范鵬章 馬茂軍 楊曉紅 房芹芹 王延明

（1.東營市技師學(xué)院，山東 東營 257000 ；2.東營市市政工程公司，山東 東營 257000）

0 引言

近年來，因數(shù)控機床精度下降而導(dǎo)致數(shù)控機床成品制造精度下降的問題時有發(fā)生，加工精度的降低就會影響制造產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，高效地識別數(shù)控機床加工誤差已經(jīng)成為制造業(yè)關(guān)注的熱點問題之一。該文圍繞數(shù)控機床加工精度分析和提高方法要求開展有關(guān)數(shù)控機床加工精度及提高手段的相關(guān)研究，旨在提升數(shù)控機床的加工精度，為我國制造業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

1 影響數(shù)控機床加工精度的分類原因分析

根據(jù)美國常用的數(shù)控機床誤差分類機制，可以將數(shù)控機床誤差分為檢測誤差、加工過程誤差與機床誤差，各項誤差具體細(xì)分內(nèi)容如下：1） 檢測誤差。不確定性誤差的占比為10%，安裝誤差的占比為5%。2） 加工過程誤差。操作誤差的占比為7.5%，彈性熱變形誤差及工件熱誤差的占比為6.5%，夾具誤差的占比為7.5%，刀具誤差的占比為13.5%。3） 機床誤差。熱誤差的占比為28.0%，幾何誤差的占比為22.0%。

對誤差來源進行分析可知，運行情況、運行時環(huán)境條件的影響、加工過程中的實時監(jiān)測、生產(chǎn)過程中機械的材質(zhì)不均勻、裝夾彈性變形、更換機床切割刀具、刀具變形、刀具磨損、刀具與工件作用位點相互偏差、伺服系統(tǒng)跟蹤誤差以及位置監(jiān)測誤差等因素都有可能使數(shù)控機床出現(xiàn)誤差。所有數(shù)控機床運行后都會受到誤差的影響，但均能夠通過應(yīng)用各類誤差補償方式抵消誤差。

2 提高數(shù)控機床加工精度的關(guān)鍵技術(shù)與方法研究

2.1 誤差補償技術(shù)

在進行誤差補償時，需要先預(yù)估誤差補償值。確定目標(biāo)值后，再明確補償誤差的時間，通?？煞譃閷崟r誤差補償與離線誤差補償。

在進行實時誤差補償時，需要利用硬件輔助裝置。以熱誤差檢測系統(tǒng)開展的誤差補償技術(shù)為例，應(yīng)用YK3105E數(shù)控滾齒機床進行誤差補，采取的策略為反饋補償控制策略。具體實踐策略如圖1所示。

圖1 誤差補償實踐策略

具體實踐步驟流程如下：1） 應(yīng)用球桿儀及激光干涉儀對機床中旋轉(zhuǎn)副及移動副的幾何誤差元素進行測量，獲取實時檢測樣本數(shù)據(jù)。2） 數(shù)據(jù)處理單元處理樣本數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對誤差進行分離辨識。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷理想軌跡與刀具軌跡間誤差是否滿足精度加工條件（該過程由計算機自動完成）。3） 情況判斷。如果滿足條件，就直接輸出。如果不滿足條件，則將數(shù)據(jù)輸入誤差元素數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中既往存儲的誤差值大小對誤差補償具體數(shù)值進行判斷。4）指令修正。將修正后的數(shù)據(jù)輸入數(shù)控機床，以進行誤差補償。

2.2 誤差測量技術(shù)

直接誤差測量技術(shù)是面向單環(huán)節(jié)的，僅需要借助儀器獲取直接誤差數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的獲取方面也比較簡單。在測量時，技術(shù)人員可直接應(yīng)用相關(guān)光學(xué)或機械方法（例如激光干涉儀、運動測量儀等設(shè)備）進行誤差測量。由于測量項目較少，因此該技術(shù)的優(yōu)勢就是測量耗時短。綜上所述，誤差測量技術(shù)的關(guān)鍵就是尋求測量效率與測量精度間的平衡，在開展任意一項操作時，都有可能對另外一者造成影響。

以D165型三軸機床的幾何測量為例，可采用自由度激光干涉測量方案。在進行測量時，首先應(yīng)該選擇合理的位置放置激光測量器，機床主軸卡上放置自由度傳感器，機床工作臺處放置基準(zhǔn)水平儀。當(dāng)測量的方向不同時，橫向與縱向的檢測儀可根據(jù)檢測位置實時調(diào)整反光鏡，以避免在測量過程中出現(xiàn)重新裝配激光器的問題。因為光沿直線傳播，所以在測量時，需要在測量位點放置90°反光鏡，一方面能夠確保光線從軸傳遞變?yōu)閺妮S傳遞，另一方面也能消除九線法中反射基準(zhǔn)不重合的問題。自由度激光干涉測量儀測量時原理如圖2所示。

