數(shù)控機床加工精度技術(shù)提升探究

趙慶

[摘 ? ?要 ]現(xiàn)階段，隨著世界科技水平的不斷提升，數(shù)控機床的自動化程度也隨之增高，并且加工制造的數(shù)控產(chǎn)品及質(zhì)量可靠性程度也相對較高，在產(chǎn)品的柔韌性方面也表現(xiàn)的較為突出，因此在實際生產(chǎn)制造過程中被很多制造企業(yè)所青睞。隨著人們對制作企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，企業(yè)對數(shù)控機床加工精度技術(shù)的要求也隨之提高。本文以此為出發(fā)點，對數(shù)控機床加工精度提高技術(shù)做出詳細(xì)研究。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控機床;加工精度;提高措施

[中圖分類號]TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）07–00–03

[Abstract]At this stage， with the continuous improvement of the world's scientific and technological level， the degree of automation of CNC machine tools is also increased， and the CNC products and quality reliability of processing and manufacturing are relatively high， and the flexibility of products is also more prominent， so it is favored by many manufacturing enterprises in the actual production and manufacturing process. With the improvement of product quality requirements of manufacturing enterprises， the requirements of CNC machining accuracy technology are also improved. This paper takes this as the starting point， makes a detailed study on the technology of improving the machining accuracy of CNC machine tools.

[Keywords]CNC machine tools; machining accuracy; improvement measures

隨著我國科技水平的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國的現(xiàn)代化加工技術(shù)水平也有了較為顯著的提高?，F(xiàn)階段，數(shù)控機床所涉及到的行業(yè)越來越多，運用的范圍也變得越來越廣闊。數(shù)控機床加工精度的提高可以進(jìn)一步提升其產(chǎn)品質(zhì)量。如果數(shù)控機床具備較高的自動化水平和加工精度，那么在制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機械零部件時會更加方便快捷。在開展數(shù)控機床加工工作時，數(shù)控機床的加工精度將會直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，影響數(shù)控機床加工精度提高技術(shù)的因素也是多種多樣的。本文詳細(xì)探究了提高數(shù)控機床加工精度的技術(shù)要點。

1 誤差測量與分析

加快推進(jìn)高檔數(shù)控機床研究與發(fā)展對于提高國家制造業(yè)水平，提升綜合國力具有重要意義。自20世紀(jì)90年代后，我國汽車制造、微電子、國防、航天航空以及通訊等各產(chǎn)業(yè)的技術(shù)迅猛發(fā)展，對高精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、零件表面的完整性、零件的制造精度等也提出了更高要求。在此背景下，傳統(tǒng)的數(shù)控機床已經(jīng)無法滿足當(dāng)下工作需求，必須要采取有效手段進(jìn)一步提高數(shù)控機床加工精度，從而提升產(chǎn)品精度，為國防、航天等各領(lǐng)域的發(fā)展提供有力保障。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致數(shù)控機床加工精度較低的原因比較復(fù)雜，環(huán)境、工藝、材料等有可能導(dǎo)致誤差產(chǎn)生，從而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。下面結(jié)合實際，首先就數(shù)控機床的幾種常見誤差類型做簡要分析。

1.1 線性位移誤差

在數(shù)控機床加工過程中，目標(biāo)位移與實際位移之間存在偏差，這一偏差也被稱為線性位移誤差，線性位移誤差是影響機床精度與產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。在對數(shù)控機床的線性位移誤差進(jìn)行測量與分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)控機床處于加工運行狀態(tài)時，機床在去程內(nèi)的誤差值是沿著正方向逐漸減小，但在回程，誤差值逐漸增大。

1.2 水平直線度誤差

數(shù)控機床的水平直線度誤差屬于幾何誤差的范疇，這一誤差也會給數(shù)控機床精度、產(chǎn)品質(zhì)量造成很大影響，容易導(dǎo)致加工產(chǎn)品的精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過測量與分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機床的水平直線度誤差有以下表現(xiàn)以及變化規(guī)律：當(dāng)數(shù)控機床在運行過程中時，X軸的水平直線度誤差波動相較于Y軸與Z軸要較小一些，它的波動范圍一般為1.14～1.84 μm，變化趨勢并不是十分明顯。但Y軸與Z軸的變化趨勢就相對明顯一些，數(shù)值變化范圍較大。其中Y軸的誤差變化范圍為1.75～1.9 μm、Z軸的誤差變化范圍為-2.57～2.85 μm。

1.3 豎直直線度誤差

豎直直線度誤差在數(shù)控機床加工過程中也比較常見，該類誤差的變化趨勢相對明顯，且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機床豎直直線度誤差的產(chǎn)生多與環(huán)境有關(guān)，當(dāng)環(huán)境猛然發(fā)生變化時，誤差就更容易出現(xiàn)，或者在誤差已經(jīng)存在的情況下，若環(huán)境驟然變化，那么誤差也會出現(xiàn)明顯波動。因此要想減小或消除豎直直線度誤差，就需要對數(shù)控機床的運行環(huán)境做嚴(yán)加管控。

