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1、数控机床加工精度的影响因素及其控制措施工艺与装备38数控机床加工精度的影响因素及其控制措施张建设(天津广播电视大学,天津300191)摘要:数控机床加工零件时产生误差的因素很多.通过分析数控加工精度的影响因素及加工误差的来源,有针对性地提出补偿措施,以控制和保证零件的加工精度,在实际数控加工中有一定的应用价值和实际意义.关键词:数控机床加工精度控制措施1引言随着现代制造技术的发展,数控机床越来越普及.与普通机床相比,数控机床在控制系统,伺服驱动,机械结构等方面发生了具大变化.数控机床采用计算机数字控制,各坐标轴采用闭环或半闭环伺服驱动,机械传动链变短,机械部件在消隙,减磨等方面进行了很多改进,
2、因此,数控机床具有加工精度高,生产效率高,产品质量稳定,加工过程柔性好,加工性能强等特点.但若要在实际加工中充分发挥数控机床的加工性能,达到高精度加工的目的,还必须对影响数控加工精度的因素有比较全面的了解,进而找出切实可行的误差抑制方法,才能真正发挥数控机床的功能.实际加工中影响数控加工精度的因素很多,如编程,工艺,设备条件,操作者技术水平等.本文将从数控编程,设备条件等因素人手,阐明数控加工误差产生的原因,并提出相应的懈决方案.2数控编程对加工精度的影响数控编程对加工精度的影响主要来自编程原点的确定,数据处理,轨迹拟合,加工路线选择等方面.2.1编程原点选择对加工精度的影响数控编程首先遇到的
3、问题就是确定编程原点.编程坐标系一般是编程人员根据零件加工特点和零件图纸确定的.编程原点的选择直接影响零件的加工精度,确定编程坐标系最根本的原则是编程基准,设计基准,工艺基准统一,这样可最大限度地减少尺寸公差换算所引起的误差,下面是确定编程坐标系的一些具体建议:(1)编程原点尽可能与图纸上尺寸基准重合.工件设计时有设计基准,加工时有工艺基准,编程原点应尽可能与上述基准重合.(2)使数值计算尽可能简单,尽量避免尺寸链换算.(3)尽量选在精度较高的工件表面上.(4)便于加工过程中尺寸测量.2.2编程时数据处理对加工精度的影响数控编程时的数据处理对轮廓轨迹的加工精度有直接影响,其中比较重要的因素是未
4、知编程节点的计算以及编程尺寸公差带的换算.(1)有的数控系统可根据已知轮廓几何条件自动计算节点坐标,但有的数控系统必须手工计算.手工计算未知节点坐标值时遇到的最大问题是计算精度,经过大量验证发现,有时手工计算结果与计算机辅助查询结果会相差0.O10.03mm.为提高手工计算精度,这里建议:手工计算的中间数据(包括角度值)应保留4位以上小数(以脉冲当量为0.O01mm的数控机床为例);若使用计算器计算,应尽量保留全部小数.编程尺寸圆整要依据数控机床的脉冲当量.脉冲当量是指数控系统发出一个指令脉冲所对应的机床移动部件的移动量,它是数控机床的最小设定单位,也是数控机床的最小控制单位.例如数控机床的脉
5、冲当量为0.O01mm,则最终的计算结果应保留3位小数.(2)工件各处尺寸公差不一致或不对称时,需要人工计算编程尺寸,若使用同一把刀具加工,需取公差中值编程,使公差对称分布,为机床加工误差留出空间,这样才容易保证加工精度.但是若编程尺寸公差带对称或公差带基本一致,则可利用公称尺寸编程,这样可以大大减少计算量.例如,完成2O3m,53两个外轮廓尺寸的加工,应取中值2o.01和5.005进行编程;完成208一,24+ol位两个外轮廓尺寸的加工,比较方便的方法是取公称尺寸2O和24进行编程,用刀具半径补偿来保证公差,即在刀具半径补偿值中修正0.Olmm.(3)当图纸标注尺寸与编程尺寸不一致时,需经过
6、加,减甚至几何等方法求解编程尺寸.在尺寸换算时,尤其是带公差带尺寸的换算,必须同时进行尺寸链计算,否则可能无法满足工件精度要求.2.3加工路线对加工精度的影响加工路线是编程的重要内容之一,加工路线对加工精度及加工效率影响很大.确定加工路线时主要应考虑以下几方面:(1)进,退刀方式对轮廓加工质量影响较大.若刀具在内,外轮廓的连续表面直接下刀或抬刀,会因刀具直径,机床运动误差,进给速度突变等原因在加工表面形成小凹痕,所以精加工时下刀或抬刀最好离开加工表面.若必须从加工表面进刀或退刀,则尽可能采用圆弧切入或现代眚峥造技术与装备2009第5期总第192期切出,切入或切出圆弧半径应大于刀具半径.(2)数