圖2 自由度激光干涉測量儀測量原理圖

2.3 誤差建模技術(shù)

對誤差綜合建模來說，需要通過帶入工件和刀具之間的相對位置來確定數(shù)控機床的加工精度。其數(shù)學(xué)語言表述為工件與刀具間的相對距離（在運動型模型中被稱為綜合誤差）。

以YK3150E數(shù)控滾齒機床幾何誤差建模為例，需要利用空間建模技術(shù)，先設(shè)定刀尖在刀具體坐標(biāo)系中的位置矢徑以及在工件坐標(biāo)系中的位置矢徑，再計算工件加工點與刀尖實際位置間的矢量偏差。根據(jù)誤差模型相鄰體間的特征變化要求，考慮工件加工時熱誤差的影響，計算物體的實際特征變換矩陣，從而獲得三軸機床通用空間綜合誤差補償模型的數(shù)學(xué)公式。該研究中得到的矩陣如公式（1）所示。

式中：ξ、ξ以及ξ分別為YK3150E型數(shù)控滾齒機床在工序中旋轉(zhuǎn)一定角度及移動一段距離后，滾刀坐標(biāo)相較于工件坐標(biāo)系在軸、軸以及軸之間的位移誤差；σ、σ以及σ分別為YK3150E型數(shù)控滾齒機床在工序中旋轉(zhuǎn)一定角度及移動一段距離后，滾刀坐標(biāo)相較于工件坐標(biāo)系在軸、軸以及軸之間的旋轉(zhuǎn)誤差。

將相應(yīng)的數(shù)值帶入公式（1）就能夠算出YK3150E型數(shù)控滾齒機床的精確誤差值，將數(shù)值輸入數(shù)控補償軟件中即可開展誤差補償。

2.4 機床設(shè)計角度降低誤差的相關(guān)方法

從降低誤差的角度來看，應(yīng)用閉環(huán)控制的伺服給系統(tǒng)能有效補償在機械傳動過程中因機械間隙（會產(chǎn)生一定的機械干擾）而導(dǎo)致加工精度受到的影響?？筛鶕?jù)自身條件合理選擇交流或直流伺服系統(tǒng)供電。但應(yīng)注意，由于伺服系統(tǒng)改造所花費的成本較高且技術(shù)難度大，后期維修與調(diào)試較困難，因此，當(dāng)生產(chǎn)加工精度不高的產(chǎn)品時，從經(jīng)濟學(xué)角度出發(fā)考慮，則不建議改造伺服系統(tǒng)。例如以CA6140車床為改造案例，針對橫向進給機構(gòu)，仍保留原有手動機構(gòu)操作方式，并將減速箱體、步進電機安裝在車床后側(cè)，且保留原有支承結(jié)構(gòu)。為保證改造后的設(shè)備仍能夠滿足緊急停車的要求，在溜板箱橫向及縱向處安裝急停、快速進給按鈕，防止發(fā)生意外情況?？v向進給機構(gòu)中驅(qū)動元件應(yīng)用用步電機。由于更換電機，需要拆除車床上的操作杠、光杠、刀架以及溜板箱等。針對縱向進給機構(gòu)，采用滾珠絲杠螺母代替伺服系統(tǒng)原梯形螺紋絲杠螺母副，安裝位置仍位于原處。減速器端采用原固定方式，而兩端采用滾軸軸承固定方式，采用套筒剛性聯(lián)接方式。在橫向、縱向進給系統(tǒng)中均應(yīng)用步進電動機→減速齒輪→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式。改造后的車床傳動系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改造后的車床傳動系統(tǒng)

