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數(shù)控加工中誤差的來源及解決方法探討

2018-6-8 來源：轉(zhuǎn)載作者：沈文華，張吉堂，于松章

摘要：文章分析了從圖紙到獲得成品零件的數(shù)控加工過程中誤差的主要來源及可采取的改善措施，通過研究這些問題，對提高零件加工質(zhì)量及提高生產(chǎn)效率有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；誤差來源；定位基準(zhǔn)

數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的重要基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對各種精密零件的精細(xì)加工。但在加工過程中，會由于某些原因而產(chǎn)生不可接受的誤差，致使零件精度達(dá)不到要求。如何快速準(zhǔn)確地辨識數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的誤差已成為一項(xiàng)重要任務(wù)。從圖紙到成品零件的數(shù)控加工過程中，誤差的主要來源可概括為主觀原因和客觀原因。筆者將從不同方面分析產(chǎn)生誤差的原因，并指出可以采取哪些措施來減小誤差。

1、主觀原因產(chǎn)生的誤差

在實(shí)際加工中，由于主觀的人為原因造成的誤差一般有以下幾種形式：工藝誤差、刀具半徑補(bǔ)償應(yīng)用不當(dāng)產(chǎn)生的誤差、刀具及切削參數(shù)選擇誤差、對刀誤差、測量誤差等。

1.1 工藝誤差

加工工藝也叫加工方法。數(shù)控編程者首先應(yīng)清楚加工零件的各項(xiàng)技術(shù)要求，然后根據(jù)技術(shù)要求及公差大小決定零件的加工方法。工藝誤差是由于加工方法不當(dāng)產(chǎn)生的誤差。

1.1.1 定位基準(zhǔn)要統(tǒng)一

數(shù)控加工中應(yīng)采用統(tǒng)一的定位基準(zhǔn)，防止加工過程出現(xiàn)輪廓位置及尺寸與圖紙不符的現(xiàn)象而造成較大的誤差。為了減小這樣的誤差，盡量在編程時選擇的編程原點(diǎn)與工藝基準(zhǔn)和設(shè)計基準(zhǔn)點(diǎn)重合。同時，為了避免尺寸換算帶來尺寸鏈誤差，設(shè)定的編程原點(diǎn)應(yīng)有利于坐標(biāo)數(shù)值的計算、工件的找正，使對刀方便，編程簡便。一般對稱零件的編程原點(diǎn)選在零件的對稱中心上，對于一些形狀不規(guī)則的零件，可在其精度要求較高的基準(zhǔn)面上選擇編程原點(diǎn)，以內(nèi)孔定位的零件，以內(nèi)孔中心作為編程的原點(diǎn)。

1.1.2 加工工藝路線要合理

數(shù)控加工工藝路線安排要合理，以減少由于加工順序不同而產(chǎn)生的誤差。數(shù)控加工工藝路線設(shè)計要考慮到具體的加工細(xì)節(jié)，尤其是在數(shù)控鏜、銑床上加工形位公差要求較高的零件時，對各個環(huán)節(jié)更要重視。例如，加工平面與平面有平面度的要求；加工端面與外圓、內(nèi)孔有垂直度要求；內(nèi)、外圓柱面有同軸度要求時，均應(yīng)在一次裝夾中完成。

1.2 刀具半徑補(bǔ)償應(yīng)用不當(dāng)產(chǎn)生的誤差

刀具半徑補(bǔ)償?shù)膱?zhí)行過程一般可分為 3 步：刀補(bǔ)建立、刀補(bǔ)執(zhí)行、刀補(bǔ)取消。刀補(bǔ)建立或者取消時，必須在 G00 或 G01 指令下進(jìn)行，不能在 G02或 G03 指令下進(jìn)行，且在同一個加工方向上 G41或 G42 不能混用，不允許連續(xù)使用兩句非所選平面的移動指令。一般在刀補(bǔ)建立或者取消過程中容易發(fā)生過切或者欠切情況，導(dǎo)致被加工零件的不合格發(fā)生（見圖 1）。

圖1 發(fā)生過切或者欠切的情況

左圖中錯誤位置導(dǎo)致欠切，右圖中錯誤位置導(dǎo)致過切，所以在建立或者取消刀補(bǔ)時要注意：當(dāng)?shù)毒咧行囊苿榆壽E于前進(jìn)方向平行時（α=0°），建立和取消補(bǔ)償都不過切；當(dāng) 0°<α<90°時，建立不過切，取消過切；當(dāng) α<0°時，建立過切，取消不過切；當(dāng) 90°≤α≤180°時，建立和取消都不過切；當(dāng)180°<α<270°時，建立過切，取消不過切；當(dāng)α=270°時，建立和取消都不過切；當(dāng)270°<α<360°時，建立和取消全部過切。

