陳恩來

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福州 350002）

1 數(shù)控機(jī)床在工業(yè)制造中的重要性

數(shù)控機(jī)床主要由主體結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及相關(guān)的防護(hù)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成。由于信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的良好發(fā)展，數(shù)控機(jī)床取得了長足的進(jìn)步，使得擁有較高加工精度和出色穩(wěn)定性的數(shù)控機(jī)床相繼誕生。工作人員通過數(shù)控機(jī)床手動編程可以生成相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)對零部件的有效加工。相對于一些復(fù)雜零部件，需要通過三維建模、UG等制圖軟件生成程序，即可實(shí)現(xiàn)自動化加工，有效節(jié)省了加工時間，減輕了工作人員的工作量。在數(shù)控機(jī)床使用和操作過程中，數(shù)控機(jī)床整體的加工精度對提升零部件的精度、光潔度產(chǎn)生巨大影響。為了確保數(shù)控機(jī)床具有良好的使用穩(wěn)定性，要求機(jī)床操作人員和維修人員擁有良好的綜合素養(yǎng)，有效維護(hù)和保養(yǎng)數(shù)控機(jī)床。

2 數(shù)控編程對加工精度的影響及對策

2.1 編程原點(diǎn)選擇對加工精度的影響及對策

數(shù)控機(jī)床程序編程要有效確定編程原點(diǎn)，因?yàn)樗苯佑绊懥悴考募庸ぞ?。通常操機(jī)人員需要結(jié)合零部件的具體外形和機(jī)床的規(guī)格來確定編程坐標(biāo)系。編程坐標(biāo)系的確定必須要依據(jù)編程基準(zhǔn)、圖紙基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)，并針對相關(guān)基準(zhǔn)進(jìn)行有效統(tǒng)一，才可以最大限度減少由于頻繁換算公差而產(chǎn)生的不良 誤差。

解決編程原點(diǎn)不明確問題，需要有效融合編程基準(zhǔn)、圖紙基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)，同時做到以下4個方面[1]。首先，要求編程原點(diǎn)與圖紙尺寸基準(zhǔn)有效融合。設(shè)計零部件時，針對設(shè)計基準(zhǔn)要有效明確，同時兼顧加工時的工藝基準(zhǔn)，盡可能實(shí)現(xiàn)有效融合。其次，要盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)值的簡單計算，避免重復(fù)存在尺寸鏈換算的情況。再次，原點(diǎn)應(yīng)該盡量選擇在精度和光潔度相對更高的表面。最后，要求原點(diǎn)的設(shè)計便于測量尺寸，以便能夠規(guī)避編程原點(diǎn)設(shè)定不佳可能會出現(xiàn)的相關(guān)問題，從而提高加工精度。

2.2 編程時數(shù)據(jù)處理對加工精度的影響及對策

編寫程序時，良好地處理數(shù)據(jù)能夠有效提高輪廓軌跡加工精度。可見，數(shù)據(jù)處理對于輪廓加工精度有直接影響，其中最突出的因素是未知編程節(jié)點(diǎn)的計算和編程尺寸公差區(qū)間的計算與轉(zhuǎn)換[2]。

一方面，數(shù)控系統(tǒng)可以結(jié)合已知輪廓的幾何條件自動計算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，但一些數(shù)控系統(tǒng)需要通過手工計算。在針對未知幾點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行手工計算的過程中，存在的突出問題為精度計算誤差。大量分析研究發(fā)現(xiàn)，手工計算結(jié)果與計算機(jī)輔助查詢結(jié)果相差0.01～0.03 mm。 為了提高手工計算精度，需要開展兩方面工作。一是手工計算的中間數(shù)據(jù)一定要有效保留4位以上的小數(shù)?，F(xiàn)階段，我國數(shù)控機(jī)床大部分脈沖當(dāng)量為0.001 mm， 如果使用計算器計算，應(yīng)當(dāng)保留全部小數(shù)。二是編程尺寸要依據(jù)機(jī)床脈沖當(dāng)量。所謂脈沖當(dāng)量，是指機(jī)床發(fā)送一個指令脈沖機(jī)床最小的移動量。如果數(shù)控機(jī)床脈沖當(dāng)量為0.001 mm，那么其計算結(jié)果至少應(yīng)當(dāng)保留3位小數(shù)。

