數(shù)控車床加工精度影響因素及控制
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摘要：在科學技術的推動下，數(shù)控技術取得了較大突破，并迅速應用于生產。數(shù)控車床是數(shù)控技術應用的典型代表，其通過CNC系統(tǒng)與普通車床相結合，以數(shù)字化的手段來控制機床的生產。數(shù)控車床有許多優(yōu)點，不但加工精度高，而且產品生產質量較為穩(wěn)定，可以說，數(shù)控技術的引入給機械加工行業(yè)帶來了一次新的革命。文章對數(shù)控車床的工作原理和特點進行闡述，對數(shù)控車床加工精度產生影響的因素進行分析，并從這些角度分析如何對數(shù)控車床的加工精度進行優(yōu)化，旨在促進數(shù)控車床加工精度的提高。
關鍵詞：數(shù)控車床；加工精度；影響因素；優(yōu)化方案
1數(shù)控車床概述
1.1數(shù)控車床的工作原理
數(shù)控車床看起來比較復雜，但是其組成和工作原理非常簡單，是普通機床本體與CNC系統(tǒng)的組合，通過該計算機數(shù)字化控制系統(tǒng)實現(xiàn)對車床的控制，最終形成數(shù)控車床[1]。數(shù)控車床與普通車床相比，有著明顯的數(shù)字化優(yōu)勢，而且具有普通機床無法企及的優(yōu)勢，因此比普通車床有著更廣泛的應用。數(shù)控車床的工作原理偏向數(shù)字化的特點，比如在進行生產加工前，通過計算機語言的編程，將生產產品的相關數(shù)據傳輸?shù)较到y(tǒng)中，由系統(tǒng)通過CNC裝置等指揮操作完成生產。數(shù)控車床的具體工作流程如下：首先由工作人員將待加工零件放到機床的相應位置上，隨后將該零件的加工數(shù)據傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)中[2]，接著再通過CNC系統(tǒng)錄入零件加工的相關信息；之前錄入CNC系統(tǒng)中的所有信息都將通過裝置轉存為相應代碼，通過PLC系統(tǒng)將接收的代碼進行翻譯，輸出對應的指令，機床的各裝置接收到指令后按照指令進行工作。
1.2數(shù)控車床的特點
CNC系統(tǒng)的引入使得數(shù)控車床的使用更加數(shù)字化和自動化，有著傳統(tǒng)車床不具備的優(yōu)點：（1）加工精度更高。CNC控制系統(tǒng)的引入，使得數(shù)控車床的加工精度有了非常明顯的提高，不僅提升了機械零件加工的質量，還使加工成品的穩(wěn)定性得到了保障。（2）加工深度大。CNC控制系統(tǒng)可以對多種程序進行集合，在多種程序的聯(lián)動工作下，加工的零件不再拘泥于過去的形狀，變得更加復雜多樣[3]。（3）工作效率更高。改變數(shù)控車床的加工零件的形狀非常簡單，只需要改變系統(tǒng)中的程序，就可以控制數(shù)控車床加工不同的零件，因此不必預留出計算評估時間，工作效率得到了很大程度上的提升。（4）生產過程自動化。在CNC系統(tǒng)的幫助下，數(shù)控車床加工零件效率非常高，只要在系統(tǒng)中輸入相關的程序，就可以實現(xiàn)整個過程的自動化，可以批量完成零件的加工工作，顯著減少人力和物力的浪費，不僅提高了生產效率還降低了工作人員的生產強度。
2數(shù)控車床加工精度的影響因素
2.1伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)在整個數(shù)控車床系統(tǒng)中占有非常重要的位置，是系統(tǒng)的中樞，其能夠準確地對車床工作的某一個過程進行跟隨，或是將這個過程完整復制下來，所以也叫作隨動系統(tǒng)。車床在進行零部件加工時，伺服系統(tǒng)起到重要的驅動作用。同時伺服系統(tǒng)還能夠決定零件的加工精度，在車床工作過程中的重要環(huán)節(jié)都能夠體現(xiàn)伺服系統(tǒng)的作用。在車床進行零件加工時，一般是通過閉環(huán)控制伺服給進系統(tǒng)來對數(shù)控車床的工作進行控制，而伺服系統(tǒng)將工作信號向外傳遞之后會引起絲杠的反向運轉，這時會出現(xiàn)短暫的空轉情況。該空轉狀況是影響數(shù)控車床加工精度的因素之一[4]。
2.2刀具參數(shù)