銑削非直線輪廓時，例如圓弧（分內(nèi)圓和外圓），銑刀銑外圓時避免法線方向切入，要讓刀具沿切線方向切入圓弧，加工完成后讓刀具沿切線方向走出輪廓線后再取消刀補(bǔ)，以免出現(xiàn)過切現(xiàn)象（見圖 2）；在銑刀銑削內(nèi)圓時，也要沿切線方向切入，建立方法是圓弧與圓弧相切（見圖 3）。

圖2 銑外圓弧時銑刀切入切出方法

圖3 銑內(nèi)圓弧時銑刀切入切出方法

除了建立或者取消時要注意角度問題，使用時還應(yīng)注意：切削起始點(diǎn)到輪廓線上目標(biāo)點(diǎn)的移動距離必須大于刀具半徑補(bǔ)償值，且必須在所補(bǔ)償?shù)钠矫鎯?nèi)連續(xù)移動才能正確切削；D00 ～ D99 為刀補(bǔ)存儲器代號，應(yīng)用刀補(bǔ)時必須選擇 D01～D99 中的任意一個代號才能建立起有效的刀補(bǔ)，D00 代表取消刀具補(bǔ)償，刀具補(bǔ)償值在加工之前必須輸入到補(bǔ)償存儲器中。

1.3 刀具及切削參數(shù)選擇誤差

刀具尺寸是在靜態(tài)下進(jìn)行測量的，而加工過程是動態(tài)的，刀具不但受到切削力而且還要受到振動外力的影響，這樣就會造成零件加工出來的尺寸和圖紙尺寸不一致，此項(xiàng)誤差的大小主要取決于刀具的質(zhì)量和動態(tài)特性。刀具的性能會直接影響到零件的加工質(zhì)量及數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率，如加工參數(shù)選擇不正確，刀具的磨損，刀具的測量誤差，都會導(dǎo)致零件的精度異常。

對于數(shù)控加工中由于刀具及切削參數(shù)選擇不當(dāng)引起的加工誤差，可以通過 4 種方法來預(yù)防：一是加工精度要求高的零件分粗、精加工，針對不同的切削材料選擇不同材質(zhì)的刀具、不同的轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量。二是減少換刀定位誤差，選擇一把合適的刀具將零件上能加工的內(nèi)容全部加工完成以后，再換其他刀具來加工。三是選擇恰當(dāng)?shù)募庸び嗔浚峙浼庸び嗔繒r精加工應(yīng)取 0.3~0.5 mm。加工余量過大會造成拉動過切和偏讓欠切，加工余量過少時也會因?yàn)榍腥肜щy造成欠切，補(bǔ)償余量后再加工，會引起過切。四是在凹槽的加工要求較高時，先用直徑較小的鍵槽銑刀銑槽的中間部分，再利用刀具半徑補(bǔ)償銑削兩側(cè)。

現(xiàn)在各種形狀、材質(zhì)的刀具種類繁多，不同的刀具應(yīng)用在不同的場合，因此，在銑削過程中，加工人員應(yīng)根據(jù)加工的實(shí)際要求，考慮工件形狀、剛性、材料、切削參數(shù)等相關(guān)因素選擇最恰當(dāng)?shù)牡毒吆颓邢鲄?shù)進(jìn)行加工。

1.4 對刀誤差

在數(shù)控編程時確立了工件坐標(biāo)系，數(shù)控加工中，還要確定刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)中的位置。常用的對刀方法有：試切法對刀、對刀儀對刀、ATC 對刀等。產(chǎn)生對刀誤差的原因主要有：一是用試切法對刀時，對刀誤差主要源于操作過程中目測產(chǎn)生的誤差和試切工件之后的測量誤差。二是在對刀完成后，對于相對編碼器的數(shù)控設(shè)備要執(zhí)行 “機(jī)床回零”操作，在此過程中可能會發(fā)生零點(diǎn)漂移而導(dǎo)致回零誤差，從而產(chǎn)生對刀誤差。

三是使用對刀儀對刀時，誤差主要來源于儀器的制造、安裝和測量，另外錯誤的儀器使用方法也會造成誤差。減小對刀誤差的主要措施有：一是當(dāng)用試切法對刀時，操作者在細(xì)心對刀后還應(yīng)參考零件尺寸和編程尺寸之間的差值來修正刀具的補(bǔ)償值。二是定期檢查數(shù)控機(jī)床的零點(diǎn)漂移情況，及時調(diào)整限位開關(guān)位置及系統(tǒng)參數(shù)。三是使用儀器對刀時，應(yīng)注意儀器的安裝和測量精度，正確掌握專用儀器的使用方法。

