數(shù)控機(jī)床加工操作中的誤差研究

王冠君

（常州科技經(jīng)貿(mào)技工學(xué)校，江蘇 常州213000）

在機(jī)械制造技術(shù)更新?lián)Q代之下，數(shù)控機(jī)床在加工領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，在精度與加工速度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，適用于批量加工生產(chǎn)。但是，受機(jī)床自身因素影響，在制造與裝配環(huán)節(jié)中存在誤差，并且在位置控制、測(cè)量、刀具選擇等方面還會(huì)產(chǎn)生非機(jī)械性誤差。對(duì)此，應(yīng)采取多樣化措施進(jìn)行控制和消除，使機(jī)床加工精度得到顯著提升。

1 數(shù)控機(jī)床操作誤差的成因

要想對(duì)誤差進(jìn)行有效控制，首先要明確機(jī)床加工中誤差的產(chǎn)生原因。從整體來看，機(jī)床操作誤差主要包括以下內(nèi)容。

1.1 編程因素。在數(shù)控編程方面，在生產(chǎn)過程中軟件技術(shù)作為最關(guān)鍵內(nèi)容，很容易導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。例如，在直線零件輪廓生產(chǎn)中很容易產(chǎn)生誤差，對(duì)零件加工精度產(chǎn)生極大影響，難以滿足當(dāng)前機(jī)床加工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而影響后續(xù)生產(chǎn)效果。在機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行中還可能出現(xiàn)公差問題，在驅(qū)動(dòng)裝置與伺服系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)重復(fù)性定位，加上脈沖的作用，使傳動(dòng)線路運(yùn)行效果受到影響。

1.2 測(cè)量誤差。在機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)的誤差很容易對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不良影響，無法采用常規(guī)操作方式開展管理工作。在實(shí)際工作中，由于受到熱誤差、切削力誤差等因素影響，還可能導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量尺寸不夠精準(zhǔn)，難以構(gòu)建合理的測(cè)量體系，對(duì)切割精度、切割位置的確定產(chǎn)生阻礙，進(jìn)而影響整體測(cè)量效果。

1.3 刀具因素。該項(xiàng)因素包括刀具磨損、刀尖圓弧等方面。在刀具磨損方面，機(jī)床長(zhǎng)期工作中可能受零件材料因素影響，導(dǎo)致加工誤差產(chǎn)生。在高溫或高剪切作用下，刀尖位置很容易出現(xiàn)磨損情況，進(jìn)而導(dǎo)致誤差值增加。在刀尖磨損中呈現(xiàn)出快- 慢- 快的磨損趨勢(shì)，應(yīng)采取科學(xué)方式進(jìn)行處理；在刀尖圓弧方面，切削內(nèi)孔與斷面加工屬于機(jī)床加工的重要環(huán)節(jié)，刀尖圓弧雖然未能對(duì)具體尺寸與性狀產(chǎn)生影響，但在加工中錐面會(huì)因此受影響，進(jìn)而無法滿足精度要求，甚至出現(xiàn)切削過多或過少情況，對(duì)后續(xù)工作的順利開展產(chǎn)生不良影響[1]。

2 數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件的綜合誤差分析

機(jī)床加工可以看成是一個(gè)傳動(dòng)鏈，將加工工件和機(jī)床刀具相連接。在機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中，工件與刀刃之間的相對(duì)位置精度與加工精度具有緊密聯(lián)系。在切削過程中，應(yīng)注重機(jī)床關(guān)鍵部件的綜合誤差分析，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 支撐件誤差。在整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)中，支撐件屬于基礎(chǔ)部件之一，主要包括支架、床身、橫梁與立柱等內(nèi)容。通常情況下，主軸箱等關(guān)鍵部件的導(dǎo)軌安裝在支撐件上，上述部件順著床身、立柱等部件的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌相對(duì)位置精度具有嚴(yán)格要求，以此確保加工精度符合標(biāo)準(zhǔn)。但是，在機(jī)床加工過程中，切削力產(chǎn)生的靜/動(dòng)載荷最終都將作用到支撐件上，使支撐件受力變形，導(dǎo)軌的相對(duì)位置精度難以達(dá)到要求，最終對(duì)加工精度產(chǎn)生不良影響。機(jī)床中的支撐件受力變形后，坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

支撐件上坐標(biāo)O2 相對(duì)于坐標(biāo)O1 的變形趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 支撐件變形示意圖