當數(shù)控車床進行零件加工時，需要通過刀具進行切削。在加工過程中，用于切削零件的車刀軸線可能會出現(xiàn)移動，從而導致切割時出現(xiàn)產品不穩(wěn)定的情況，刀尖圓弧半徑會有所改變，切削出來的產品會存在一定的偏差。如果不能及時發(fā)現(xiàn)偏差并加以處理，將會導致偏差越來越大。因此，在向控制系統(tǒng)中輸入刀具的參數(shù)時，要根據零件加工的具體情況，了解車刀軸線的變化情況，并在此基礎上找到合適的軸向位移長度、刀尖所形成的圓對應的半徑以及主偏角的大小，向系統(tǒng)中輸入適當?shù)臄?shù)據[5]。要充分了解需要加工的零件所具有的特點，從而設置合適的偏差參數(shù)，通過科學分析，加以調整和修正，減少刀具參數(shù)不合理，避免加工精度降低。
2.3切削用量
當數(shù)控車床進行零件加工時，需要對零件進行一定量的切削。切削中最重要的三要素分別是切削速度、切削深度和切削用量，其中切削用量對零件加工精度有很大的影響，會對零件表面光滑度產生一定影響。在對零件進行初加工時，一般會用較大的背吃刀量來進行加工，這樣的選擇能夠提高效率。但這種方式存在一定問題，背吃刀量和切削力是呈正向的關系，在這種情況下，會給刀具和零件造成一定的磨損，不利于產品加工精度的提升。在零件進行細致加工時，零件的精度是重點提升的對象，要求比較嚴格，所以在選擇切削用量時，注意要提高切削速度、縮小進給量，同時由于背吃刀量有所差異，要保持一定的精度余量。
3數(shù)控車床加工精度的優(yōu)化方案
3.1合理使用誤差改正方法
誤差是影響數(shù)控車床加工精度非常重要的因素，因此如果要針對這一因素實現(xiàn)加工精度的有效提升，就要充分使用誤差補償法，也就是在考慮系統(tǒng)補償功能的基礎上同時考慮軟件和硬件的因素，將二者實現(xiàn)有機結合，對坐標軸進行再次補償，從而實現(xiàn)加工精度的提升。如果誤差表現(xiàn)在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，最理想的解決方式是通過反向偏差補償法來解決誤差。反向偏差補償法和誤差補償法有一定差異。反向偏差補償法，主要是將零件的誤差和潛在誤差盡可能地減小，從而降低總體的誤差，并將其壓縮到可以控制的范圍中，但是反向偏差補償法有比較明顯的缺點，它應用成本較高，在實際生產中的應用范圍受限[6]。因此，要想通過反向偏差補償法進行誤差的改正，還要對該方法進行創(chuàng)新和發(fā)展，從而不必耗費較多的成本就能夠達到降低誤差、提高車床的加工精度的效果。
3.2重視對車床機控的維護
數(shù)控車床雖然可以通過數(shù)字化的程序進行控制，但是控制系統(tǒng)主要還是通過控制刀具來對產品進行加工，因此定期對機床進行檢查十分必要。需要在機床一些關鍵部位進行潤滑，保證機器的正常運轉，濾網清理也十分重要，還要經常對精度進行調整。另外，數(shù)控車床要經常進行工作，長時間閑置的情況下，電氣系統(tǒng)和機床系統(tǒng)之間的連接容易出現(xiàn)問題，比如系統(tǒng)插頭接觸不良、電池出現(xiàn)老化等情況。此時數(shù)控車床再次作業(yè)時，可能需要進行大型的維修才能恢復正常運行。
3.3減小伺服系統(tǒng)的誤差
如果發(fā)現(xiàn)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，一定要引起重視。解決伺服系統(tǒng)的誤差可以從兩方面著手：第一，設計環(huán)節(jié)。在車床開始設計時要保證驅動裝置的動態(tài)性能處于優(yōu)良狀態(tài)，只有驅動裝置擁有良好的動態(tài)性能，才能保證伺服裝置具有較強的抗壓和抗載能力，從而降低伺服系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的概率。第二，CNC控制系統(tǒng)。在做好第一步的優(yōu)化并完成相關設置后，要重新設置CNC控制系統(tǒng)的參數(shù)，保證參數(shù)是經過優(yōu)化選擇的。
3.4防止熱變形
熱加工也會對數(shù)控車床加工精度產生一定的影響。熱變形誤差的主要來源是機床內部的零件以及馬達在工作時與其他部位進行摩擦升溫，各零件之間的摩擦會使鄰近的其他零件產生一定范圍的形變。當零件加工精度的要求越嚴格，其所可能會受到的熱變形誤差的影響就會越大。我國現(xiàn)代制造業(yè)起步較晚，與發(fā)達國家相比還有一定的差距，數(shù)控車床的熱變形誤差的影響也是不容忽視的，而我國在進行數(shù)控車床零件加工時通常會忽視熱變形誤差的存在，因此在實際生產中，很多加工都會受到熱變形誤差的影響。從這一角度來說，要提高數(shù)控車床加工精度，減少熱變形誤差，就要控制熱源的產生，在數(shù)控車床中增添冷卻回路，從而避免熱變形誤差的產生和擴散。
