數(shù)控車床加工精度影響因素及控制

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摘要：在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，數(shù)控技術(shù)取得了較大突破，并迅速應(yīng)用于生產(chǎn)。數(shù)控車床是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的典型代表，其通過CNC系統(tǒng)與普通車床相結(jié)合，以數(shù)字化的手段來控制機(jī)床的生產(chǎn)。數(shù)控車床有許多優(yōu)點(diǎn)，不但加工精度高，而且產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量較為穩(wěn)定，可以說，數(shù)控技術(shù)的引入給機(jī)械加工行業(yè)帶來了一次新的革命。文章對數(shù)控車床的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行闡述，對數(shù)控車床加工精度產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行分析，并從這些角度分析如何對數(shù)控車床的加工精度進(jìn)行優(yōu)化，旨在促進(jìn)數(shù)控車床加工精度的提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；加工精度；影響因素；優(yōu)化方案

1數(shù)控車床概述

1.1數(shù)控車床的工作原理

數(shù)控車床看起來比較復(fù)雜，但是其組成和工作原理非常簡單，是普通機(jī)床本體與CNC系統(tǒng)的組合，通過該計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對車床的控制，最終形成數(shù)控車床[1]。數(shù)控車床與普通車床相比，有著明顯的數(shù)字化優(yōu)勢，而且具有普通機(jī)床無法企及的優(yōu)勢，因此比普通車床有著更廣泛的應(yīng)用。數(shù)控車床的工作原理偏向數(shù)字化的特點(diǎn)，比如在進(jìn)行生產(chǎn)加工前，通過計(jì)算機(jī)語言的編程，將生產(chǎn)產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，由系統(tǒng)通過CNC裝置等指揮操作完成生產(chǎn)。數(shù)控車床的具體工作流程如下：首先由工作人員將待加工零件放到機(jī)床的相應(yīng)位置上，隨后將該零件的加工數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)中[2]，接著再通過CNC系統(tǒng)錄入零件加工的相關(guān)信息；之前錄入CNC系統(tǒng)中的所有信息都將通過裝置轉(zhuǎn)存為相應(yīng)代碼，通過PLC系統(tǒng)將接收的代碼進(jìn)行翻譯，輸出對應(yīng)的指令，機(jī)床的各裝置接收到指令后按照指令進(jìn)行工作。

1.2數(shù)控車床的特點(diǎn)

CNC系統(tǒng)的引入使得數(shù)控車床的使用更加數(shù)字化和自動(dòng)化，有著傳統(tǒng)車床不具備的優(yōu)點(diǎn)：（1）加工精度更高。CNC控制系統(tǒng)的引入，使得數(shù)控車床的加工精度有了非常明顯的提高，不僅提升了機(jī)械零件加工的質(zhì)量，還使加工成品的穩(wěn)定性得到了保障。（2）加工深度大。CNC控制系統(tǒng)可以對多種程序進(jìn)行集合，在多種程序的聯(lián)動(dòng)工作下，加工的零件不再拘泥于過去的形狀，變得更加復(fù)雜多樣[3]。（3）工作效率更高。改變數(shù)控車床的加工零件的形狀非常簡單，只需要改變系統(tǒng)中的程序，就可以控制數(shù)控車床加工不同的零件，因此不必預(yù)留出計(jì)算評估時(shí)間，工作效率得到了很大程度上的提升。（4）生產(chǎn)過程自動(dòng)化。在CNC系統(tǒng)的幫助下，數(shù)控車床加工零件效率非常高，只要在系統(tǒng)中輸入相關(guān)的程序，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)化，可以批量完成零件的加工工作，顯著減少人力和物力的浪費(fèi)，不僅提高了生產(chǎn)效率還降低了工作人員的生產(chǎn)強(qiáng)度。