2.2 移動(dòng)副誤差。在機(jī)床運(yùn)行中，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副由諸多部件構(gòu)成，包括導(dǎo)軌、滑塊以及二者之間的滾動(dòng)體等。在設(shè)計(jì)過程中，只允許固定方向開展直線運(yùn)動(dòng)。例如，X為進(jìn)給方向，溜板只可順著X方向運(yùn)動(dòng)，且剩余五個(gè)方向的自由度均受到限制。但在實(shí)際應(yīng)用中，在非進(jìn)給方向仍然存在一定的旋轉(zhuǎn)或者偏移，由此產(chǎn)生其他方向的誤差。機(jī)床加工中心溜板與導(dǎo)軌均可通過移動(dòng)副表示出來，如圖2 所示。例如，在運(yùn)行中X方向溜板進(jìn)給x時(shí)，齊次變換矩陣如下：

圖2 移動(dòng)副誤差示意圖

在機(jī)床運(yùn)行過程中，受多種因素影響產(chǎn)生誤差，主要與以下因素有關(guān)。一是幾何因素，體現(xiàn)在導(dǎo)軌與滑塊之間的制造誤差。在制造直線導(dǎo)軌副時(shí)，難免會(huì)在形狀與尺寸方面偏離理想值。例如，導(dǎo)向面加工時(shí)出現(xiàn)直線誤差等等，進(jìn)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差；二是外力因素。機(jī)床在運(yùn)行時(shí)需要承擔(dān)部件自身的重量，在加工切削時(shí)也會(huì)不斷的加載在各個(gè)部件上，尤其是直線導(dǎo)軌副，受外力作用影響，滾動(dòng)元件與導(dǎo)軌之間的接觸面會(huì)變形，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)向精度產(chǎn)生不良影響[2]。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)副誤差。在加工中心最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)副便是主軸，在實(shí)際加工中，主軸組件受多種因素影響產(chǎn)生誤差，在旋轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)中心線的空間位置發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。預(yù)計(jì)中心線位置與瞬間位置在機(jī)床空間中產(chǎn)生誤差，即回轉(zhuǎn)誤差，涉及到軸向、角度等多方面，導(dǎo)致主軸端面發(fā)生跳動(dòng)。當(dāng)徑向與角度誤差同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，主軸便會(huì)產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，對(duì)最終加工精度產(chǎn)生極大影響。在理想情況下，主軸繞著理想軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，齊次變換矩陣為：

在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，很容易受到振動(dòng)因素影響產(chǎn)生誤差。對(duì)于任何直線導(dǎo)軌來說，在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非運(yùn)動(dòng)方向的數(shù)值。在機(jī)床加工時(shí)存在多個(gè)振動(dòng)源，在振動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生慣性力，如若在進(jìn)給的方向產(chǎn)生慣性力，則部件很容易在此方向出現(xiàn)非正常位移。

3 數(shù)控機(jī)床加工誤差的控制措施

在機(jī)床加工中，應(yīng)明確操作誤差的形成原因，并采取相應(yīng)的解決措施，通過優(yōu)化程序、控制刀尖、修正磨損等方式，使機(jī)床加工質(zhì)量和效率得到全面提升，將誤差控制在合理范圍內(nèi)，為生產(chǎn)加工管理提供更多便利。

3.1 優(yōu)化程序，構(gòu)建控制模型。在數(shù)控加工方面，應(yīng)根據(jù)程序進(jìn)行合理分析，選取最佳工作方式。首先，可采用“人工+計(jì)算機(jī)”的綜合管理模式，對(duì)零件管理措施進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)程序控制效果提升。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)加工誤差進(jìn)行預(yù)防，創(chuàng)建更加科學(xué)可行的發(fā)展體系；其次，在程序管理中采取合理加工方式開展相應(yīng)工作，對(duì)工作內(nèi)容和原因深入分析，確定零件曲面特點(diǎn)和內(nèi)容，對(duì)軟件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，并對(duì)刀具進(jìn)行有效管理。在實(shí)際工作中，根據(jù)當(dāng)前加工特點(diǎn)與實(shí)際需求，創(chuàng)建多元加工管理體系，促進(jìn)程序優(yōu)化效果提升。在此過程中，應(yīng)及時(shí)發(fā)掘程序中的缺陷和不足，采取合適的防誤差措施，在確定加工技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建程序控制模式，為后續(xù)加工生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