1.5 測量誤差

不同的加工內(nèi)容要選擇不同的量具進(jìn)行測量。量具本身精度、加工人員使用量具的熟練程度及所檢測項(xiàng)目的測量方法都會對零件的精度產(chǎn)生影響。因此量具要定期送檢，并對使用人員要進(jìn)行專門的測量技術(shù)培訓(xùn)。有條件的單位可以利用三坐標(biāo)測量機(jī)及其他專用量儀進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果與加工人員的量具測量結(jié)果對比，以分析誤差原因，這對保證零件精度有一定指導(dǎo)作用。近年來，在線測量設(shè)備也逐漸應(yīng)用到精度較高的零件加工過程中，這樣使得加工和測量在同一設(shè)備上進(jìn)行，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且不存在重復(fù)定位誤差，可以隨時對加工中的工件進(jìn)行檢測，并能根據(jù)在線測量結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，從而提高加工精度。

2、客觀原因產(chǎn)生的誤差

客觀原因產(chǎn)生的誤差主要分為數(shù)控操作系統(tǒng)誤差、機(jī)械誤差及工裝誤差 3 個部分。

1）數(shù)控系統(tǒng)誤差。數(shù)控系統(tǒng)按照伺服系統(tǒng)的控制方式可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測刀具的實(shí)際位置，并將結(jié)果反饋給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行反饋值與系統(tǒng)中指令值的比較，直到差值消除時才會停止移動，因而控制精度很高。但是，閉環(huán)位置檢測反饋中各種不穩(wěn)定因素較多，因此調(diào)試工作困難，若各種參數(shù)不匹配，會引起系統(tǒng)振蕩，造成機(jī)床工作不穩(wěn)定。閉環(huán)控制系統(tǒng)誤差的主要是反饋系統(tǒng)在安裝過程中產(chǎn)生的安裝誤差。減小上述誤差的主要方法是提高反饋系統(tǒng)的安裝精度，盡量選用精度較高的反饋系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在不反饋環(huán)節(jié)，刀具的位置精度仍然會受到不反饋環(huán)節(jié)影響。傳動鏈誤差是指傳動鏈中首末傳動元件之間相對運(yùn)動的誤差，其是影響加工精度的主要因素，可以通過修改數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的方法進(jìn)行補(bǔ)償。開環(huán)控制系統(tǒng)不帶有位置檢測裝置，也沒有反饋電路。由于進(jìn)給系統(tǒng)中沒有反饋檢測裝置，其進(jìn)給線路產(chǎn)生的誤差就無法通過反饋信息進(jìn)行補(bǔ)償，從而導(dǎo)致了實(shí)際位置誤差。例如，采用步進(jìn)電機(jī)的主要誤差有步距誤差、動態(tài)誤差和起停誤差。針對以上各種誤差，可以選擇能夠滿足步距角要求的電機(jī)或細(xì)分電路驅(qū)動電機(jī)來改善。

2）機(jī)械誤差。數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分包含減速齒輪、支承軸承、滾珠絲杠副及聯(lián)軸節(jié)等。傳動絲杠存在反向間隙，當(dāng)工作臺反向運(yùn)動時，這種間隙會造成電動機(jī)空轉(zhuǎn)而工作臺不運(yùn)動，從而產(chǎn)生誤差。針對傳動反向間隙，消除滾珠絲杠與螺母間隙的方法是施加預(yù)緊力；在開環(huán)系統(tǒng)中引入切入與切出方向延長量，防止欠切削或過切削而影響零件的加工質(zhì)量；測出閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中的間隙值，可作為反向螺距誤差補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對于由機(jī)械傳動鏈?zhǔn)芰ψ冃魏蜔嶙冃味鸬恼`差，可通過提高機(jī)床零部件質(zhì)量（加工精度、剛度與熱特性等）、降低內(nèi)部熱源發(fā)熱量及嚴(yán)格控制加工環(huán)境和使用條件等來解決。

3）工裝夾具誤差。工裝夾具的定位誤差會直接影響工件的尺寸精度和位置精度，因此要求工裝夾具要有良好的定位精度、剛性及結(jié)構(gòu)工藝性。合理選擇夾具的支點(diǎn)、定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)，保證零件夾緊時的變形量在合理范圍內(nèi)，否則過大的變形量將影響零件的加工精度。若采用相應(yīng)的措施仍不能控制零件的變形，應(yīng)當(dāng)考慮必要的工藝措施，例如對零件進(jìn)行熱處理，以消除應(yīng)力，減小變形；對不能用熱處理方法解決的變形問題，可以采用粗、精銑分開的方法，粗、精銑加工采用不同的夾緊力。

3 、結(jié)束語

綜上所述，在數(shù)控機(jī)床上加工零件是整個工藝系統(tǒng)及加工環(huán)境綜合作用的結(jié)果，誤差來源非常復(fù)雜，零件的加工精度取決于系統(tǒng)的各種因素。因此，必須綜合考慮各個環(huán)節(jié)，分析并找出影響零件精度的誤差來源，以便采取相應(yīng)措施。

來源：太原工業(yè)學(xué)院工程訓(xùn)練中心，中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院

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