另一方面，零部件各處尺寸如果存在公差不一致或者公差不對稱情況，那么需要人工再次計算編程尺寸。如果需要同一把刀具加工零部件，則需要選取公差平均值進(jìn)行編程。這樣能夠使公差均勻分布，為減少機(jī)床加工誤差留出更多空間，有效保障加工精度。如果編程尺寸公差帶基本一致或者保持對稱，則應(yīng)該通過公稱尺寸編程，從而有效減少計算量。譬如：兩個外輪廓尺寸分別為20+00.02mm、5+00.01mm，應(yīng)當(dāng)選取的中值分別為20.01 mm和5.005 mm，并以此數(shù)據(jù)進(jìn)行編程；加工20+00.02mm、24+00.02mm兩個外輪廓尺寸時，較為簡便的編程方法是選取尺寸20 mm和24 mm進(jìn)行編程，并通過刀具補(bǔ)償保障公差，即在系統(tǒng)刀架補(bǔ)償界面實(shí)現(xiàn)半徑補(bǔ)償修正0.01 mm。

2.3 加工路線對加工精度的影響及對策

加工路線對機(jī)床加工精度產(chǎn)生的影響相對較大。良好的加工路線能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床加工效率和精度的全面提升。確定加工路線應(yīng)該綜合考慮3個方面[3]。

首先，對零部件輪廓加工影響最大的是進(jìn)、退刀方式。如果刀具在零部件內(nèi)外輪廓進(jìn)行連續(xù)的下刀和抬刀，會導(dǎo)致零部件加工有接刀痕或者運(yùn)動誤差，所以零部件加工下刀和抬刀最好要脫離零部件表面。如果必須在表面進(jìn)退刀，則應(yīng)該選取圓弧切入或者圓弧切出。

其次，相對于立式加工中心來說，為了提高零部件加工表面質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)采取順銑的形式處理零部件表面，提高刀具的耐久度。此外，以下3種情況應(yīng)該采取逆銑。一是工件的表面有硬化層，應(yīng)該采取逆銑。二是加工非金屬材料尤其是塑料和尼龍材料時，應(yīng)當(dāng)選擇逆銑。三是刀具如果存在較大的長徑比，應(yīng)該采取逆銑。長徑比較大的銑刀剛性較差，因此針對切血量相對較小的零部件表面切削應(yīng)當(dāng)采取逆銑加工。順銑加工雖然可以產(chǎn)生較大的切削量，但是加工過程中存在振動。逆銑雖然切削量較小，但是通過提高轉(zhuǎn)速能夠減少刀具變形，從而提高加工質(zhì)量。

最后，針對位置精度相對不高的孔隙加工，應(yīng)當(dāng)遵循加工路線最短原則。如果相對鉆孔加工擁有較高的精度要求，刀具的路線選擇應(yīng)該盡量避免機(jī)床各軸反向間隙的影響。圖1為零部件孔隙加工尺寸圖。圖2為最短加工路線圖，此種情況容易產(chǎn)生外向的反向間隙誤差。圖3通過路線偏移避免了外向加工有反向間隙誤差，不會影響零部件鉆孔的精度，但是加工路線相對較長。筆者認(rèn)為，如果孔隙加工的精度較高，應(yīng)該選擇圖3的加工路線。

