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技术专栏
2019.01.15

数控机床加工精度靠什么来保证?

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数控机(ji)(ji)床(chuang)的加工精(jing)(jing)度(du)(du)最终要靠(kao)机(ji)(ji)床(chuang)本身的精(jing)(jing)度(du)(du)来保证,数控机(ji)(ji)床(chuang)精(jing)(jing)度(du)(du)包(bao)括(kuo)几何精(jing)(jing)度(du)(du)、定位精(jing)(jing)度(du)(du)、重复定位精(jing)(jing)度(du)(du)和(he)切(qie)削精(jing)(jing)度(du)(du)。  

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几何精:又称静态精度,是综合反映数控机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。 

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定位精度:是表明所测量的机床各运动部位在数控装置控制下,运动所能达到的精度。根据实测的定位精度数值,可以判断出机床自动加工过程中能达到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等实际位置与标准位置(理论位置、理想位置)之间的差距,差距越小,说明精度越高。是零件加工精度得以保证的前提。  

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重复定位精度:是指在数控机床上反复运行同一程序代码所得到的位置精度的一致程度。是在在相同条件下(同一台数控机床上,操作方法不同,应用同一零件程序)加工一批零件所得到的连续结果的一致程度。  

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切削精度:是对机床的几何精度和定位精度在切削加工条件下的一项综合检查。  

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由上述可见,数控机(ji)(ji)(ji)床(chuang)精度的高(gao)低分机(ji)(ji)(ji)械和(he)电气两个(ge)方(fang)面,机(ji)(ji)(ji)械方(fang)面如主轴精度,如跳(tiao)动、母线(xian)等(deng);丝杠的精度;加工(gong)时(shi)(shi)夹具的精度,机(ji)(ji)(ji)床(chuang)的刚性等(deng)等(deng)。电气方(fang)面则主要是控制方(fang)式如半(ban)闭(bi)环,全闭(bi)环等(deng),还有反馈和(he)补(bu)偿方(fang)式、加工(gong)时(shi)(shi)的插补(bu)精度等(deng)。所(suo)以机(ji)(ji)(ji)床(chuang)精度高(gao)低并不(bu)取决于机(ji)(ji)(ji)床(chuang)是不(bu)是全闭(bi)环。

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一、原理介绍    

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数(shu)控(kong)机(ji)床运动(dong)(dong)链包括(kuo)数(shu)控(kong)装(zhuang)置(zhi)→伺(si)服编码器→伺(si)服驱动(dong)(dong)器→电(dian)机(ji)→丝杠→移动(dong)(dong)部(bu)件,根(gen)据位(wei)置(zhi)检测(ce)装(zhuang)置(zhi)安装(zhuang)位(wei)置(zhi)不同,分为全闭(bi)环(huan)控(kong)制、半闭(bi)环(huan)控(kong)制、开(kai)环(huan)控(kong)制。 

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 1、全闭环控制进给伺服系统   

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将(jiang)位置检测装置(如光(guang)栅尺、直线感(gan)应同步器(qi)等)安(an)装在机(ji)(ji)(ji)床运(yun)动部(bu)件(jian)(如工作(zuo)台(tai))上,并对移动部(bu)件(jian)位置进(jin)行实(shi)时的反馈,通(tong)过数控系统(tong)处理(li)后将(jiang)机(ji)(ji)(ji)床状态(tai)告(gao)知伺(si)服电机(ji)(ji)(ji),伺(si)服电机(ji)(ji)(ji)通(tong)过系统(tong)指令自动进(jin)行运(yun)动误(wu)差的补(bu)偿。但由(you)于它将(jiang)丝(si)杠、螺(luo)母副(fu)及机(ji)(ji)(ji)床工作(zuo)台(tai)这(zhei)些大惯性(xing)环节(jie)放(fang)在闭环内,调试时,其系统(tong)稳定状态(tai)调试比较麻烦。另外像光(guang)栅尺、直线感(gan)应同步器(qi)这(zhei)类测量装置价格较高,安(an)装复杂,有(you)可能引起振(zhen)荡(dang),所以一般机(ji)(ji)(ji)床不(bu)使(shi)用全闭环控制(zhi)。  

