数控机床精度影响原因及改进措施

摘 要：首先，文章提出了影响数控机床精度的原因，其次，并对各影响原因提出对应的改进措施和改善方向，对数控机床结构设计和机床使用稳定性的维护有一定的参考意义。

关键词：机床精度;机床结构;动态响应

一、 对数控机床加工精度的影响原因主要包括如下几个方面

（一）变形

包括由于本身结构不合理等因素导致的弹性变形和机床运转过程中的发热传递给机床造成的变形，热变形是影响机床加工精度的最主要因素，最高可达机床总加工误差的70%。

（二）间隙

由于制造和装配误差、弹性变形以及磨损都会产生间隙，间隙会造成定位精度变差和响应滞后，在闭环系统中会造成系统超调，产生振荡制造。

（三）磨损

包括局部磨损、正常使用磨损本来就不可避免，只能通过措施减少磨损带来的影响。一般机械设备中约有80%的零件因磨损而失效报废，材料、装配、变形、润滑不好等情况均会导致磨损加剧，从而造成设备精度丧失。

（四）动态响应

是所有机械结构和机床状况的最终反映，决定了机床的加工精度和稳定性。且受温度、润滑情况、加工负载等情况的影响比较大。

二、 针对以上导致机床精度变差甚至丧失的情况，可以有针对性的采用一定的措施来提高机床的精度

（一）变形：通过机床结构的合理布局和优化，减少变形的产生

1. 合理布局

以镗铣床为例，针对不同加工零件的要求采用不同的床身布局结构。

工作台有十字形布局和T形床身布局，其中T形布局的工作台与床身分离，刚性好，承载能力强适用于较重的零件。对于主轴箱悬挂于立柱对于精度要求高的机床一般采用框式立柱，避免采用單侧悬挂。框式立柱结构对称，受力和温度变化的变形小，有利于提高加工精度。

其他类型的机床如卧车尽量采用斜床身结构，不仅结构稳定且有利于排屑排水。对于大型重型零件的铣削加工多采用天车式龙门结构，结构稳定精度高。

2. 优化结构

对于立柱、横梁、床身、底座等采用变形小热稳定性好的铸铁作为材料，内部合理布置隔板和筋条，减小应力变形的同时又能提高刚性，且内空的结构易于散热，一些精度要求特别高的场合内部可增加强制冷却，进一步减小热变形。

一些影响精度的关键部件采用整体式的“箱中箱”结构进一步提高刚性。在机床设计之初就通过三维有限元分析，合理布置加强筋和结构优化。

3. 辅助支撑

对较重的部件采用更多的支撑，比如工作台导轨增加副导轨以加强刚性。重力轴采用双丝杠传动，对于较重或有快速响应要求的增加平衡油缸支撑等。

4. 变形纠正机构

对一些直线度要求高的场合，增加直线纠正机构和扭曲纠正机构以用于后期机床维护时候的精度调整。

（二）间隙：通过优化材料、提高制造装配精度、采用合理的消隙机构消除间隙

1. 优化材料

（1）对于大型设备本体、立柱、工作台底座等采用热膨胀系数低，热稳定性好的优质铸件材料，并做时效处理。例如工作台、立柱、横梁、滑座等常采用HT250、HT300、HT200等优质铸铁，立车滑枕、卧加镗杆等常采用QT50-5、45、锻造合金钢等材料。

（2）为加强导轨硬度及耐磨性，一般导轨经淬火处理。

（3）对于精度要求较高的场合，采用热膨胀系数更好的大理石作为工作台和导轨。

2. 提高制造装配精度

通过对静压导轨、直线导轨安装面等关键的结合面的精磨、手工刮研（俗称铲花）进一步提高结合面精度，增加贴合面刚度，减小间隙。采用精度更高级别的滑块、轴承等提高精度。

3. 合理消隙

通过机械、液压、电气双电机控制等方式消除齿轮传动间隙。通过预紧装置，调整轴承预紧游隙等措施，提高传动精度的同时也保证较高的刚性。

（三）磨损：采用耐磨材料合理润滑减少磨损

几乎所有的磨损都会影精度，包括导轨磨损、传动链磨损（齿轮、丝杠、轴承），其中影响机床使用寿命最大的是导轨磨损，因为导轨往往与机床是一体的无法更换。导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨（可更换）和静压导轨三种。

对于滑动导轨常采用铸铁-塑料的方式，贴塑常用材料有聚四氟乙烯软带或环氧型耐磨涂层两类，在正常供油的情况下，不仅摩擦系数小，不易磨损且静摩擦和动摩擦系数差别也很小这样有利于防止导轨出现低速爬行现象传动较平稳。

对于速度响应要求较高的场合采用滚动导轨包括直线导轨和滚动导轨块。滚动导轨的最大优点在于磨损后更换方便。

在大型、重型和精度要求非常高的数控机床上常采用静压导轨，即在两个相对运动的导轨面间通以压力油，将运动件浮起，使导轨面间处于纯液体摩擦状态，摩擦系数极小，导轨几乎不会磨损，寿命长，但是静压导轨制造和调整都比较困难，成本较高。

（四）动态响应：通过反馈系统、电气补偿，优化、提高阻尼等提升动态响应性能

1. 采用反馈系统提高控制精度

控制系统分开环、半闭环和全闭环系统，控制精度和制造成本逐渐提高。精度要求高的场合基本上全部采用全闭环控制系统。即直接测量最终的移动部件实际位移，并实时反馈给数控系统，通过实际位置与预定位置的差值进行正向或反向的调整以保证精确的位置和速度控制。

2. 电气补偿

包括反向间隙补偿、螺距补偿、垂度补偿（交叉补偿）等。通过激光干涉、球杆仪等精密仪器测量实际位置，通过数控系统定点或按照一定的对应关系对轴的移动位置坐精确补偿。

3. 提高系统阻尼

大型机床通过殊部位填充黏弹性的高分子聚合物以增加机床的阻尼，减少颤震，提高机床运行稳定性降低温度的敏感性。

三、 结语

通过对影响机床精度和稳定性的原因探讨，提出有针对性的改进措施。当然精度越高所需的成本和制造维护难度也越高。应该对于不同加工工况和加工精度的要求，采用事宜的提高措施。

作者简介：

张厚来，南京高速齿轮制造有限公司。