圖2 最短的加工路線圖 圖3 偏移加工路線圖

2.4 插補(bǔ)運(yùn)算對加工精度的影響及對策

插補(bǔ)運(yùn)算對于提高加工精度的影響在于系統(tǒng)的插補(bǔ)形式。相對于許多經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)來說，通常采用脈沖增量方法，而較為精密的數(shù)控系統(tǒng)通過采樣和軟硬件配合的補(bǔ)償方法。無論何種補(bǔ)償方式都會產(chǎn)生累積誤差，而累計誤差達(dá)到一定值就會導(dǎo)致機(jī)床移動存在定位誤差，影響機(jī)床的整體精度。

編程過程中，為了減小存在的插補(bǔ)累計誤差，應(yīng)該采取以下兩種方法[4]。第一，編程方式盡量采取絕對式編程。絕對式編程是以某一編程原點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)零部件坐標(biāo)程序的應(yīng)用和循環(huán)程序加工指令運(yùn)用。第二，在加工過程中，要盡量將回參考點(diǎn)指令插入程序，尤其是一些程序往往需要較長的加工節(jié)拍才能完成。所以，要通過機(jī)床參考點(diǎn)的有效返回，有效消除系統(tǒng)運(yùn)算中可能潛在的累計誤差。加工過程中，在參考點(diǎn)換刀是較為理想的解決策略。

2.5 軌跡擬合誤差對加工精度的影響及對策

數(shù)控機(jī)床在針對一些非圓形曲線進(jìn)行加工的過程中，主要是將一些圓弧分為若干個小線段或者圓弧來生成加工軌跡。一般數(shù)控系統(tǒng)通常只具備直線插補(bǔ)或者平面圓弧插補(bǔ)功能，但是如果加工軌跡為非圓曲線，只能通過直線或者圓弧去擬合非圓曲線。目前，非圓曲線擬合常用方法包括等間距、等弦長以及等誤差法等。應(yīng)用等誤差法可以有效提高加工精度，從而有效保障擬合精度。非圓弧曲線軌跡擬合通常通過計算機(jī)軟件進(jìn)行自動編程，如計算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）可以通過等弦長和等誤差法對非圓曲線進(jìn)行擬合。

但是，擬合過程中肯定存在擬合誤差。因此，最重要的基礎(chǔ)條件是控制擬合誤差，以保證其低于工件的允許誤差范圍，必要時還要進(jìn)行多次計算。

現(xiàn)階段數(shù)控系統(tǒng)通常有規(guī)則的非圓曲線編程功能，可以針對拋物線、橢圓曲線、雙曲線等的加工對零部件進(jìn)行編程精度更加理想的宏變量編程。

3 機(jī)床傳動系統(tǒng)誤差對加工精度的影響

機(jī)床傳動系統(tǒng)存在的誤差會影響機(jī)床本身的加工精度。筆者總結(jié)了多年工作經(jīng)驗(yàn)，提出機(jī)床自身產(chǎn)生誤差主要體現(xiàn)為3種情況，分別為溫度變化導(dǎo)致機(jī)床變形的情況、強(qiáng)度不足導(dǎo)致機(jī)床剛性下降的情況以及機(jī)床本身結(jié)構(gòu)存在誤差。

3.1 螺距誤差及補(bǔ)償

對于一些經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，它的傳動系統(tǒng)多數(shù)是半閉環(huán)傳動系統(tǒng)，整體精度取決于絲杠精度。盡管近些年來我國經(jīng)濟(jì)型機(jī)床多數(shù)通過使用高精度滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)了精度和剛性的提升，但是絲杠在使用過程中存在磨損情況，會產(chǎn)生螺距誤差。為了減小螺距誤差，提高加工精度，需要進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償。螺距誤差補(bǔ)償通過激光干涉儀的高精度位置測量，與機(jī)床實(shí)際運(yùn)動位置測量結(jié)果相比較。在軸運(yùn)動全程上測定某一些實(shí)際坐標(biāo)，并記錄各測量點(diǎn)的誤差，之后輸入數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，可以使機(jī)床在運(yùn)動到某一節(jié)點(diǎn)時結(jié)合誤差值自動進(jìn)行補(bǔ)償。