7、控加工为提高/Jn-r表面质量一般采用顺铣.顺铣对提高加工表面质量和刀具耐用度有利.但下列情况不宜顺铣,应采用逆铣:工件待加工表面有硬化层或夹砂,最好采用逆铣.因为顺铣时刀刃从工件待加工表面切入,待加工表面的硬化层或夹砂会导致刀刃受损,而逆铣时刀刃切出工件时会将硬化层和夹砂锨掉,可有效避免刀刃损伤.加工非金属材料,特别是含纤维材料(如塑料,尼龙等)宜采用逆铣.因为顺铣时刀刃从已加工表面切出,不能完全切断纤维,容易产生毛刺,而逆铣可将加工表面挤光,将细小的纤维挤断,得到比较好的加工质量.刀具长径比较大时应采用逆铣.因为长径比大的铣刀刚性较差,顺铣切人时切削力较大,铣刀刚接触待加工表面时会产生振动
8、,而切出时切削量又较小,铣刀在切削力的作用下会产生”让刀”(刀具变形)现象,从而影响加工质量.(3)对位置精度要求不高的孔系加工可遵循加工路线最短原则.对位置精度要求较高的孔系,刀具移动路线要考虑避免机床各轴反向间隙的影响.以图1(a)所示的孔系加工为例,(b)图所示的加工路线最短,但带入了Y向误差;(c)图所示的加工路线避免了Y向误差,但加工路线较长.1厂,厂,4/一,gd2,厂,5掏,/一,8d3,6,/15O.I1,/I2,5/图1孔系加工示意图丫:2.4插补运算对加工精度的影响插补运算对加工精度的影响取决于系统的插补方式.经济型数控系统多采用脉冲增量法,标准型数控系统则多采用数据采样法
9、及软件/硬件相配合的两级插补法,但无论哪种插补方法都会产生累积误差,当累计误差达到一定值时,会使机床产生移动和定位误差,影响加工精度.实际编程时可采用以下方法减小插补累计误差的对加工精度的影响.(1)尽量用绝对方式编程.绝对方式编程以某一固定点(编程坐标原点)为基准,每一段程序和整个加工过程都以此为基准;而增量方式编程,是以前一点为基准,连续执行多段程序必然产生累积误差.(2)在加工过程中插入回参考点指令,特别是需要长时间运行才能完成的程序这一点尤为重要.机床回参考点时,会使各坐标清零,这样便消除了数控系统运算的累积误差,实际加工时回参考点换刀不失为一种两全其美的方法.2.5轨迹拟合误差对/J
10、nq-精度的影响数控机床进行非圆曲线加工时是利用小直线段或小圆弧段生成加工轨迹的拟合曲线,因为一般数控系统只具备直线和指定平面内圆弧插补功能,当加工轨迹为非圆曲线时,只能用直线和圆弧去逼近,这就是所谓的非圆曲线的拟合.非圆曲线轨迹的拟合常用等间距,等弦长,等误差法,其中等误差法可以在保证拟合精度的同时,提高加工效率.非圆曲线轨迹拟合一般都是利用自动编程完成的,例如CAM就是采用等弦长和等误差法进行非圆曲线拟合的.非圆曲线轨迹的拟合必定带来拟合误差,这里最重要的是控制拟合误差小于工件的允许误差,必要时要经过严格的计算.目前,很多数控系统具有规则非圆曲线的变量编程功能,可完成椭圆,抛物线,双曲线等
11、规则非圆曲线的变量编程.变量编程使用G代码编程,其编程精度高于CAM编程.3机床系统误差对加工精度的影晌除编程误差以外,影响数控加工精度的因素还有机床系统本身造成的误差,如机床运动误差等.机床系统误差包括设备本身刚度,强度不够产生的变形,温度变化使机床产生的变形,传动系统的惯性,控制系统的滞后,机械结构本身的误差等等.这里主要对机床系统误差中便于人为解决的几种典型误差进行分析,并提出控制措施.3.1螺距误差及补偿开环和半闭环数控机床的定位精度主要取决于丝杠,尽管数控机床多采用高精度的滚珠丝杠,但也总会有一定的螺距误差.要克服螺距误差对加工精度的影响就需要进行螺距误差补偿.螺距误差补偿是将数控机
12、床某个轴的实际运动位置与高精度位置测量系统(如激光干涉仪)的测量结果进行比较,在轴运动的全程上选择一定数量的测量点,记录下各测量点的误差,输入到数控系统中,这样数控系统在控制该轴运动到某点时就会自动考虑误差值.轴全程上测量点越多,螺距误差补偿效果越好.螺距误差补偿时需要注意以下几点:(1)机床重复定位精度过低时,螺距误差补偿功能无法实现;(2)螺距误差补偿是建立在机床坐标系下的;(3)机床坐标系是靠参考点确定的,因此参考点的误差应设为零.3.2反向间隙误差及补偿数控机床传动链中很多环节存在间隙,如齿轮传动的齿侧间隙,丝杠螺母副等.反向间隙会引起工作台反向时伺服电机空转而工作台不动,其直接结果是
13、半闭环数控机床产生误差,全闭环数控机床位置环不稳而产生振荡.对于反向间隙,数控机床在结构设计时实际已经做了工艺与装备充分的考虑,如采用同步齿形带或消隙齿轮传动,丝杠螺母副预紧等,但无论如何也会留有一些剩余间隙.在半闭环系统中,可采用与螺距误差补偿类似的方法.在轴运动的全程记录下各点反向间隙,输入到数控系统中,此后数控系统一旦接收到反向移动指令,就会自动将间隙补偿值加到插补运算结果中,实现反向间隙自动补偿.在全闭环系统中,不能使用上述方法.全闭环系统的反向间隙补偿是通过参数设置来进行的.例如,FANUC0iMC系统可利用No.1851和No.1852两个参数分别设定各轴进给时反向间隙补偿量以及快