3.2 控制刀尖，提高測(cè)量精度。3.2.1 對(duì)刀管理。在加工工作中，對(duì)刀管理十分關(guān)鍵，應(yīng)確定對(duì)刀工作要求，采用合適的對(duì)刀儀與ATC 方式進(jìn)行處理，形成自動(dòng)對(duì)刀管理。在此過程中，應(yīng)通過試切的方式，利用誤差管理方式，明確是否存在測(cè)量誤差，如若存在則要判斷誤差是否處于允許范圍，如若超過設(shè)定范圍，則應(yīng)開展相應(yīng)的削減工作。在測(cè)量過程中，還要判斷工具與卡尺方式是否正確，以此提高測(cè)量準(zhǔn)確性；然后，利用螺紋卡尺進(jìn)行測(cè)量，提高測(cè)量精準(zhǔn)度。在實(shí)際工作中，還可采用靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)管理相結(jié)合的方式，使刀具得到有效處理。與測(cè)量加工規(guī)定相結(jié)合，采用震動(dòng)外力加工模式，確定刀具的實(shí)際特點(diǎn)，實(shí)施工件與刀架之間的夾緊處理，促進(jìn)機(jī)床加工水平提升。3.2.2 刀尖管理。在程序優(yōu)化完畢后，應(yīng)對(duì)機(jī)床的具體加工指令進(jìn)行掌握，強(qiáng)化刀尖的控制與管理，將正確的參數(shù)輸入其中，并對(duì)頁面合理控制，使程序指令的作用和功能得以充分發(fā)揮，有效預(yù)防加工誤差產(chǎn)生。3.2.3 反向失動(dòng)量管理。在機(jī)床實(shí)際加工中，應(yīng)判斷是否存在反向失動(dòng)量，并對(duì)具體內(nèi)容與特點(diǎn)進(jìn)行確定，以此提高管控效率。在此過程中，還應(yīng)判斷是否存在間隙，如若存在則應(yīng)及時(shí)有效的整改，減少機(jī)床工作中抗力的產(chǎn)生。在誤差管理方面，應(yīng)結(jié)合傳動(dòng)零件的聯(lián)接情況進(jìn)行檢查，尤其是反向失動(dòng)量，根據(jù)實(shí)際加工精度要求，構(gòu)建科學(xué)的管理體系。在加工操作中，還應(yīng)制定故障整改制度，最大限度的減少磨損問題產(chǎn)生。在測(cè)量期間，明確機(jī)床系統(tǒng)是否存在間隙，并放緩刀具速度，達(dá)到最佳整改效果。

3.3 修正磨損，消除間隙誤差。在數(shù)控加工生產(chǎn)中，加工技術(shù)精度控制與生產(chǎn)質(zhì)量息息相關(guān)，可實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的有機(jī)結(jié)合。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)各項(xiàng)誤差形成因素嚴(yán)格把控，促進(jìn)機(jī)床制造技術(shù)精度的大幅提升，以此推動(dòng)制造業(yè)的穩(wěn)健長(zhǎng)久發(fā)展。對(duì)此，可采取以下措施修正磨損，使間隙誤差得到有效消除。一是批量生產(chǎn)誤差控制。在機(jī)床批量加工中，經(jīng)常采用高溫高剪切的方式使刀具持續(xù)運(yùn)行。為了預(yù)防磨損問題產(chǎn)生，了解具體零件尺寸，應(yīng)合理開展誤差管理。在實(shí)際工作中，應(yīng)將磨耗數(shù)值輸入機(jī)床系統(tǒng)，掌握工件生產(chǎn)相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于機(jī)床來說內(nèi)部存在許多間隙，在加工時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況創(chuàng)建X 軸系統(tǒng)，采用磨耗管理的方式對(duì)誤差進(jìn)行分析，計(jì)算公式為理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的差值。例如，在機(jī)床加工中，如若理論數(shù)據(jù)為20mm，實(shí)際數(shù)據(jù)為20.1mm，便可說明誤差為0.1mm，將該數(shù)值輸入機(jī)械中進(jìn)行誤差消除，便可提高整體設(shè)備的管理效率，與當(dāng)前機(jī)床加工要求相符。二是誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用。在機(jī)床誤差維護(hù)方面，補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用較為常見，通過加強(qiáng)對(duì)誤差數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析，可對(duì)誤差的形成因素進(jìn)行研究，由此構(gòu)建補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，以人工方式抵消誤差。通過對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的控制，促進(jìn)工作精度優(yōu)化升級(jí)。只有強(qiáng)化機(jī)床在空載運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)精度，并通過多次測(cè)試，才可使整個(gè)機(jī)床的工作質(zhì)量得到切實(shí)保障。三是及時(shí)維修。機(jī)床設(shè)備長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)部各部件老化加速，需要及時(shí)檢修和維護(hù)，以免對(duì)制造精度產(chǎn)生不良影響。在檢修過程中，應(yīng)注意機(jī)床調(diào)試與管理，確保精度無誤的情況下才可開始運(yùn)行，并適當(dāng)增加機(jī)床制造成本，促進(jìn)其精度提升，由此實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行[4]。

4 結(jié)論

綜上所述，在機(jī)械加工過程中，誤差問題無法徹底避免。但是，可通過創(chuàng)新機(jī)床操作手段與技術(shù)，優(yōu)化編程程序、構(gòu)建控制模型、控制刀尖與道具等方式，針對(duì)測(cè)量誤差、刀具自身因素與編程因素等得到有效控制，使修正磨損被有效的消除，最大限度的控制誤差產(chǎn)生，使測(cè)量精度得到顯著提升，推動(dòng)現(xiàn)代機(jī)械事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。