2數(shù)控車床加工精度的影響因素

2.1伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)控車床系統(tǒng)中占有非常重要的位置，是系統(tǒng)的中樞，其能夠準(zhǔn)確地對車床工作的某一個(gè)過程進(jìn)行跟隨，或是將這個(gè)過程完整復(fù)制下來，所以也叫作隨動(dòng)系統(tǒng)。車床在進(jìn)行零部件加工時(shí)，伺服系統(tǒng)起到重要的驅(qū)動(dòng)作用。同時(shí)伺服系統(tǒng)還能夠決定零件的加工精度，在車床工作過程中的重要環(huán)節(jié)都能夠體現(xiàn)伺服系統(tǒng)的作用。在車床進(jìn)行零件加工時(shí)，一般是通過閉環(huán)控制伺服給進(jìn)系統(tǒng)來對數(shù)控車床的工作進(jìn)行控制，而伺服系統(tǒng)將工作信號(hào)向外傳遞之后會(huì)引起絲杠的反向運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的空轉(zhuǎn)情況。該空轉(zhuǎn)狀況是影響數(shù)控車床加工精度的因素之一[4]。

2.2刀具參數(shù)

當(dāng)數(shù)控車床進(jìn)行零件加工時(shí)，需要通過刀具進(jìn)行切削。在加工過程中，用于切削零件的車刀軸線可能會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，從而導(dǎo)致切割時(shí)出現(xiàn)產(chǎn)品不穩(wěn)定的情況，刀尖圓弧半徑會(huì)有所改變，切削出來的產(chǎn)品會(huì)存在一定的偏差。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差并加以處理，將會(huì)導(dǎo)致偏差越來越大。因此，在向控制系統(tǒng)中輸入刀具的參數(shù)時(shí)，要根據(jù)零件加工的具體情況，了解車刀軸線的變化情況，并在此基礎(chǔ)上找到合適的軸向位移長度、刀尖所形成的圓對應(yīng)的半徑以及主偏角的大小，向系統(tǒng)中輸入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)[5]。要充分了解需要加工的零件所具有的特點(diǎn)，從而設(shè)置合適的偏差參數(shù)，通過科學(xué)分析，加以調(diào)整和修正，減少刀具參數(shù)不合理，避免加工精度降低。

2.3切削用量

當(dāng)數(shù)控車床進(jìn)行零件加工時(shí)，需要對零件進(jìn)行一定量的切削。切削中最重要的三要素分別是切削速度、切削深度和切削用量，其中切削用量對零件加工精度有很大的影響，會(huì)對零件表面光滑度產(chǎn)生一定影響。在對零件進(jìn)行初加工時(shí)，一般會(huì)用較大的背吃刀量來進(jìn)行加工，這樣的選擇能夠提高效率。但這種方式存在一定問題，背吃刀量和切削力是呈正向的關(guān)系，在這種情況下，會(huì)給刀具和零件造成一定的磨損，不利于產(chǎn)品加工精度的提升。在零件進(jìn)行細(xì)致加工時(shí)，零件的精度是重點(diǎn)提升的對象，要求比較嚴(yán)格，所以在選擇切削用量時(shí)，注意要提高切削速度、縮小進(jìn)給量，同時(shí)由于背吃刀量有所差異，要保持一定的精度余量。

3數(shù)控車床加工精度的優(yōu)化方案

3.1合理使用誤差改正方法

誤差是影響數(shù)控車床加工精度非常重要的因素，因此如果要針對這一因素實(shí)現(xiàn)加工精度的有效提升，就要充分使用誤差補(bǔ)償法，也就是在考慮系統(tǒng)補(bǔ)償功能的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮軟件和硬件的因素，將二者實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，對坐標(biāo)軸進(jìn)行再次補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)加工精度的提升。如果誤差表現(xiàn)在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，最理想的解決方式是通過反向偏差補(bǔ)償法來解決誤差。反向偏差補(bǔ)償法和誤差補(bǔ)償法有一定差異。反向偏差補(bǔ)償法，主要是將零件的誤差和潛在誤差盡可能地減小，從而降低總體的誤差，并將其壓縮到可以控制的范圍中，但是反向偏差補(bǔ)償法有比較明顯的缺點(diǎn)，它應(yīng)用成本較高，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍受限[6]。因此，要想通過反向偏差補(bǔ)償法進(jìn)行誤差的改正，還要對該方法進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展，從而不必耗費(fèi)較多的成本就能夠達(dá)到降低誤差、提高車床的加工精度的效果。

3.2重視對車床機(jī)控的維護(hù)

