经济型数控机床加工中误差来源分析及其对策

田康庆 王永水

摘 要：如何提高经济型数控机床加工精度是机床数控改造的关键问题之一，但在加工过程中，会由于某些原因产生不可接受的误差，而致使零件报废。本文将分析误差产生的原因，根据这些来源情况采取相应措施。

关键词：数控机床加工；误差；对策

机械加工误差是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数之间偏差的程度。在实际零件加工过程中，由于各种原因，加工出的零件几何参数与理想零件的几何参数总有一定的误差，以至于造成零件不合格甚至产生废品。为了提高数控机床加工精度，必须对数控加工过程中所产生的误差进行详细分析，采取相应措施。

1.程序编制中的误差

如果把零件最早的轮廓形状借助列表曲线进行表示，采用近方程式与列表曲线发生逼近时，该方程式表现出的形状和零件原本形状之间形成的差值，就是所说的逼近误差。在使用数控机床来对零件进行加工时，由于数控装置之间具有互不相同的插补功能，所以与零件轮廓互相逼近的时候，都是选择直线的方式进行，有的时候则是用圆弧。直线或圆弧在马上临近零件轮廓曲线的时候，逼近曲线和现实中轮廓原来的曲线之间会产生一个最大差值，这就是通常所说的插补误差。

2.控制系统误差

2.1开环控制数控系统

此类数控系统是很特殊的一个种类，系统没有配备检测装置，同时也没有反馈电路，主要的驱动元件是步进电机。进给系统里面不存在反馈检测装置，所以前向通道里面产生的各种误差没有办法以反馈信息呈现出来并加以补偿，这样在一定程度上就出现了输出位置误差。开环控制系统中最主要的输出误差就是步进电动机产生的误差。在步进电动机工作运行的过程中，主要会产生以下误差：第一，动态误差。在步进电动机正常的单步运行过程中，往往会产生一定的振荡现象。如果步进电动机在频率比较低的地方进行工作，还会伴有共振现象产生。第二，启停误差。步进电动机无论是启动开机还是关机停止，都需要一个过渡的过程，在这个过程里，电动机的转动和控制脉冲相比，前者总是处于滞后的状态。针对引发以上误差的原因，可以采取以下措施进行改善：把好元件选择关口。在条件允许的情况下，选择步进电动机的时候，尽可能选择步进角最小的机器。把握好驱动电路环节。针对步进电动机的控制环节，一定选择最优质的驱动电路来完成此项工作。从控制原理方面入手。针对大型数控机床而言，通常要求具有很高的精度，那么开环系统在这方面就存在很大不足，可以增设类似于直光栅这样的检测装置，可以针对前向通道可能产生的误差起到监视和补偿作用。一旦有传动误差产生，反馈电路就会迅速发出一定数量的附加脉冲，这样一来，步进电动机无论是多走步数还是少走步数都会得到有效的补偿。

2.2闭环控制数控系统

由于闭环系统在进行位置检测的时候，已经将进给传动链所具有的全部误差包含进去，所以具有相当高的控制精度。但是，位置检测进行的反馈同时带有诸多不稳定因素，调试工作进行起来具有很大难度。闭环系统主要的误差来源主要有：检测装置通常具有制造误差和安装误差，这两种误差会引起反馈系统产生误差。机床零件与机构之间经常有误差产生，因此检测装置在检测的时候同样会出现误差，这样得到的测量值就不再真实可靠。减小上述误差的主要途径有：如果条件允许，要尽量使用具有高分辨力的检测装置。在进行检测装置安装时，一定要尽量提高安装精度。

2.3半闭环控制数控系统

这种系统主要存在于伺服电动机之上，两者之间是同轴安装的关系，有时也可以把检测装置安装在滚珠丝杠轴端，这样就可以对角位移进行测量，就可以把移动部件产生直线位移数值间接地计算出来，再向数控系统进行反馈，控制方式和闭环控制系统完全一样。半闭环系统主要的误差来源如下：上述提及的闭环系统中产生的误差。滚珠丝杠带有的螺母副与导轨副之间产生的误差。

3.机械部分产生的误差

任何机床的驱动坐标轴在移动和停止时，都要经历一个升、降速过程。在高档数控机床中，由于有液压驱动和锁紧系统，其升、降速率可以在很短的时间内完成，而经济型数控机床由于没有液压驱动和锁紧系统，则升、降速率在一定的时间内才能完成。这种传动系统的滞后（即惯性）、停顿在加工内槽型面等轮廓中，当零件轮廓有拐角时刀具容易产生超程而导致加工误差。编程时应在接近拐角前适当降低进给速度，过拐角后再逐渐增速。数控机床传动副中包含有齿轮、轴、传动丝杠存在反转间隙，当工作台反向运动时，这种间隙会造成电动机空走而工作台不运动的现象，从而产生误差；传动部分的受力变形和热变形引起的误差；工作台导轨误差。针对以上的几种误差原因可以采用以下的方法：对传动反向间隙，在开环和半闭环系统中可将其间隙值测出，作为参数输入控制系统，作为反向间隙补偿值在反向运动时进行补偿；对于由于机械传动链受力变形和热变形而引起的误差，可以通过增大传动链的刚性、减小摩擦力等来解决。

4.进给误差

进给误差通常产生于数控机床和传动链两者之间，是二者产生的误差。进给误差通常由以下的几种原因导致：滚珠丝杠日积月累，出现累积的螺距误差。滚珠丝杠和螺母支架由于长时间处于受力或者受热的状态，导致出现变形，直至引发误差。工作台出现在导轨方面的误差。可以采用以下措施，达到有效减小进给误差的目的：针对开环系统和半闭环系统来说，累计产生的螺距误差可以借助数控系统进行误差的修正和补偿工作，因此，只要用数控系统对轴运动进行控制，就会将该差值进行自动考虑，并且进行补偿处理。针对机械传动链遭受外力影响，导致变形以及受热变形而产生的误差，可以采用增大传动链刚性，或者减少摩擦力的方法解决。

5.结语

使用数控机床加工零件时产生的误差来源十分复杂，除了上述讨论的相关加工误差外，还有很多。只有合理掌握数控机床的原理，强化操作人员的工艺知识，才能很好地解决数控机床的加工误差问题，提高数控加工精度，从而生产出合格产品。

参考文献：

[1]王传海.经济型数控机床的改造[J].机械工程师，2010

[2]何伟.基于数控机床加工误差分析的补偿研究[J].制造业自动化，2011

[3]王小军.影响经济型数控机床加工精度的因素和对策[J].经验交流，2011