1.4 仰俯角誤差

仰俯角誤差的產(chǎn)生也與環(huán)境變化有關(guān)，因此控制以及優(yōu)化環(huán)境便是控制仰俯角誤差的有效方式。

1.5 偏擺角誤差

偏擺角誤差屬于一種三項角度誤差，該類誤差也會對數(shù)控機床的精度以及產(chǎn)品加工質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。在當(dāng)前階段要盡快研究出有效的誤差控制與消除方式來減小誤差影響，讓數(shù)控機床精度得到提升。

2 數(shù)控機床加工精度提高技術(shù)

2.1 防止幾何誤差技術(shù)

機床幾何誤差是數(shù)控機床開展加工生產(chǎn)活動過程中不可避免的一項內(nèi)容。幾何誤差的出現(xiàn)主要是源于數(shù)控機床自身的原因，在制造加工過程中數(shù)控機床的各個零部件會出現(xiàn)配合失誤和結(jié)構(gòu)部件微變形等情況，這也是引起數(shù)控機床幾何誤差的重要原因，為了能夠有效避免或減少數(shù)控機床加工制作過程中減少幾何誤差的出現(xiàn)，因此可以加大研究力度研發(fā)精度較高的數(shù)控機床軸承，同時增加數(shù)控機床導(dǎo)軌的力度，對當(dāng)前數(shù)控機床的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)，使用一些性能可靠的新型制造材料實施數(shù)控機床設(shè)計制造活動。當(dāng)前在我國被使用次數(shù)最多的減少數(shù)控機床幾何誤差的方法為：對數(shù)控機床床身、滑枕以及立柱等重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行調(diào)整，讓這些重要的動靜結(jié)構(gòu)部件剛性都能得到很好的提高，以這樣的方式可以有效提高數(shù)控機床的加工精度，再加工制造產(chǎn)品的過程中，盡可能的減少或避免幾何誤差情況的出現(xiàn)。與此同時，將數(shù)控機床加工部件處于動靜工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)部件的高度和工作溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，以這樣的方式可以極大程度的提升數(shù)控機床自身的加工精度。研究發(fā)現(xiàn)，定位誤差是機床幾何綜合誤差的決定性影響因素，因此在具體的加工作業(yè)中需對這一因素加以控制與處理。

2.2 防止熱變形誤差技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展和快速進(jìn)步，機械制造加工企業(yè)對數(shù)控機床加工精度的要求也隨之提高，熱誤差對數(shù)控機床加工精度的影響也隨著時間的推移逐漸增大。尤其是部分機械部件產(chǎn)品對加工精度具有較高的要求時，熱變形產(chǎn)生的誤差會對產(chǎn)品的加工精度造成很大影響，而對產(chǎn)品的整體質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，這嚴(yán)重阻礙了數(shù)控機床加工精度的進(jìn)一步提高。因熱變形導(dǎo)致機床加工產(chǎn)生誤差的原因主要為：機床自身的馬達(dá)、軸承等重要結(jié)構(gòu)部件應(yīng)受到熱力因素而產(chǎn)生變形。熱變形產(chǎn)生的具體過程為：當(dāng)溫度升高的結(jié)構(gòu)部件與數(shù)控機床的其他部件相互接觸或彼此靠近時，自身的熱量向所接觸的部件或周圍傳遞，因此所傳遞的溫度致使受溫度影響的零部件出現(xiàn)一定程度的形變。導(dǎo)致數(shù)控機床熱誤差出現(xiàn)的原因也是多種多樣的，并且只是這種結(jié)果產(chǎn)生的原因也呈現(xiàn)出非線性特點。我國數(shù)控機床事業(yè)起步相對較晚，對數(shù)控機床加工制造過程中熱誤差的認(rèn)知也相對要晚一些，因此更加高效的解決措施的運用也會稍微小于減少幾何誤差的措施。制造加工企業(yè)想要在工作過程中盡可能減少熱誤差的出現(xiàn)，大多數(shù)情況下是利用減少數(shù)控機床工作熱原的產(chǎn)生并采取措施控制熱量的傳遞，或者使用抗熱能效果更為良好的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)部件開展機床加工工作。而在大部分制造加工企業(yè)中運用措施多數(shù)為：減少數(shù)控機床工作中結(jié)構(gòu)部件發(fā)熱、在數(shù)控機床中建造相應(yīng)的冷卻回路、對數(shù)控機床的加工制造格局進(jìn)行修改和整體控制數(shù)控機床的加工制作溫度等多種方法。

