提高数控机床加工精度的途径分析

杨春花

（云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203）

数控机床是一种高精度、高效率、适应性强的现代化加工设备，在生产中应用日益广泛，但随着社会的不断发展，对数控机床的加工精度也提出了越来越高的要求。数控加工过程中，加工误差来源于各个方面，而且客观存在不能避免。因此，研究提高数控机床加工精度的途径具有很强的实际意义。数控机床加工精度可通过两种方法来提高，减小误差根源和误差补偿。单纯减小误差根源或进行误差补偿一般都无法满足我们的精度要求，都需要两种方法同时采用。

1 减小误差根源

总的来说，数控机床加工误差主要来源于以下几方面：数控机床结构设计与制造误差；工艺系统热变形所产生的误差；伺服系统产生的跟随误差；加工过程中由于刚度不足和振动产生的误差；数控系统误差；减小或消除误差产生的根源是提高数控机床加工精度最直接、最有效的手段。

（1）减小数控机床几何误差。组成数控机床各零部件的几何精度是机床加工精度的基本保证。减小数控机床几何误差可从以下4方面进行：①采用高精度的数控机床主轴及主轴支撑；如：滚动轴承、静压轴承、动压轴承、磁浮轴承等。②采用高精度的导轨；数控机床上常用的导轨有贴塑导轨、滚动导轨和静压导轨。它们都具有导向精度高的、耐磨性好、刚度高等特点。③采用高精度的传动机构；滚珠丝杆螺母副是数控机床上最常用传动装置，它具有高精度、高效率、高灵敏度等优点。④采用各种措施消除齿轮、滚珠丝杆螺母副等传动部件的间隙，以提高机床定位精度。

（2）减小热变形误差。减小机床热变形可采取以下3个措施：①减小热源。采用新型电机、高效率的传动机构均能起到减小热源的作用。②合理设计机床结构。不同机床结构抵抗热变形的能力也不同，合理设计机床结构可有效减小机床热变形所引起的误差。③改善散热和隔热条件。

（3）减小伺服系统跟随误差。伺服系统是数控机床的重要组成部分，其性能在很大程度上决定了数控机床的性能。为减小其跟随误差可采取以下措施：①开环控制。在开环伺服系统中尽量采用高精度的机床零部件来提高伺服系统跟随精度。如：液体静压导轨、液体静压主轴、高性能电动机、滚珠丝杆等。②闭环控制。采用闭环或半闭环控制系统，通过位置检测反馈来提高伺服系统的跟随精度。③自适应控制。采用自适应控制系统可在数控加工过程中根据加工条件的变化，自动改变切削参数，以达到最佳的加工效果。

（4）减小振动和刚度不足引起的误差。数控机床要在高速和重负载条件下工作，其主要部件均要求有很高的刚度抵抗加工过程的变形，提高加工精度。主要措施有：①主轴采用三支撑结构，选用刚性好的支撑轴承。②合理设计机床床身截面及布置肋板；③对主要传动部件如：主轴、齿轮等进行动平衡和消除间隙；④采用刮研方法提高机床接触刚度。

机床的抗振性是抵抗强迫振动和自激振动的能力。高抗振性即在高速重切削条件下没有振动，从而保证工件的精度和质量。提高机床抗振性的措施主要有：①减少机床的内部振源；②提高机床构件的阻尼；调整机床构件的自振频率必满自激振动。

（5）减小数控系统误差精密加工过程中，插补原理误差、数控系统中检测元件的制造误差、系统响应速度、系统收敛性都会影响数控加工精度。减小数控系统误差可采取以下措施：①优化数控系统插补原理；②提高系统检测元件的精度和速度；③提高系统反馈频率和加快系统收敛。

2 误差补偿

所谓误差补偿技术就是在掌握了误差根源的特点及规律后，通过分析、统计、建立数学模型，然后在数控系统中输入一定的补偿量，该补偿量数值大小与原始误差相等，方向与原始误差相反，以最大程度减小抵消原始误差的一种方法。这种方法效率高，经济性好，对提高数控机床的加工精度有事半功倍的效果。

目前，经常采用的误差补偿技术有两大类：硬件补偿和软件补偿。

（1）硬件补偿。所谓硬件补偿就是通过调整或改变数控机床机械零部件的部分尺寸和相互位置以达到减小或抵消误差的效果。当在加工过程中发现加工误差产生了变化以后，根据误差变化量确定相关机械零部件的相关尺寸，并从新制作零部件或调整其相互位置以补偿相应误差。由此可见，硬件补偿属于一种机械式的静态补偿，他的灵活性、经济型都比较差，特别对于随机性误差很难取得理想效果。

（2）软件补偿。软件补偿就是首相在结构上形成闭环或半闭环的伺服控制方式，通过检测传感器实时在线检测加工过程中产生的实际位置，反馈给CNC，CNC将实际位置与理想位置进行比较，计算得到差值，输出给伺服系统再控制运动部件运动。软件补偿是一种实时的动态补偿，而且补偿过程是通过计算机控制实现的，无需改变数控机床的机械结构，其特点是柔性高、精度高、经济型好。与硬件补偿相比，软件补偿更有优势，其补偿原理如下：

假设根据加工要求刀具运动轨迹中某点的理想位置为W，由于加工误差△W的存在，最终刀具的实际位置为W1，他们之间的关系为：

系统需输入一个补偿量-△W，才能控制刀具到达理想位置，而且这个补偿过程不是一次就完成，而是在整个加工过程中都在进行的，按照采样周期，每周期一次。

3 结语

综上所述，数控机床加工精度受到很多因素的影响，提高的途径也可以从多方面入手，常用的方法就是消除误差根源及误差补偿同时采用。尽管如此，数控机床加工误差也无法完全消除，因此，如何提高数控机床加工精度仍是我们以后进一步深入研究及探索的课题。

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