論機(jī)床加工中的精度補(bǔ)償技術(shù)

張茜　寧嬌　包洪臣

摘 要：在機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行加工的過程中，主軸回轉(zhuǎn)誤差、導(dǎo)軌誤差、機(jī)床和部件剛度、切削刀具的磨損以及熱變形等，這些因素都會(huì)影響機(jī)床的加工精度，從而產(chǎn)生加工件有尺寸誤差的現(xiàn)象，所以對(duì)機(jī)床加工過程進(jìn)行精度補(bǔ)償這是十分必要的。該文將以數(shù)控機(jī)床為例，從誤差防止和誤差補(bǔ)償兩方面入手，對(duì)機(jī)床加工過程中的精度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行闡述，分析目前提高數(shù)控機(jī)床精度補(bǔ)償技術(shù)存在的問題。

關(guān)鍵詞：機(jī)床加工 數(shù)控機(jī)床 精度補(bǔ)償技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（b）-0089-02

隨著制造產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械加工的精度要求越來越高，面對(duì)日益激烈的市場競爭壓力，如何提高機(jī)床加工精度，保證零部件加工質(zhì)量，降低相關(guān)生產(chǎn)成本，加大經(jīng)濟(jì)效益，是各個(gè)機(jī)械加工企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。早先的機(jī)床智能化性能比較差，只能依靠操作工過硬的技術(shù)水平來提高加工件的質(zhì)量，并且不能夠在線檢測產(chǎn)品誤差，更談不上對(duì)熱變形、刀具磨損，以及夾具變形等誤差影響因素進(jìn)行有效控制了。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控測量技術(shù)的有效結(jié)合解決了這個(gè)難題，比如說在數(shù)控機(jī)床上安裝精度補(bǔ)償正元件測頭、位置傳感器以及光柵尺等設(shè)備，使機(jī)床加工誤差能夠?qū)崟r(shí)反饋給數(shù)控控制系統(tǒng)，使數(shù)控機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行加工精度補(bǔ)償，從而提高零部件的加工精度，并且很大程度上節(jié)省了原材料成本。

1 機(jī)床精度提高技術(shù)

目前，零件加工行業(yè)提高數(shù)控機(jī)床的加工精度主要有兩種方法：一種是誤差防止法；一種是誤差補(bǔ)償法。下面將對(duì)這兩種方法進(jìn)行簡單介紹。

1.1 誤差防止法

所謂誤差防止，是指通過提高零部件設(shè)計(jì)、加工、裝配的質(zhì)量水平，有效控制環(huán)境因素等措施，以達(dá)到消除或減少誤差源的目的。比如說采用高剛度和熱對(duì)稱的鋼軌以及滾珠絲桿等部件進(jìn)行室溫控制等方式，就可以有效減少機(jī)床熱變形和熱源溫升，從而減少誤差的產(chǎn)生。

防止誤差法主要分為尺寸誤差幾何誤差防止、熱變形誤差防止以及其他誤差防止三種。防止誤差法在一定程度上能夠削弱誤差發(fā)生幾率，但是對(duì)于完全消除熱變形以及幾何誤差這幾乎是不可能的。另外，母機(jī)床的加工精度對(duì)其產(chǎn)生很大影響，再加上提高零件質(zhì)量的成本太高，所以在實(shí)際應(yīng)用中不是很普遍。

1.1.1 尺寸誤差幾何誤差防止

機(jī)床的幾何誤差大多數(shù)來自于機(jī)床本身的制造缺陷、機(jī)床各部件的配合誤差以及機(jī)床的動(dòng)/靜變形等。針對(duì)這類誤差，目前的技術(shù)主要是從主軸軸系以及導(dǎo)軌的工藝和材料入手，對(duì)數(shù)控機(jī)床的床身、滑枕、立柱、工作臺(tái)、絲杠等機(jī)械部件進(jìn)行靜/動(dòng)剛度、抗振性分析，從而控制這些部件的靜/動(dòng)態(tài)剛度和溫度變化，最終提高機(jī)床的加工精度。