14、速移动时反向间隙补偿量.当工作台反向移动时,数控系统会向伺服系统附加一个一定宽度和高度的脉冲电压,以补偿反向间隙误差.此外,现在的全数字伺服系统还设计有反向间隙加速功能,在消除反向间隙的同时大大提高了加工速度.3.3热变形误差及补偿数控机床周围温度变化以及加工过程中产生的热量等因素都会引起数控机床变形.热变形的补偿方法有列表或建立函数式等方法,但无论哪种方法都需要对应机床某些主要部件的温度变化和相应的热变形量进行测量,建立温度与热变形的关系.一般选取的温度测量部件是每台机床1-2个.列表补偿和函数补偿的不同在于列表补偿是要列出全部误差补偿表存人数控系统,需占用的内存较大;函数补偿是通过理论分析
15、和实际误差测量,建立数学模型,将误差函数输入系统,占用系统内存较少,但需要实时计算,这会占用CPU时间,因此要求系统具有较高的运算速度.3.4伺服系统误差及抑制伺服系统引起的误差首先应从数控机床设计角度进行抑制,如选择动态性能好的驱动装置,提高伺服刚度,尽量减小负载惯量等.但在客观条件确定后,伺服系统误差的抑制就需要从系统参数设置角度考虑,如选择尽可能高的位置环增益,保证各进给轴的位置开环增益相等.(1)伺服系统对直线,圆弧加工的影响及抑制方法速度误差不影响单轴直线加工时停止位置的准确性,只是在时间上实际位置达到指令位置有些滞后,但不影响精度.各进给轴位置开环增益相等时,速度误差对加工任意角度
16、的直线轮廓没有影响;但当各进给轴位置开环增益不相等时,以45.时加工误差最大.加工圆弧时,伺服系统产生的轨迹误差与进给速度成平方成正比,与系统位置增益平方成反比.综上所述,为抑制伺服系统引起的轮廓加工误差,首先应设置各进给轴位置开环增益相等,且尽可能大.但过大的增益会引起系统不稳定,这需要通过伺服系统的一些特殊功能帮助实现,如前馈,提前前馈,精密加减速控1制等.(2)伺服系统对拐角加工的影响及抑制方法对于低增益系统,拐角处的加工会带有圆弧.外拐角时,会多切掉一个小圆弧;内拐角时,则不到位,此时人为的补救方法是在数控编程时使用暂停指令GO4,使刀具在拐角处停留3050ms,即可消除.对于高增益系
17、统,拐角处的加工会带有一个鼓包;内拐角加工时,刀具会切人工件,即”过切”,此时人为的补救方法是在程序中改变拐角处的进给速度,即对进给速度进行优化.(3)伺服系统特殊功能对加工误差的抑制作用当今,随着计算机技术的发展,伺服系统实现了数字化,很多过去由硬件完成的工作现在变成由软件来实现,这就大大增强了伺服系统结构,性能调整的灵活性.现代全数字伺服系统提供了丰富的以提高加工精度为目标的特殊功能,如插补后直线,钟型加减速,插补前加减速,根据速度差减速,根据加速度减速,依据圆弧半径进行速度箝制,前馈控制,摩擦转矩补偿等功能,对数控加工轨迹误差,直拐角和圆拐角误差等都具有非常好的抑制作用.4结束语除上述编
18、程和机床系统会对加工精度产生影响以外,数控加工的工艺设计,刀具,机床刚度,操作者水平等都会对数控加工精度产生影响,在实际加工时都应予以考虑.参考文献【l】李宏胜等.机床数控技术及应用【M】.高等教育出版社.北京.2004.【2】杜君文等.数控技术【M】.天津大学出版社.天津.2001.【3】FANUCSeriesOiMC操作说明书Z1.北京发那科机电有限公司.北京.2001.【4】钱逸秋.数控加工中心一FANUC系统编程与操作实iJIJM】北京:中国劳动社会保障出版社,2008.FactorsforAffectingtheAccuracyofCNCMachineandControlMeasur
19、esZHANGJianshe(TianjinRadio&TVUniversity.Tianjin300191)Abstract:TherearesomanyfactorsforgeneratingerrorsofCNCmachining.ByanalyzingthefactorsaffectingaccuracyofCNCmachiningandprocessingofsourcesoferror,targetedcompensatorymeasuresshouldbeputforwardinordertocontrolandguaranteetheprocessingprecisionparts.InpracticeofCNCmachiningthereisacertainapplicationvalueandpracticalsignificance.Keywords:CNCMachine,processingaccuracy,control,milres.
