通過誤差補償法加工出較高精度的產品。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，可以采用對反向偏差補償的手段消除誤差［5］。
3）誤差防止法。誤差防止法是在數控機床的設計和制造階段通過提高機械零件的精度來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，并且此數控車床在原有基礎上繼續(xù)提高加工精度難度較大。
5、結語
隨著制造業(yè)的發(fā)展，數控車床作為一種高效率的自動化機床被廣泛應用，其加工精度的高低直接影響產品的質量和工作性能。本文在簡要闡述數控車床組成和工作原理的基礎上，研究了數控車加工精度的影響因素，主要對其伺服系統(tǒng)驅動因素和車刀參數變化因素進行了詳細分析。并提出了3 種提高數控車床加工精度的有效措施，分別為：提高導軌幾何精度、誤差補償法，誤差防止法。對于進一步研究和分析數控車床加工精度具有一定的參考價值。
1、數控車床的組成
數控車床主要由4 部分組成：主機系統(tǒng)，數控編程系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)，加工輔助系統(tǒng)［1］。
1）主機系統(tǒng)。主機系統(tǒng)是機械加工的主體部分，主要實施對工件的切削加工。其組成部分主要由主軸、床身、立柱、進給構件等加工部件。
2）數控編程系統(tǒng)。數控系統(tǒng)是有別于普通機床的關鍵部分，也是數控加工的核心部件，由硬件設備和相應的軟件組成，主要完成機械加工的程序輸入和存儲，部分數控機床也可以完成對輸入參數的加工和處理，完成某些特定的操作功能。
3）驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)為數控車床加工提供原動力，完成機械加工。主要包括主軸電機、主軸驅動結構、進給電機、進給結構等，通過伺服機構由驅動系統(tǒng)控制實現主軸運動和進給運動。
4）加工輔助系統(tǒng)。加工輔助系統(tǒng)是指在加工生產過程中一些必要的輔助機構，保證切削加工的順利完成。主要包括噴射機構、排屑機構、數控轉臺、監(jiān)測與檢測機構，主要作用為冷卻、排屑、照明、潤滑等。
2、數控車床的工作原理
數控車床與普通車床在加工過程上有很大的區(qū)別，普通車床加工時需要加工人員根據零件加工圖不斷改變車刀的運動軌跡，來完成機械零件的加工。而數控車床是將刀具以及相關構件通過數控編程語言進行設定，輸入NC 的裝置，通過伺服系統(tǒng)驅動相應的車床構件完成零件的加工，其具體過程如圖1 所示［2］。
3、數控車床加工精度的影響因素
數控車床本身的機械加工精度以及伺服系統(tǒng)驅動精度都能夠影響數控車床的加工精度。具體細分影響數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)驅動誤差、車刀參數變化引起的誤差等。在數控車床加工中，伺服系統(tǒng)驅動誤差、車刀參數變化引起的誤差較為普遍。下面對這兩種影響因素進行詳細分析。
3.1 伺服系統(tǒng)驅動因素
由數控車床工作原理可知，伺服系統(tǒng)通過驅動車床部件完成零件的加工，其具體過程為：數控車床的定位由滾珠絲杠完成，滾珠絲杠由伺服電機驅動進行控制，滾珠絲杠的傳動誤差成為定位精度影響因素之一。
數控車床一般采用半閉環(huán)控制伺服進給系統(tǒng)控制，其工作原理如圖2 所示［3］。在正常加工過程，絲杠由伺服電機控制進行反方向運轉時，會出現空隙的空運轉現象，造成反向間隙誤差。同時數控車床的傳動和運動機構在外力作用下會產生彈性變形，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運轉誤差的疊加。
3.2 車刀參數變化因素
數控車床的加工過程主要是車刀在編程控制下對零件進行切削，達到所需的工件形狀。車削加工的車刀存在主偏角和刀尖圓弧半徑［4］，對棒料類進行加工時，其軸線尺寸會存在一定的偏差，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，在對數控車床進行編程時需要根據加工零件的特點，將軸向尺寸的偏差規(guī)律考慮在內，對其相關位移長度進行調整。在數控車床運轉時，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控車床的加工精度，需要在編程時進行考慮和分析。
根據以往的研究，影響數控車床加工精度因素的影響程度存在一定的差別，對其匯總分類可得：車床本身誤差所占比例為45%~65%，加工中的過程誤差所占比例為25%~40%，檢測誤差所占比例為10%~15%。
4、提高數控車床加工精度的有效措施
如何提高數控車床的加工精度，生產出更加精密的零件，一直是學者關注和研究的重點，根據數控車床加工精度的影響因素，可通過提高導軌幾何精度、誤差補償法、誤差防止法控制和提高加工精度。
1）提高導軌幾何精度。數控車床的發(fā)展趨勢為高切削速度、高加工精度，較高的切削速度必然會引起振動，所以需要導軌具有較好的精度穩(wěn)定性和較高的剛度，可以采用鋼制滑動軌道整體磨削的方法進行提高。具體方法為：數控車床在設計時采用淬硬處理后的鋼制滑動導軌，用螺釘固定在由導軌磨床磨削后的平面上，導軌與導軌基座之間縫隙用注塑填充物進行充實，最后進行整體磨削，獲得較好的幾何精度。
2）誤差補償法。誤差補償法是通過數控系統(tǒng)的補償功能，對已存在的坐標軸偏差進行補償的方法，精度不高的車床可以通過誤差補償法加工出較高精度的產品。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，可以采用對反向偏差補償的手段消除誤差［5］。
3）誤差防止法。誤差防止法是在數控機床的設計和制造階段通過提高機械零件的精度來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，并且此數控車床在原有基礎上繼續(xù)提高加工精度難度較大。
5、結語
隨著制造業(yè)的發(fā)展，數控車床作為一種高效率的自動化機床被廣泛應用，其加工精度的高低直接影響產品的質量和工作性能。本文在簡要闡述數控車床組成和工作原理的基礎上，研究了數控車加工精度的影響因素，主要對其伺服系統(tǒng)驅動因素和車刀參數變化因素進行了詳細分析。并提出了3 種提高數控車床加工精度的有效措施，分別為：提高導軌幾何精度、誤差補償法，誤差防止法。對于進一步研究和分析數控車床加工精度具有一定的參考價值。
此文關鍵字：數控車床,加工,精度,影響,因素,提高,措施
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