2.3 誤差補償法

誤差補償法具體是指工作人員在開展數(shù)控機床加工工作過程中創(chuàng)作出一個與之不同的誤差，來沖抵或減小原問題中所產(chǎn)生的誤差。工作人員在工作過程中經(jīng)過綜合分析和全面的總結(jié)之后，基本上能夠掌握原問題中所產(chǎn)生的誤差和數(shù)據(jù)特點，并根據(jù)原問題中所產(chǎn)生的誤差構(gòu)建與之相對應(yīng)的建模，然后在此基礎(chǔ)上人為創(chuàng)造一個能夠與之相沖抵的誤差，人為因素所創(chuàng)造出的誤差數(shù)值要和原問題中所產(chǎn)生的誤差數(shù)值相同，但是這兩項誤差的方向卻是相反的，這樣最終才能實現(xiàn)這兩項誤差相互補償?shù)淖罱K目的，從而進(jìn)一步提升數(shù)控機床在實際工作中的加工精度。誤差補償法在數(shù)控機床加工使用過程中包含多項關(guān)鍵步驟，而這些關(guān)鍵步驟的實施對數(shù)控機床工作中的誤差補償法具有非常大的積極作用，其中最為關(guān)鍵的便是誤差建模和誤差準(zhǔn)確檢測的實施，這對誤差補償法的效果具有決定性作用。下面就幾項主要的誤差補償控制方式進(jìn)行分析。

（1）開環(huán)前饋補償控制。在對數(shù)控機床實施開環(huán)前饋補償控制時，要先構(gòu)建起加工誤差數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工程實際需求構(gòu)建模型，使模型有較高的精確度，并且能實現(xiàn)對外界影響因素的有效抵制，從而保證各項工作的科學(xué)性、有效性。

（2）閉環(huán)反饋補償控制。閉環(huán)反饋補償控制也是當(dāng)前常見的一種數(shù)控機床精度提高方式，該種方式的原理是測算出測量值與實際值之間的誤差，然后在加工的過程中進(jìn)行補償，以此提高數(shù)控機床加工精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。一般情況下，若對數(shù)控機床應(yīng)用閉環(huán)反饋控制補償技術(shù)，就需先利用相應(yīng)高精度尺寸檢測裝置，如激光干涉儀等對工件的尺寸做精準(zhǔn)檢測，從而保證最終的補償效果。

（3）半閉環(huán)前饋補償控制。半閉環(huán)前饋補償控制方式在目前也比較常用，在應(yīng)用這一技術(shù)方法時，重點要做好誤差模型參數(shù)的選取工作，這樣才能確保后續(xù)補償措施的科學(xué)性與有效性。一般來說，所選擇的參數(shù)要能實現(xiàn)對環(huán)境條件的準(zhǔn)確反映，能真實反映出系統(tǒng)狀態(tài)等。

2.4 誤差建模的構(gòu)建

數(shù)控機床中誤差建模的構(gòu)件是由誤差運動學(xué)建模和誤差辨識建模共同構(gòu)建而成，在構(gòu)建數(shù)控機床精度建模過程中所運用的是誤差運動學(xué)建模。因為最初實施誤差補償時并不包含多項誤差的補償內(nèi)容，所以在其實施過程中并不需要運用到精度相對較高的建模，但是隨著科技水平的不斷進(jìn)步，數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)生變化，數(shù)控機床的加工精度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也隨之提升，因此實施誤差建模是提高數(shù)控機床加工精度不可缺少的一個步驟。隨著我國科技實力的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)開始逐步被應(yīng)用到數(shù)控機床建模的構(gòu)建，這也顯著提升了數(shù)控機床誤差建模效果。在最初的幾年時間內(nèi)，鋅產(chǎn)生了一種將鋼鐵運動學(xué)和小角度假設(shè)為基礎(chǔ)構(gòu)建的誤差模型，同樣這也得到了很多以機械生產(chǎn)制造業(yè)為主企業(yè)的青睞。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，時至今日，涌現(xiàn)出許多能夠?qū)嵤┱`差補償?shù)哪Ｐ停@些模型的運用能夠精確分析數(shù)控機床的加工精度，同時對存在的誤差作出有效分析和檢測，以此有效提升了數(shù)控機床加工精度，但是這些建模能夠真正使用到數(shù)控機床誤差建模范圍中的數(shù)量卻并不多，并且在實際運用中，很容易在誤差建模構(gòu)建的過程中出現(xiàn)部分新的數(shù)據(jù)誤差。所以并不能從本質(zhì)上很好的解決數(shù)控機床加工過程中所存在的誤差。因此在構(gòu)建數(shù)控機床誤差建模時需要充分考慮多方面的因素，并且在加工制造機械部件的過程中運用的機床不同需要所采取的建模方式也是不一樣的，如果以這樣的方式構(gòu)建誤差建模只會增加誤差建模的構(gòu)建成本，將數(shù)控機床中精度建模的理論應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，仍然存在一定因素的限制，所以這就需要根據(jù)數(shù)控機床生產(chǎn)加工的實際情況為其構(gòu)建誤差建模。

3 結(jié)語

綜上所述，為了能夠采取有效措施進(jìn)一步提高數(shù)控機床在生產(chǎn)過程中的加工精度，因此采取合理措施有效避免機床加工制造過程中各種誤差的產(chǎn)生是非常必要的?；诖耍瑪?shù)控機床加工精度提高技術(shù)，可以從防止幾何誤差技術(shù)、防止熱變形誤差技術(shù)、誤差補償法、誤差建模的構(gòu)建等多個方面入手，實現(xiàn)數(shù)控機床加工精度的有效提高。

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