3.5提高床身導軌的幾何精度
科技的不斷發(fā)展使得數(shù)控車床加工精度得到了提升，同時加工效率也有所改善，但是由于制造業(yè)對加工零件精度要求的進一步提高和數(shù)控車床性能的更新，對車床本身的重量和導軌精度的要求也與以往有所不同，變得更為嚴格：優(yōu)化更新后的數(shù)控車床的支撐要靠斜床造型；數(shù)控車床運行的穩(wěn)定性對于加工精度也有一定的影響，因此要完善和改進數(shù)控車床的抗彎水平，從而保障數(shù)控車床運行的穩(wěn)定。
4數(shù)控車床加工精度的綜合控制措施
4.1源頭設計防控措施
數(shù)控車床在設計中難免會存在一定的系統(tǒng)誤差，因此為了綜合控制數(shù)控車床加工精度，要在實踐中采用科學有效的方法，在最大程度上降低系統(tǒng)誤差。在數(shù)控車床出廠前進行設計時，要對相關的數(shù)據進行科學分析，采用合理的手段來減少或避免系統(tǒng)誤差的產生，進而保證機械的精度。4.2對刀工作管控對刀方式主要有兩種，一種是機械外部對刀，另一種是機械內部對刀。這種分類方式主要是根據對刀結構的不同來劃分的。刀具預調儀是對機械外部進行控制和干預的有效工具。通過技術裝備或試切手段來找到對刀點區(qū)域，隨后要做出相應的規(guī)劃和處理，保證機床能夠回到原位，并且在原位進行對刀處理，從而有效地提高精度。
4.3科學調試
在完成上述工作后，要重點關注調試工作的進度。在進行零件加工之前，首先要對數(shù)控車床進行相應的調試工作。在對各部分梳理清楚并明確調試工作的各項基本細節(jié)后，再進行實際的調試工作。零件的加工形成是基本確定的，按照這個行程對加工過程進行模擬，根據坐標系的位置來找到最佳的刀具位置。只有確定了合適的刀具位置，才能夠保證在后續(xù)的加工過程中，刀具能夠按照預設的行程進行加工，才能夠保證數(shù)控車床的加工質量。在進行具體的模擬時，要對各個程序特點進行整體梳理，并選擇科學合理的方式，對加工過程所涉及的每一環(huán)節(jié)進行核對，并制定相關的應對預案，對可能出現(xiàn)的故障做到心中有數(shù)。當出現(xiàn)故障時，要在短時間內發(fā)現(xiàn)故障，并進行及時調整。在模擬運行中，要對出現(xiàn)的問題進行溯源，及時找到問題出現(xiàn)的原因，在實際加工工作開始前進行調試工作，從而排除相關故障。
4.4優(yōu)化加工細節(jié)
在開始加工工作前，不僅要進行設備的調試，還要對待加工的零件情況進行檢查，保證零部件產品處于合格狀態(tài)。如果待加工的零部件不合格就直接進行加工，會浪費時間和資金，還會影響加工的質量。另外，如果零部件產品質量不過關，還會加劇加工的刀具磨損情況，使加工精度的提升受到阻礙。
4.5其他控制方法
在實際加工過程中，除了上述提到的增加精度的辦法，還有一些可行的方法能夠提高車床加工的精度。例如，對于傳統(tǒng)的車床來說，一般都會選擇垂直結構，這是為了提升車床加工的精度，可以轉變?yōu)橛眯贝驳姆绞絹泶娲怪苯Y構。在這樣的結構下，車床自身重量會有所降低，但能夠更好地進行封閉，從而進一步提高車床的抗彎性。同時，對于不同加工標準的零件，可以按照一定的順序來進行，比如可以先粗后精，這樣的加工順序能夠降低刀具的磨損度。不同的加工零件對刀具的轉速要求有所不同，為此可以經常調整刀具轉速，這樣針對性較強的工作模式，可以有效提高工作效率，同時也能夠達到控制加工精度的目的。
5結束語
科學技術在不斷進步，數(shù)控車床加工技術在生產生活中的應用范圍也越來越廣，為了滿足生產制造業(yè)的發(fā)展，機床加工的精度也在不斷提升。然而機床加工的精度會受到多方面的影響，雖然現(xiàn)在的數(shù)控車床在普通車床的基礎上加入了CNC系統(tǒng)，已經有了較高的零件加工精度和較為穩(wěn)定的生產零件質量，但是車床技術的發(fā)展還不夠完善，仍然存在一些不足之處。為了提高車床加工零件精度，就要逐一對這些影響因素進行控制，在最大程度上提高數(shù)控車床的加工精度，不斷改善數(shù)控車床的加工質量，以此為企業(yè)節(jié)省人力、物力和財力，提高企業(yè)的經濟效益，幫助企業(yè)在激烈的市場中獲得更大的競爭力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
參考文獻
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作者:凌旭東 單位:南京理工大學泰州科技學院