數(shù)控車床雖然可以通過數(shù)字化的程序進(jìn)行控制，但是控制系統(tǒng)主要還是通過控制刀具來對產(chǎn)品進(jìn)行加工，因此定期對機(jī)床進(jìn)行檢查十分必要。需要在機(jī)床一些關(guān)鍵部位進(jìn)行潤滑，保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，濾網(wǎng)清理也十分重要，還要經(jīng)常對精度進(jìn)行調(diào)整。另外，數(shù)控車床要經(jīng)常進(jìn)行工作，長時(shí)間閑置的情況下，電氣系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)之間的連接容易出現(xiàn)問題，比如系統(tǒng)插頭接觸不良、電池出現(xiàn)老化等情況。此時(shí)數(shù)控車床再次作業(yè)時(shí)，可能需要進(jìn)行大型的維修才能恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.3減小伺服系統(tǒng)的誤差

如果發(fā)現(xiàn)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，一定要引起重視。解決伺服系統(tǒng)的誤差可以從兩方面著手：第一，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在車床開始設(shè)計(jì)時(shí)要保證驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)性能處于優(yōu)良狀態(tài)，只有驅(qū)動(dòng)裝置擁有良好的動(dòng)態(tài)性能，才能保證伺服裝置具有較強(qiáng)的抗壓和抗載能力，從而降低伺服系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的概率。第二，CNC控制系統(tǒng)。在做好第一步的優(yōu)化并完成相關(guān)設(shè)置后，要重新設(shè)置CNC控制系統(tǒng)的參數(shù)，保證參數(shù)是經(jīng)過優(yōu)化選擇的。

3.4防止熱變形

熱加工也會(huì)對數(shù)控車床加工精度產(chǎn)生一定的影響。熱變形誤差的主要來源是機(jī)床內(nèi)部的零件以及馬達(dá)在工作時(shí)與其他部位進(jìn)行摩擦升溫，各零件之間的摩擦?xí)灌徑钠渌慵a(chǎn)生一定范圍的形變。當(dāng)零件加工精度的要求越嚴(yán)格，其所可能會(huì)受到的熱變形誤差的影響就會(huì)越大。我國現(xiàn)代制造業(yè)起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距，數(shù)控車床的熱變形誤差的影響也是不容忽視的，而我國在進(jìn)行數(shù)控車床零件加工時(shí)通常會(huì)忽視熱變形誤差的存在，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，很多加工都會(huì)受到熱變形誤差的影響。從這一角度來說，要提高數(shù)控車床加工精度，減少熱變形誤差，就要控制熱源的產(chǎn)生，在數(shù)控車床中增添冷卻回路，從而避免熱變形誤差的產(chǎn)生和擴(kuò)散。

3.5提高床身導(dǎo)軌的幾何精度

科技的不斷發(fā)展使得數(shù)控車床加工精度得到了提升，同時(shí)加工效率也有所改善，但是由于制造業(yè)對加工零件精度要求的進(jìn)一步提高和數(shù)控車床性能的更新，對車床本身的重量和導(dǎo)軌精度的要求也與以往有所不同，變得更為嚴(yán)格：優(yōu)化更新后的數(shù)控車床的支撐要靠斜床造型；數(shù)控車床運(yùn)行的穩(wěn)定性對于加工精度也有一定的影響，因此要完善和改進(jìn)數(shù)控車床的抗彎水平，從而保障數(shù)控車床運(yùn)行的穩(wěn)定。

4數(shù)控車床加工精度的綜合控制措施

4.1源頭設(shè)計(jì)防控措施

數(shù)控車床在設(shè)計(jì)中難免會(huì)存在一定的系統(tǒng)誤差，因此為了綜合控制數(shù)控車床加工精度，要在實(shí)踐中采用科學(xué)有效的方法，在最大程度上降低系統(tǒng)誤差。在數(shù)控車床出廠前進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，采用合理的手段來減少或避免系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，進(jìn)而保證機(jī)械的精度。4.2對刀工作管控對刀方式主要有兩種，一種是機(jī)械外部對刀，另一種是機(jī)械內(nèi)部對刀。這種分類方式主要是根據(jù)對刀結(jié)構(gòu)的不同來劃分的。刀具預(yù)調(diào)儀是對機(jī)械外部進(jìn)行控制和干預(yù)的有效工具。通過技術(shù)裝備或試切手段來找到對刀點(diǎn)區(qū)域，隨后要做出相應(yīng)的規(guī)劃和處理，保證機(jī)床能夠回到原位，并且在原位進(jìn)行對刀處理，從而有效地提高精度。

