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提高數(shù)控機床加工精度方法分析
數(shù)控機床是一種高精度、高效率、適應性強的現(xiàn)代加工設備。在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。然而，隨著社會的不斷發(fā)展，對數(shù)控機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，加工誤差來自各個方面，客觀存在是不可避免的。因此，研究如何提高數(shù)控機床的加工精度具有重要的現(xiàn)實意義。通過減少誤差來源和誤差補償兩種方法可以提高數(shù)控機床的加工精度。簡單地減少誤差來源或進行誤差補償一般不能滿足精度要求，兩種方法需要同時使用。
一、減小誤差根源
一般來說，數(shù)控機床的加工誤差主要來自以下幾個方面：數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設計和制造誤差;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)控機床加工精度最直接、最有效的手段。
(1) 減少數(shù)控機床的幾何誤差。數(shù)控機床各部件的幾何精度是機床加工精度的基本保證。降低數(shù)控機床的幾何誤差可以從以下四個方面進行：①采用高精度數(shù)控機床主軸和主軸支撐;如：滾動軸承、靜壓軸承、動壓軸承、磁力軸承等;②采用高精度導軌;數(shù)控機床上常用的導軌有塑料導軌、滾動導軌和靜壓導軌。具有導向精度高、耐磨性好、剛度高等特點。③ 采用高精度傳動機構(gòu)，滾珠絲杠螺母副是數(shù)控機床上最常用的傳動裝置，具有高精度、高效率、高靈敏度等優(yōu)點。④ 采用各種措施消除齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動部件的間隙，提高機床的定位精度。
(2) 減少熱變形誤差。減少機床熱變形可采取以下三種措施：①減少熱源。采用新型電機和高效的傳動機構(gòu)可以起到減少熱源的作用。② 合理設計機床結(jié)構(gòu)。不同的機床結(jié)構(gòu)具有不同的抗熱變形能力。合理的機床結(jié)構(gòu)設計可以有效地減少機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)控機床的重要組成部分，其性能在很大程度上決定著數(shù)控機床的性能。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，盡量采用高精度機床零件，以提高伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。如：靜壓導軌、靜壓主軸、高性能電機、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 自適應控制。采用自適應控制系統(tǒng)，可以在數(shù)控加工過程中根據(jù)加工條件的變化自動改變切削參數(shù)，以達到最佳的加工效果。
(4) 減少振動和剛度不足引起的誤差。數(shù)控機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 合理設計床身斷面及筋條布置;③動態(tài)平衡消除主軸、齒輪等主要傳動部件的間隙;④采用刮削法提高機床的接觸剛度
(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)響應速度、系統(tǒng)收斂性都會影響數(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。
機床的抗振性是抵抗強迫振動和自激振動的能力。高抗振性即在高速重切削條件下沒有振動，從而保證工件的精度和質(zhì)量。提高機床抗振性的措施主要有：①減少機床的內(nèi)部振源;②提高機床構(gòu)件的阻尼;調(diào)整機床構(gòu)件的自振頻率必滿自激振動。
二、誤差補償
所謂誤差補償技術(shù)就是在掌握了誤差根源的特點及規(guī)律后，通過分析、統(tǒng)計、建立數(shù)學模型，然后在數(shù)控系統(tǒng)中輸入一定的補償量，該補償量數(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)濟性好，對提高數(shù)控機床的加工精度有事半功倍的效果。
目前，經(jīng)常采用的誤差補償技術(shù)有兩大類：硬件補償和軟件補償。
(1)硬件補償。所謂硬件補償就是通過調(diào)整或改變數(shù)控機床機械零部件的部分尺寸和相互位置以達到減小或抵消誤差的效果。當在加工過程中發(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)整其相互位置以補償相應誤差。由此可見，硬件補償屬于一種機械式的靜態(tài)補償，他的靈活性、經(jīng)濟型都比較差，特別對于隨機性誤差很難取得理想效果。
(2)軟件補償。軟件補償就是首相在結(jié)構(gòu)上形成閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服控制方式，通過檢測傳感器實時在線檢測加工過程中產(chǎn)生的實際位置，反饋給CNC，CNC將實際位置與理想位置進行比較，計算得到差值，輸出給伺服系統(tǒng)再控制運動部件運動。軟件補償是一種實時的動態(tài)補償，而且補償過程是通過計算機控制實現(xiàn)的，無需改變數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)，其特點是柔性高、精度高、經(jīng)濟型好。與硬件補償相比，軟件補償更有優(yōu)勢，其補償原理如下：
假設根據(jù)加工要求刀具運動軌跡中某點的理想位置為W，由于加工誤差△W的存在，最終刀具的實際位置為W1，他們之間的關(guān)系為：
W1=W+△W
系統(tǒng)需輸入一個補償量-△W，才能控制刀具到達理想位置，而且這個補償過程不是一次就完成，而是在整個加工過程中都在進行的，按照采樣周期，每周期一次。
三、結(jié)語
綜上所述，影響數(shù)控機床加工精度的因素很多，提高數(shù)控機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，同時進行誤差補償，也可以采用對刀儀輔助。然而，數(shù)控機床的加工誤差并不能完全消除。因此，如何提高數(shù)控機床的加工精度仍是一個有待進一步深入研究和探索的課題。
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