1.1.2 熱變形誤差防止

對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，熱變形產(chǎn)生的誤差在總誤差中所占的比例是很大的，可以說熱變形誤差是影響數(shù)控機(jī)床加工精度的最主要的因素。數(shù)控機(jī)床的熱誤差主要是由于機(jī)床內(nèi)外部熱源（包括馬達(dá)、軸承、傳動(dòng)件、液壓系統(tǒng)、環(huán)境溫度、冷卻液等因素）通過接觸面或者輻射等方式把熱量向四周傳遞，致使零部件因受熱而產(chǎn)生變形。熱變形誤差具有多變量、長時(shí)滯、非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，對(duì)于這類誤差的防止主要采用降低熱源、控制熱量傳遞路徑，以及增加熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法。具體來說，比如通過控制發(fā)熱源和發(fā)熱量，加大機(jī)床運(yùn)行過程中的冷卻和潤滑作用，完善機(jī)床的設(shè)計(jì)和配置情況，控制加工作業(yè)場所的環(huán)境溫度等措施，從而降低機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的熱量，減少零部件的變形。

1.1.3 其他誤差防止

除了以上提到的幾何誤差防止以及熱變形誤差防止之外，誤差防止還包括伺服誤差防止、振動(dòng)與環(huán)境誤差防止和檢測誤差防止等。

1.2 誤差補(bǔ)償

1.2.1 主軸進(jìn)給方向臺(tái)階面半精與精加工精度補(bǔ)償

以缸蓋底面的精銑加工為例，通過測頭對(duì)已加工面進(jìn)行檢測，從而修改主軸和夾具變形造成的加工誤差，使主軸進(jìn)給方向的加工精度達(dá)到±0.15 mm/500 mm。通過測頭補(bǔ)償技術(shù)的有效應(yīng)用，去除了主軸變形伸長及夾具變形傾斜的誤差，使主軸方向的加工精度達(dá)到±0.025 mm/500 mm，使機(jī)床的加工精度進(jìn)一步得到提升。

如圖1所示，操作工藝流程如下。

（1）用精銑刀對(duì)工件進(jìn)行初次試切，去除一部分加工余量。

（2）通過測頭進(jìn)給對(duì)試切后的工件面進(jìn)行檢測。

（3）撤回測頭，并記錄以上步驟發(fā)生的變量值Δ1。

（4）通過測頭進(jìn)給對(duì)半精加工后的工件面進(jìn)行檢測。

（5）撤回測頭，并記憶發(fā)生的變量值Δ2。

（6）把記憶信息與機(jī)床加工時(shí)的理論坐標(biāo)值進(jìn)行比較，并進(jìn)行補(bǔ)償修正。

（7）把試切面作為精銑刀的基準(zhǔn)面，加上切入補(bǔ)償修正的值之后，進(jìn)行工件面的精銑工序，直到完成加工圖紙要求尺寸為止。

需要注意的是，在進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要注意以下幾點(diǎn)。

（1）要控制好進(jìn)行測量記憶補(bǔ)償量的測頭工序與實(shí)際補(bǔ)正的加工工序之間的時(shí)間差額，一般不能超過10 min，否則，由于時(shí)間過長，則會(huì)導(dǎo)致溫差的變化不同，以至于測量的補(bǔ)正量不準(zhǔn)。

（2）補(bǔ)正量的公差帶通常要設(shè)置為0.4（±0.2），與上次補(bǔ)償量相比的限定值一般是0.1（±0.05），如果超出這兩個(gè)值，測頭就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

（3）在程序設(shè)定過程中，測頭補(bǔ)償量普遍設(shè)置為保存1次。

1.2.2 主軸進(jìn)給方向精加工精度補(bǔ)償

溫度的變化會(huì)使機(jī)床的主軸部件、夾具等產(chǎn)生變形，還會(huì)對(duì)刀具造成一定損害，以至于降低機(jī)床的加工精度。在精銑缸體頂面時(shí)，機(jī)床在主軸進(jìn)給方向一般只能達(dá)到±0.15 mm/500 mm的加工精度，這與加工圖紙上的要求還有一定差距。經(jīng)研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用測頭的精度補(bǔ)償技術(shù)能夠有效改善這一問題。測頭的精度補(bǔ)償能夠?qū)χ鬏S變形伸長及夾具變形傾斜的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量并且及時(shí)做到修正補(bǔ)償，使機(jī)床主軸方向的加工精度穩(wěn)定達(dá)到了±0.025 mm/500 mm。