4.3科學(xué)調(diào)試

在完成上述工作后，要重點(diǎn)關(guān)注調(diào)試工作的進(jìn)度。在進(jìn)行零件加工之前，首先要對數(shù)控車床進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試工作。在對各部分梳理清楚并明確調(diào)試工作的各項(xiàng)基本細(xì)節(jié)后，再進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試工作。零件的加工形成是基本確定的，按照這個(gè)行程對加工過程進(jìn)行模擬，根據(jù)坐標(biāo)系的位置來找到最佳的刀具位置。只有確定了合適的刀具位置，才能夠保證在后續(xù)的加工過程中，刀具能夠按照預(yù)設(shè)的行程進(jìn)行加工，才能夠保證數(shù)控車床的加工質(zhì)量。在進(jìn)行具體的模擬時(shí)，要對各個(gè)程序特點(diǎn)進(jìn)行整體梳理，并選擇科學(xué)合理的方式，對加工過程所涉及的每一環(huán)節(jié)進(jìn)行核對，并制定相關(guān)的應(yīng)對預(yù)案，對可能出現(xiàn)的故障做到心中有數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，要在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，并進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。在模擬運(yùn)行中，要對出現(xiàn)的問題進(jìn)行溯源，及時(shí)找到問題出現(xiàn)的原因，在實(shí)際加工工作開始前進(jìn)行調(diào)試工作，從而排除相關(guān)故障。

4.4優(yōu)化加工細(xì)節(jié)

在開始加工工作前，不僅要進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試，還要對待加工的零件情況進(jìn)行檢查，保證零部件產(chǎn)品處于合格狀態(tài)。如果待加工的零部件不合格就直接進(jìn)行加工，會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和資金，還會(huì)影響加工的質(zhì)量。另外，如果零部件產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，還會(huì)加劇加工的刀具磨損情況，使加工精度的提升受到阻礙。

4.5其他控制方法

在實(shí)際加工過程中，除了上述提到的增加精度的辦法，還有一些可行的方法能夠提高車床加工的精度。例如，對于傳統(tǒng)的車床來說，一般都會(huì)選擇垂直結(jié)構(gòu)，這是為了提升車床加工的精度，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛眯贝驳姆绞絹泶娲怪苯Y(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)下，車床自身重量會(huì)有所降低，但能夠更好地進(jìn)行封閉，從而進(jìn)一步提高車床的抗彎性。同時(shí)，對于不同加工標(biāo)準(zhǔn)的零件，可以按照一定的順序來進(jìn)行，比如可以先粗后精，這樣的加工順序能夠降低刀具的磨損度。不同的加工零件對刀具的轉(zhuǎn)速要求有所不同，為此可以經(jīng)常調(diào)整刀具轉(zhuǎn)速，這樣針對性較強(qiáng)的工作模式，可以有效提高工作效率，同時(shí)也能夠達(dá)到控制加工精度的目的。

5結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，數(shù)控車床加工技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用范圍也越來越廣，為了滿足生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床加工的精度也在不斷提升。然而機(jī)床加工的精度會(huì)受到多方面的影響，雖然現(xiàn)在的數(shù)控車床在普通車床的基礎(chǔ)上加入了CNC系統(tǒng)，已經(jīng)有了較高的零件加工精度和較為穩(wěn)定的生產(chǎn)零件質(zhì)量，但是車床技術(shù)的發(fā)展還不夠完善，仍然存在一些不足之處。為了提高車床加工零件精度，就要逐一對這些影響因素進(jìn)行控制，在最大程度上提高數(shù)控車床的加工精度，不斷改善數(shù)控車床的加工質(zhì)量，以此為企業(yè)節(jié)省人力、物力和財(cái)力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，幫助企業(yè)在激烈的市場中獲得更大的競爭力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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作者:凌旭東 單位:南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院