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2、半闭环控制进给伺服系统  

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将位置检测装置安装在(zai)驱动电机的端(duan)部或是丝杆(gan)的端(duan)部,用(yong)来检测丝杠或伺服(fu)马达的回(hui)转角,间接测出机床运动部件的实(shi)际(ji)位置,经反馈送回(hui)控制(zhi)系(xi)统。由(you)于机械制(zhi)造水平的提高及(ji)速度(du)检测元(yuan)件和丝杆(gan)螺距精度(du)的提高,半闭环(huan)数(shu)控机床已(yi)能(neng)达到相(xiang)当高的进给精度(du)。大多(duo)数(shu)的机床厂家广泛采用(yong)了半闭环(huan)数(shu)控系(xi)统。

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二、 实际应用 

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1、全闭环控制系统    

位置(zhi)检(jian)测装置(zhi)(如光(guang)栅尺、直(zhi)线感(gan)应同步器等(deng))有(you)不同精度等(deng)级(±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm),所以(yi)全闭环控制也会有(you)误差(cha),定位精度高低受精度等(deng)级影响。  

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位置(zhi)(zhi)检测装置(zhi)(zhi)热(re)(re)(re)(re)性能(热(re)(re)(re)(re)变(bian)(bian)形(xing)),测量装置(zhi)(zhi)一般(ban)是非金属材料,热(re)(re)(re)(re)膨(peng)胀系数与机床各(ge)部(bu)件不一致,它是机床工(gong)作精确度的(de)关键环节,所以(yi)必(bi)须要解决机床加(jia)工(gong)过(guo)程中的(de)发热(re)(re)(re)(re)问题,以(yi)克服由于温度引起的(de)热(re)(re)(re)(re)变(bian)(bian)形(xing)。高端机床会采用各(ge)种(zhong)方式,如丝(si)杠中空(kong)冷却、导(dao)轨润滑、切削液恒温冷却等方式来降低机床加(jia)工(gong)过(guo)程中的(de)热(re)(re)(re)(re)变(bian)(bian)形(xing)。 

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位置(zhi)(zhi)检测(ce)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)也十分重要,理论(lun)上(shang),越(yue)靠(kao)近(jin)驱(qu)动(dong)(dong)(dong)轴(zhou)(zhou)(zhou)线(xian)(丝杠副),测(ce)量(liang)越(yue)准确。由(you)于受结(jie)构空(kong)间限(xian)制,光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)的(de)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)方(fang)式只有两种(zhong)(zhong),一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)是(shi)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)在近(jin)丝杠副侧(ce)(ce),另一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)是(shi)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)在导(dao)轨外侧(ce)(ce)。推荐尽可能选取第(di)一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)方(fang)式,但检修和(he)维护不(bu)(bu)方(fang)便。反(fan)之(zhi),选择了(le)(le)高(gao)精度的(de)光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi),而实际没有达到数控(kong)(kong)机床所(suo)要求的(de)精度。即使第(di)一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)情况,光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)的(de)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)位置(zhi)(zhi)比较靠(kao)近(jin)驱(qu)动(dong)(dong)(dong)轴(zhou)(zhou)(zhou)线(xian),但是(shi)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)位置(zhi)(zhi)毕竟(jing)与驱(qu)动(dong)(dong)(dong)轴(zhou)(zhou)(zhou)线(xian)有一(yi)(yi)定距(ju)离,这一(yi)(yi)点距(ju)离和(he)驱(qu)动(dong)(dong)(dong)时(shi)物(wu)体(ti)的(de)摆(bai)动(dong)(dong)(dong)相结(jie)合后,对(dui)光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)的(de)检测(ce)控(kong)(kong)制带来了(le)(le)很(hen)大的(de)麻烦。当驱(qu)动(dong)(dong)(dong)物(wu)体(ti)向光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)侧(ce)(ce)摆(bai)动(dong)(dong)(dong)时(shi),光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)在检测(ce)时(shi)误认为(wei)移动(dong)(dong)(dong)速(su)(su)度不(bu)(bu)足(zu),系统则(ze)给出(chu)加速(su)(su)信(xin)号,而驱(qu)动(dong)(dong)(dong)物(wu)体(ti)马(ma)上(shang)向另一(yi)(yi)侧(ce)(ce)摆(bai)动(dong)(dong)(dong),光(guang)(guang)(guang)栅(zha)(zha)尺(chi)(chi)在检测(ce)时(shi)又误认为(wei)移动(dong)(dong)(dong)速(su)(su)度太(tai)快,系统则(ze)给出(chu)减速(su)(su)信(xin)号,这样反(fan)反(fan)复(fu)复(fu)运行,居然(ran)没有改善数控(kong)(kong)机床各线(xian)性(xing)坐(zuo)标轴(zhou)(zhou)(zhou)的(de)控(kong)(kong)制,反(fan)而加剧了(le)(le)驱(qu)动(dong)(dong)(dong)物(wu)体(ti)的(de)振动(dong)(dong)(dong),导(dao)致了(le)(le)全闭环(huan)不(bu)(bu)如半闭环(huan)的(de)奇特现象。 

