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提高數(shù)控機(jī)床加工精度方法分析
數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率、適應(yīng)性強(qiáng)的現(xiàn)代加工設(shè)備。在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的加工精度也提出了越來越高的要求。在數(shù)控加工過程中，加工誤差來自各個(gè)方面，客觀存在是不可避免的。因此，研究如何提高數(shù)控機(jī)床的加工精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過減少誤差來源和誤差補(bǔ)償兩種方法可以提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。簡單地減少誤差來源或進(jìn)行誤差補(bǔ)償一般不能滿足精度要求，兩種方法需要同時(shí)使用。
一、減小誤差根源
一般來說，數(shù)控機(jī)床的加工誤差主要來自以下幾個(gè)方面：數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造誤差;加工系統(tǒng)熱變形引起的誤差;伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的跟隨誤差;加工過程中由于剛度和振動(dòng)不足引起的誤差;數(shù)控系統(tǒng)誤差;減少或消除誤差的根本原因是提高數(shù)控機(jī)床加工精度最直接、最有效的手段。
(1) 減少數(shù)控機(jī)床的幾何誤差。數(shù)控機(jī)床各部件的幾何精度是機(jī)床加工精度的基本保證。降低數(shù)控機(jī)床的幾何誤差可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行：①采用高精度數(shù)控機(jī)床主軸和主軸支撐;如：滾動(dòng)軸承、靜壓軸承、動(dòng)壓軸承、磁力軸承等;②采用高精度導(dǎo)軌;數(shù)控機(jī)床上常用的導(dǎo)軌有塑料導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。具有導(dǎo)向精度高、耐磨性好、剛度高等特點(diǎn)。③ 采用高精度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機(jī)床上最常用的傳動(dòng)裝置，具有高精度、高效率、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。④ 采用各種措施消除齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動(dòng)部件的間隙，提高機(jī)床的定位精度。
(2) 減少熱變形誤差。減少機(jī)床熱變形可采取以下三種措施：①減少熱源。采用新型電機(jī)和高效的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以起到減少熱源的作用。② 合理設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)。不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)具有不同的抗熱變形能力。合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地減少機(jī)床熱變形引起的誤差。③ 改善散熱和隔熱條件。
(3) 減小伺服系統(tǒng)跟隨誤差。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其性能在很大程度上決定著數(shù)控機(jī)床的性能。為了減小以下誤差，可采取以下措施：①開環(huán)控制。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，盡量采用高精度機(jī)床零件，以提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。如：靜壓導(dǎo)軌、靜壓主軸、高性能電機(jī)、滾珠絲杠等②閉環(huán)控制。采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過位置檢測反饋提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。③ 自適應(yīng)控制。采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)，可以在數(shù)控加工過程中根據(jù)加工條件的變化自動(dòng)改變切削參數(shù)，以達(dá)到最佳的加工效果。
(4) 減少振動(dòng)和剛度不足引起的誤差。數(shù)控機(jī)床必須在高速重載條件下工作，其主要部件要求高剛度，以抵抗加工過程中的變形，提高加工精度。主要措施如下：①主軸采用三支承結(jié)構(gòu)，選用剛性支承軸承。② 合理設(shè)計(jì)床身斷面及筋條布置;③動(dòng)態(tài)平衡消除主軸、齒輪等主要傳動(dòng)部件的間隙;④采用刮削法提高機(jī)床的接觸剛度
(5) 在數(shù)控系統(tǒng)誤差精度降低過程中，插補(bǔ)原理的誤差、數(shù)控系統(tǒng)中檢測元件的制造誤差、系統(tǒng)響應(yīng)速度、系統(tǒng)收斂性都會(huì)影響數(shù)控加工精度。降低數(shù)控系統(tǒng)誤差的措施有：①優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)原理;②提高系統(tǒng)檢測元件的精度和速度;③提高系統(tǒng)反饋頻率，加快系統(tǒng)收斂速度。
機(jī)床的抗振性是抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。高抗振性即在高速重切削條件下沒有振動(dòng)，從而保證工件的精度和質(zhì)量。提高機(jī)床抗振性的措施主要有：①減少機(jī)床的內(nèi)部振源;②提高機(jī)床構(gòu)件的阻尼;調(diào)整機(jī)床構(gòu)件的自振頻率必滿自激振動(dòng)。
二、誤差補(bǔ)償
所謂誤差補(bǔ)償技術(shù)就是在掌握了誤差根源的特點(diǎn)及規(guī)律后，通過分析、統(tǒng)計(jì)、建立數(shù)學(xué)模型，然后在數(shù)控系統(tǒng)中輸入一定的補(bǔ)償量，該補(bǔ)償量數(shù)值大小與原始誤差相等，方向與原始誤差相反，以最大程度減小抵消原始誤差的一種方法。這種方法效率高，經(jīng)濟(jì)性好，對提高數(shù)控機(jī)床的加工精度有事半功倍的效果。
目前，經(jīng)常采用的誤差補(bǔ)償技術(shù)有兩大類：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。
(1)硬件補(bǔ)償。所謂硬件補(bǔ)償就是通過調(diào)整或改變數(shù)控機(jī)床機(jī)械零部件的部分尺寸和相互位置以達(dá)到減小或抵消誤差的效果。當(dāng)在加工過程中發(fā)現(xiàn)加工誤差產(chǎn)生了變化以后，根據(jù)誤差變化量確定相關(guān)機(jī)械零部件的相關(guān)尺寸，并從新制作零部件或調(diào)整其相互位置以補(bǔ)償相應(yīng)誤差。由此可見，硬件補(bǔ)償屬于一種機(jī)械式的靜態(tài)補(bǔ)償，他的靈活性、經(jīng)濟(jì)型都比較差，特別對于隨機(jī)性誤差很難取得理想效果。
(2)軟件補(bǔ)償。軟件補(bǔ)償就是首相在結(jié)構(gòu)上形成閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服控制方式，通過檢測傳感器實(shí)時(shí)在線檢測加工過程中產(chǎn)生的實(shí)際位置，反饋給CNC，CNC將實(shí)際位置與理想位置進(jìn)行比較，計(jì)算得到差值，輸出給伺服系統(tǒng)再控制運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。軟件補(bǔ)償是一種實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，而且補(bǔ)償過程是通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的，無需改變數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是柔性高、精度高、經(jīng)濟(jì)型好。與硬件補(bǔ)償相比，軟件補(bǔ)償更有優(yōu)勢，其補(bǔ)償原理如下：
假設(shè)根據(jù)加工要求刀具運(yùn)動(dòng)軌跡中某點(diǎn)的理想位置為W，由于加工誤差△W的存在，最終刀具的實(shí)際位置為W1，他們之間的關(guān)系為：
W1=W+△W
系統(tǒng)需輸入一個(gè)補(bǔ)償量-△W，才能控制刀具到達(dá)理想位置，而且這個(gè)補(bǔ)償過程不是一次就完成，而是在整個(gè)加工過程中都在進(jìn)行的，按照采樣周期，每周期一次。
三、結(jié)語
綜上所述，影響數(shù)控機(jī)床加工精度的因素很多，提高數(shù)控機(jī)床加工精度的途徑也可以從多方面著手。常用的方法是消除誤差源，同時(shí)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也可以采用對刀儀輔助。然而，數(shù)控機(jī)床的加工誤差并不能完全消除。因此，如何提高數(shù)控機(jī)床的加工精度仍是一個(gè)有待進(jìn)一步深入研究和探索的課題。
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