蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 姜 輝

數(shù)控機(jī)床加工誤差分析及對(duì)策

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 姜 輝

一、程序編制誤差及解決措施

程序編制誤差是在加工工件程序編制過(guò)程中產(chǎn)生的。在實(shí)際的加工中，由于程序編制處理不當(dāng)而造成的誤差一般是制作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的工藝缺乏了解，對(duì)機(jī)床操作系統(tǒng)的特性缺乏了解，對(duì)零件圖紙中的尺寸誤差處理不當(dāng)，對(duì)編程原點(diǎn)選取不當(dāng)帶來(lái)的誤差。解決措施包括以下幾點(diǎn)。

1.重點(diǎn)關(guān)注因?qū)α慵Y(jié)構(gòu)的工藝性分析不足而造成的誤差。編程人員要充分了解現(xiàn)場(chǎng)加工的工藝流程，熟悉機(jī)床操作系統(tǒng)并且能夠正確處理零件圖紙的尺寸誤差。

2.應(yīng)采用統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)。數(shù)控加工中若沒(méi)有統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)，會(huì)因零件的重新安裝而引起加工后兩個(gè)面上的輪廓位置及尺寸不協(xié)調(diào)，造成較大的誤差。零件上最好有合適的孔作為定位基準(zhǔn)，避免造成欠切削或過(guò)削現(xiàn)象。在數(shù)控車床上加工圓弧與直線或圓弧連接的內(nèi)外輪廓時(shí)，應(yīng)充分考慮其過(guò)度圓弧半徑的大小，可采用刀具刀尖半徑自動(dòng)補(bǔ)償法予以解決。用銑刀加工內(nèi)外輪廓時(shí)，刀具的切入點(diǎn)與切出點(diǎn)應(yīng)選在零件輪廓幾何參數(shù)的交點(diǎn)處，選擇合適的切入和切出方向。

3.編程原點(diǎn)應(yīng)盡可能與圖紙上的尺寸基準(zhǔn)重合，其選擇有利于編程、數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)便以及所引起的加工誤差應(yīng)最小，且測(cè)量位置較方便。

二、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的誤差及解決措施

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的誤差主要分為數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差和機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差兩部分。

1. 數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。數(shù)控系統(tǒng)按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行元件和機(jī)床三大部分組成。伺服驅(qū)動(dòng)部件通常為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或混合式伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再經(jīng)過(guò)齒輪減速裝置帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移，移動(dòng)部件的移動(dòng)速度與位移量是由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)決定的。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的信息流是單向的，不帶有檢測(cè)裝置，也沒(méi)有反饋電路。系統(tǒng)框架如圖1所示。

由于進(jìn)給系統(tǒng)中沒(méi)有反饋檢測(cè)裝置，其前進(jìn)路線中產(chǎn)生的誤差就無(wú)法通過(guò)反饋信息來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而導(dǎo)致了輸出位置誤差，此外系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也不能進(jìn)行誤差校正，因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動(dòng)誤差都將影響被加工零件的精度。主要的誤差包括以下幾點(diǎn)。

反向間隙誤差。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中加工刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是依靠驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)齒輪、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)工作臺(tái)面等移動(dòng)部件產(chǎn)生位移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。作為傳統(tǒng)元件的齒輪、絲杠盡管制造精度很高，但總免不了存在間隙。由于這種間隙存在，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的方向改變時(shí)，開(kāi)始必然會(huì)引起驅(qū)動(dòng)元件的空走，出現(xiàn)指令脈沖推不動(dòng)執(zhí)行元件的局面。這就影響了機(jī)床的加工精度，即指令脈沖與實(shí)際進(jìn)給步數(shù)不相符合，產(chǎn)生加工誤差。

絲杠螺距誤差。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中涉及的零件等會(huì)有誤差。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起停誤差。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止的過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總是滯后于控制脈沖。

解決的措施包括以下幾點(diǎn)。

反向間隙誤差補(bǔ)償。將開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置反向間隙誤差補(bǔ)償功能，用以補(bǔ)足空走的步數(shù)。反向間隙差補(bǔ)償就是實(shí)測(cè)反向進(jìn)給的誤差，把它折算成脈沖當(dāng)量數(shù)，作為間隙補(bǔ)償子程序的輸出量，當(dāng)計(jì)算機(jī)判斷出現(xiàn)的指令為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨即調(diào)用間隙補(bǔ)償子程序，通過(guò)輸出補(bǔ)償脈沖消除反向間隙后再進(jìn)行正常的插補(bǔ)運(yùn)行。

常值系統(tǒng)性定位誤差補(bǔ)償。先在機(jī)床上建立絕對(duì)原點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測(cè)的機(jī)床某一坐標(biāo)軸的全程點(diǎn)位誤差曲線來(lái)確定補(bǔ)償點(diǎn)，最后列成誤差修正表，存入計(jì)算機(jī)。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，由安裝在絕對(duì)原點(diǎn)處的微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出絕對(duì)原點(diǎn)定位信號(hào)，計(jì)算機(jī)隨時(shí)發(fā)出對(duì)應(yīng)于目標(biāo)補(bǔ)償點(diǎn)的誤差補(bǔ)償信息，對(duì)機(jī)床的定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

反饋補(bǔ)償開(kāi)環(huán)控制。該系統(tǒng)由開(kāi)環(huán)控制和感應(yīng)同步器直接位置測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分組成，這里的位置檢測(cè)不用作位置的反饋，而是作為位置誤差的補(bǔ)償反饋，工作在鑒幅方式的感應(yīng)同步器此時(shí)既是位置檢測(cè)器，又是比較器。