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 生产环(huan)境影响:一(yi)般机(ji)械加工工厂环(huan)境比较(jiao)(jiao)恶劣,灰(hui)尘、振动是(shi)常见现(xian)(xian)象,但光栅(zha)尺、直线感应(ying)同(tong)步器属于精(jing)密(mi)元器件,工作原理是(shi)靠光的反射来(lai)测量相对移动位置,灰(hui)尘、振动恰恰是(shi)影响测量精(jing)度的最大因素。另外(wai),机(ji)床(chuang)在(zai)加工时,切削油雾(wu)、水雾(wu)比较(jiao)(jiao)严重,对光栅(zha)尺、直线感应(ying)同(tong)步器影响非(fei)常大。所(suo)以要使用(yong)全闭环(huan)控制(zhi)系统,除了做好安装密(mi)封外(wai),一(yi)定要提高生产环(huan)境。否则(ze),就会出现(xian)(xian)这种现(xian)(xian)象,刚来(lai)的新机(ji)床(chuang)精(jing)度不错,但用(yong)了不到一(yi)年,不但精(jing)度下降,机(ji)床(chuang)还经常报警。 

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2、半闭环控制系统

由于(yu)将测(ce)量装(zhuang)(zhuang)置(zhi)安(an)装(zhuang)(zhuang)在(zai)电(dian)机或丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)顶端,比(bi)较容易密(mi)封(feng),所以对环境没(mei)有要求。半(ban)闭(bi)环控(kong)制系统(tong)(tong)的(de)(de)精(jing)度误差(cha)主要取决于(yu)丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)的(de)(de)正(zheng)反(fan)向间隙(xi)。随着机械加工(gong)(gong)工(gong)(gong)艺(yi)的(de)(de)提高,目前进口丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)的(de)(de)制造工(gong)(gong)艺(yi)水平(ping)较高,高精(jing)度的(de)(de)丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)副(fu)(fu)配(pei)(pei)合(he)基本(ben)消(xiao)除了(le)(le)正(zheng)反(fan)向间隙(xi)。另(ling)外在(zai)装(zhuang)(zhuang)配(pei)(pei)环节,丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)副(fu)(fu)采用(yong)双列反(fan)向滚珠丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)副(fu)(fu),可以完全消(xiao)除正(zheng)反(fan)向间隙(xi)。另(ling)外,很多(duo)机床(chuang)厂(chang),在(zai)机床(chuang)装(zhuang)(zhuang)配(pei)(pei)时,将丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)采用(yong)预拉伸方式,消(xiao)除了(le)(le)机床(chuang)热(re)变形对丝(si)(si)(si)杠(gang)(gang)传动精(jing)度的(de)(de)影响。所以目前半(ban)闭(bi)环控(kong)制系统(tong)(tong)已经能够保(bao)证机床(chuang)达到很高的(de)(de)精(jing)度。 

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三、 结(jie)论      

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综上所述可(ke)以(yi)看出,在理论(lun)上,如果(guo)不(bu)(bu)考虑外部因(yin)素,全(quan)(quan)闭(bi)环(huan)控(kong)制比(bi)半(ban)闭(bi)环(huan)控(kong)制可(ke)能(neng)(neng)会提高基础的定(ding)位精度(du)(du)。但(dan)如果(guo)不(bu)(bu)能(neng)(neng)很(hen)好(hao)的解决机床发热、环(huan)境污(wu)染、温升(sheng)、振动、安装(zhuang)等(deng)因(yin)素,会出现全(quan)(quan)闭(bi)环(huan)不(bu)(bu)如半(ban)闭(bi)环(huan)的现象(xiang)。短时间(jian)内(nei)可(ke)能(neng)(neng)会有效果(guo),但(dan)时间(jian)一长,灰尘(chen)、温度(du)(du)变化对光栅尺的影响(xiang),将严重影响(xiang)测(ce)量(liang)反馈数据(ju),从而失(shi)去作用。同(tong)时光栅尺出现问题后,会产生报警,造成机床不(bu)(bu)能(neng)(neng)工作。     

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