目前，在機(jī)床螺距補(bǔ)償建設(shè)過程中，設(shè)置測點(diǎn)越多，螺距誤差補(bǔ)償效果提升越好。螺距誤差補(bǔ)償需要注意以下3個方面。首先，如果機(jī)床重復(fù)精度過低，則不能通過螺距誤差補(bǔ)償提升精度。其次，螺距誤差補(bǔ)償是依據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)定的。最后，機(jī)床坐標(biāo)要依靠參考點(diǎn)明確，所以參考點(diǎn)的誤差應(yīng)當(dāng)設(shè)定為零。

下面簡述西門子828系統(tǒng)（臥式數(shù)控車床HTC40E）Z軸螺距誤差補(bǔ)償流程。首先，進(jìn)行激光螺距誤差補(bǔ)償尺寸的設(shè)定，通過程序設(shè)定為X軸原點(diǎn)（靠近尾臺部位距離X軸硬限位10 mm）為起始點(diǎn)，向正方向行走150 mm，程序暫停間距為15 mm，共走10個點(diǎn)位，之后通過激光數(shù)據(jù)讀取確定相關(guān)反向數(shù)值，并將其添加到系統(tǒng)的螺距誤差補(bǔ)償界面。圖4和圖5為螺距誤差補(bǔ)償補(bǔ)償初始界面和補(bǔ)償后界面，之后點(diǎn)擊激活，實(shí)現(xiàn)螺距誤差補(bǔ)償?shù)挠行л斎牒蛥?shù)的復(fù)位。此時，可以參考診斷畫面中的軸診斷來判斷螺距誤差補(bǔ)償是否生效。

圖4 螺距誤差補(bǔ)償補(bǔ)償初始界面

圖5 螺距誤差補(bǔ)償補(bǔ)償后界面

3.2 反向間隙誤差及補(bǔ)償

數(shù)控機(jī)床傳動系統(tǒng)中存在許多間隙。譬如，機(jī)床傳動齒輪箱中，相互齒輪存在齒側(cè)間隙，絲杠的絲母套和螺母也存在間隙。反向間隙的存在會導(dǎo)致伺服電機(jī)帶動滑臺運(yùn)轉(zhuǎn)時有空轉(zhuǎn)或者不轉(zhuǎn)動的情況，引發(fā)嚴(yán)重的機(jī)床精度誤差，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的震蕩。相對于反向間隙的控制來說，數(shù)控機(jī)床應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行優(yōu)化。例如，可以采取絲杠螺母副預(yù)緊手段、同步齒形帶以及齒輪間隙消除等手段來減小反向間隙[5]。相對于半閉環(huán)系統(tǒng)，它可通過螺距誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行彌補(bǔ)。在軸運(yùn)動過程中，記錄反向間隙，并輸入數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如反向間隙的補(bǔ)償值，從而有效彌補(bǔ)反向間隙誤差。相對于全閉環(huán)系統(tǒng)，要針對反向間隙補(bǔ)償量和快移反向間隙補(bǔ)償量進(jìn)行輸入。譬如，F(xiàn)ANUC 0i-MF PLUS系統(tǒng)應(yīng)該在1851和1852兩個參數(shù)中輸入補(bǔ)償量，以在傳動系統(tǒng)加速運(yùn)動中補(bǔ)償加速反向間隙，從而有效提高加工效率和精度。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床是我國工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，能夠有效提升數(shù)控機(jī)床零部件加工精度和效率，能夠?yàn)槲覈鐣髁x經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供巨大幫助。針對數(shù)控機(jī)床影響加工精度的相關(guān)因素進(jìn)行分析，同時結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，探討相關(guān)優(yōu)化路徑，能夠?yàn)閿?shù)控機(jī)床的加工和使用提供借鑒。