改造的核心思路為改造軸線傳遞方式，補充精度，從而彌補軸線傳動方式下存在的反向誤差與螺距誤差。反向誤差來源于設(shè)備的運行過程，屬于動態(tài)誤差；螺距誤差來源于2個零件間的相對位置，屬于靜態(tài)誤差。動態(tài)誤差可以通過改善主傳動系統(tǒng)的軸線形式來實現(xiàn)彌補，而靜態(tài)誤差即使經(jīng)過補償后也不能完全消除誤差，最終可將其納入系統(tǒng)誤差范疇中。當(dāng)前最推薦的主傳動系統(tǒng)軸線改造方式如下：將傳統(tǒng)的高速滾珠絲杠傳動轉(zhuǎn)化為用直線電機傳動，該方式可有效提升軸線的機械剛度。因此，能夠提升軸線運行時的加速度，獲得更高的速度，從而提高生產(chǎn)效率。以某設(shè)備改造的方式為例，滑臺箱體主傳動系統(tǒng)不應(yīng)用滾珠絲杠副傳動模式，而是應(yīng)用直線電機傳動方式。改造后，經(jīng)過試驗驗證，其滿足直線電機防撞擊、防屑的要求。為確保改造后的軸線系統(tǒng)仍有較高的運行速度，設(shè)計時在電機處應(yīng)用了全封閉的防磁拉罩，減少外界因素的影響。同時，在軸線的末端應(yīng)用軟行程限位設(shè)計和高靈敏度的限位設(shè)計，保證了設(shè)備運行時的穩(wěn)定性水平。最終改造后的腔體式滑臺結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 改造后腔體式滑臺結(jié)構(gòu)圖

主軸與電機間在相互轉(zhuǎn)動的影響下易出現(xiàn)兩者相互位置改變、齒輪相互軸向位點跳動的現(xiàn)象，對生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品加工精度有顯著影響。傳統(tǒng)模式下，數(shù)控機床電機與機械主軸間的連接方式分為3種，電機直連、齒輪連接以及同步帶連接。對電機直聯(lián)方式來說，由于電機本身馬力有限，因此主軸的旋轉(zhuǎn)速度在達(dá)到一定水平后，將難以提升，軸線的轉(zhuǎn)速一般低于10 r/min。相關(guān)學(xué)者提出了應(yīng)用“主軸單元零傳動”的方式來解決該問題。其開展的具體思路如下：在內(nèi)裝電時，電機內(nèi)部的主軸、電機等所有機構(gòu)均采用一體化設(shè)計方案，從而實現(xiàn)裝置的“零傳動”。經(jīng)過該方法改造后的電主軸具備調(diào)速范圍寬、運行無爬行、性能佳、耐低溫、清潔度高、能適應(yīng)溫度變化、變速調(diào)節(jié)快、可快速啟動、轉(zhuǎn)動時慣量小、轉(zhuǎn)速及回轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)勢。當(dāng)前該技術(shù)預(yù)期的發(fā)展方向為“懸浮技術(shù)”，例如磁懸浮電主軸技術(shù)與氣體懸浮技術(shù)。在懸浮技術(shù)的背景下，各控制單元間無接觸，能夠滿足機床超高精度加工的要求。此時，將電主軸分別與高速刀具系統(tǒng)、高速進給系統(tǒng)進行配合，能夠滿足設(shè)備運行的小震動、高可靠性、高速度及高精度要求，該技術(shù)將成為未來發(fā)展的前沿技術(shù)之一。

切割參數(shù)會影響零件出廠時的精度表現(xiàn)。因此，可通過以下途徑優(yōu)化機床加工時的參數(shù)：首先，選取硬度高、脆性低、耐磨且耐切割的刀具，并確保刀具的規(guī)格與尺寸適配于生產(chǎn)物品。在選取刀具前應(yīng)經(jīng)過物理學(xué)及化學(xué)論證，分析其幾何參數(shù)、物理特性，并計算所選刀具的合適參數(shù)區(qū)間。其次，在現(xiàn)場加工階段，需要根據(jù)機床自身的運行情況調(diào)節(jié)切割參數(shù)，例如在機床處于長時間運行狀態(tài)時，可適當(dāng)降低刀具的轉(zhuǎn)速，保證同一批材料的切割效果；同時，通過實時分析切割物體的參數(shù)，調(diào)節(jié)刀具的切割角度及切割深度等參數(shù)。此外，從刀具運維的角度來說，需要通過定期檢查刀具運行時冷卻液的噴出量參數(shù)，以降低切割過程中產(chǎn)生的熱量，降低刀具可能引起的幾何誤差與熱量誤差，從整體上提高機床切割精度水平。

3 結(jié)語

綜上，將誤差補償技術(shù)充分應(yīng)用于數(shù)控機床的改造中，能夠提升機床的加工精度。該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中存在建模方式落后的問題，需要在日后研發(fā)中對其進行改進，智能化制造的逐步深入及誤差補償技術(shù)的不斷應(yīng)用將有效促進超精密數(shù)控機床的發(fā)展。因此，對機床企業(yè)來說，需要注重技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，識別影響當(dāng)前機床加工精度的相關(guān)因素，并開展有針對性的研發(fā)工作，最終優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)過程及生產(chǎn)工藝，從而促進我國高精尖數(shù)控機床的有序發(fā)展。