（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成。這類控制系統(tǒng)因把機(jī)床工作臺(tái)納入了控制環(huán)節(jié)，故稱為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠時(shí)時(shí)檢測(cè)到工作臺(tái)的實(shí)際位置，位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，用以檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制，并反饋給數(shù)控系統(tǒng)中，與系統(tǒng)中的指令值進(jìn)行比較，用差值對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，直到消除差值時(shí)才停止移動(dòng)。系統(tǒng)框架如圖2所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因有死區(qū)引入的誤差，機(jī)械磨損引起的誤差，制造安裝引起的誤差，控制系統(tǒng)硬件引起的誤差。

減少上述誤差的主要方法是盡量選用精度較高的反饋系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的安裝精度，解決方法如下。

機(jī)械傳動(dòng)中的死區(qū)間隙，包括傳動(dòng)中的摩擦死區(qū)和電器元件參數(shù)的死區(qū)，其中機(jī)械傳動(dòng)裝置造成的間隙等于各傳動(dòng)副的間隙反映到工作臺(tái)行間隙量之和，主要由間隙和摩擦死區(qū)兩部分，是可以確定的，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。磨損也是不可避免的，持續(xù)的，在實(shí)際生產(chǎn)中，在一定的時(shí)間內(nèi)，可將磨損看做一定值，作為系統(tǒng)誤差予以補(bǔ)償。

安裝時(shí)要根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果正確調(diào)整導(dǎo)軌和絲杠的安裝，滾珠絲杠的精度應(yīng)與導(dǎo)軌的精度相適應(yīng)。

在正常系統(tǒng)中，會(huì)因編碼器、電纜的屏蔽、接口電路性能導(dǎo)致脈沖技術(shù)偏差。編碼器產(chǎn)生的偏差應(yīng)為零或小到可以忽略不計(jì)，因?yàn)榫幋a器是閉環(huán)系統(tǒng)中的唯一位置檢測(cè)環(huán)，所以轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)盡量與工作臺(tái)轉(zhuǎn)速接近。

（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 。半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)絲杠上裝有角位移電流檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，用安裝在進(jìn)給絲杠軸或伺服電機(jī)軸端的角位移測(cè)量元件來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)測(cè)量，并對(duì)誤差進(jìn)行修正。由于工作臺(tái)沒(méi)有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床，系統(tǒng)框架如圖3所示。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因包括：傳動(dòng)鏈部分，絲杠的固有誤差，滾珠絲杠副的誤差。

解決方法包括由數(shù)控系統(tǒng)軟件實(shí)施補(bǔ)償；盡量減小滾珠絲杠副、軸承的預(yù)壓，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度要求，選用適當(dāng)?shù)慕z杠導(dǎo)程，降低轉(zhuǎn)數(shù)，選定合適的潤(rùn)滑油及利用空氣冷卻絲杠外援，將滾珠絲杠累計(jì)導(dǎo)程目標(biāo)值置為負(fù)值；在絲杠軸上施加預(yù)張力；可按控制系統(tǒng)的誤差予以補(bǔ)償。

2. 機(jī)械部分產(chǎn)生的誤差。

（1）由工裝（包括刀具、夾具、量具等）產(chǎn)生的誤差。應(yīng)在數(shù)控加工中盡量采用數(shù)控刀具；選取合適的量具可以時(shí)常檢測(cè)成型零件的真實(shí)尺寸，保證加工出符合圖紙的產(chǎn)品；夾具可以實(shí)現(xiàn)快速安裝零件的作用，但同時(shí)要求夾具保證零件裝夾時(shí)的變形量滿足要求，否則過(guò)大的變形量將影響零件的加工精度。

（2）刀尖圓弧誤差。在切削內(nèi)孔、外孔或端面時(shí)，刀尖圓弧不影響其尺寸、形狀，但在加工錐面或圓弧時(shí)受刀尖圓弧影響造成過(guò)切或少切；對(duì)刀誤差主要產(chǎn)生在對(duì)刀過(guò)程中，刀具在移動(dòng)到起刀點(diǎn)位置時(shí)受操作系統(tǒng)的進(jìn)給修調(diào)比例值影響。

刀尖圓弧誤差可通過(guò)測(cè)量刀尖圓弧半徑，采用刀具半徑補(bǔ)償功能來(lái)消除誤差；對(duì)刀誤差可以合理選擇進(jìn)給修調(diào)比例，尤其是當(dāng)?shù)毒呖拷鸬饵c(diǎn)位置時(shí)采用最小擋進(jìn)給修調(diào)使刀具精確定位于起刀點(diǎn)位置。

三、結(jié)論

由上文分析可知，因外力、安裝、溫度、磨損、死區(qū)等因素引起的誤差在理論上可歸類于系統(tǒng)誤差部分，通過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)表，通過(guò)系統(tǒng)軟件可以進(jìn)行補(bǔ)償。但由硬件引起的誤差則往往是由控制系統(tǒng)和算法本身的原因造成，而不能進(jìn)一步補(bǔ)償，只能預(yù)先估計(jì)，不僅要考慮優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)、滾珠絲杠和導(dǎo)軌的精度，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境及防護(hù)提出要求，如恒溫、消除電磁干擾和定期清洗傳動(dòng)部件等。