數(shù)控機(jī)床加工工藝分析和精度分析

數(shù)控機(jī)床綜合了精密機(jī)械、電子、電力拖動(dòng)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷和計(jì)算機(jī)等多方面的技術(shù)，是典型的高精度、高效率及高柔性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，近年來(lái)我國(guó)的數(shù)控機(jī)床技術(shù)正處在突飛猛進(jìn)的階段，在數(shù)控機(jī)床的使用過(guò)程中，加工工藝和精度分析對(duì)于機(jī)床的加工效率和零件的加工精度都有重要影響，本文結(jié)合筆者多年的操作經(jīng)驗(yàn)，研究了數(shù)控加工工藝的主要步驟和精度研究中容易出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決方法。

1　數(shù)控機(jī)床加工工藝分析
   
數(shù)控機(jī)床是是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，其數(shù)控加工工藝以自動(dòng)化和高速精密性為主。高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，近幾年來(lái)，數(shù)控機(jī)床的在機(jī)械加工中的作用更為突出。數(shù)控加工工藝是伴隨著數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生、發(fā)展而不斷創(chuàng)新的一種應(yīng)用技術(shù)，所謂數(shù)控加工工藝就是用數(shù)控機(jī)床加工零件的一種工藝方法。隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床用戶(hù)的不斷增加，數(shù)控加工工藝在應(yīng)用的領(lǐng)域的重要性日益突出，數(shù)控加工工藝以改善加工性能和提高加工效率為主要發(fā)展方向，并將二者融合到控制程序之中，運(yùn)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)的規(guī)范處理方式，融合多種加工方法，以達(dá)到工序集中的復(fù)合加工方式為目的，提供更高水平的加工技術(shù)，從而進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用與發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)的地位如此重要就必須首先了解數(shù)控加工工藝的主要特點(diǎn)和技術(shù)原則要求：(1)數(shù)控加工的工藝內(nèi)容要按照零件加工的要求進(jìn)行工步細(xì)化，所以在進(jìn)行施工的過(guò)程中必須要依據(jù)加工要求進(jìn)行準(zhǔn)確編程；(2)數(shù)控加工工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)合理，以保證數(shù)控機(jī)床的加工所產(chǎn)生的誤差最小化；(3)數(shù)控加工的工序相對(duì)集中，以提高加工效率，對(duì)于復(fù)雜的加工過(guò)程，需要進(jìn)行必要的數(shù)控仿真技術(shù)支持。

1.1　數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)
   
數(shù)控機(jī)床有著高度的自動(dòng)化特點(diǎn)，其加工工藝要依靠數(shù)控模塊對(duì)設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行實(shí)施，因此要求加工的工藝線(xiàn)路在規(guī)劃時(shí)必須精準(zhǔn)，同時(shí)要把握好加工程序的編制，因?yàn)榫幊毯w了數(shù)控機(jī)床加工的重要內(nèi)容，也是工藝質(zhì)量得以保證的重要指標(biāo)。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，必須先有合理有效的編程工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)，然后才能保證加工工藝進(jìn)程的完整。

1.1.1　分析加工工藝路線(xiàn)
  
數(shù)控機(jī)床的加工工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)要考慮到具體的加工環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)數(shù)控鏜銑床的加工環(huán)節(jié)更要重視，要根據(jù)具體情況做出明確的分辨。在數(shù)控車(chē)、鏜銑床或加工中心上加工有同軸度要求的內(nèi)、外圓柱面或端面與外圓、內(nèi)孔有垂直度要求時(shí)，均應(yīng)在一次裝夾中完成。在數(shù)控鏜銑床或加工中心上加工有孔與端面有垂直度要求或平面與平面有位置精度要求時(shí)，應(yīng)注意盡可能在一次裝夾中完成。

1.1.2　編程原點(diǎn)的選擇
   
編程原點(diǎn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和工藝基準(zhǔn)盡量重合，避免產(chǎn)生尺寸鏈誤差及不必要的尺寸換算。設(shè)定的編程原點(diǎn)應(yīng)使工件容易找正，方便對(duì)刀，編程簡(jiǎn)便，有利于編程數(shù)值的計(jì)算。對(duì)稱(chēng)零件的編程原點(diǎn)應(yīng)選在零件的對(duì)稱(chēng)中心。在加工零件上的工件原點(diǎn)應(yīng)容易準(zhǔn)確的確定，盡可能使加工余量均勻。例如：以孔定位的零件，應(yīng)以孔的中心作為編程原點(diǎn)，對(duì)于一些形狀不規(guī)則的零件，可在其基準(zhǔn)面(或線(xiàn))上選擇編程原點(diǎn)，當(dāng)加工路線(xiàn)呈封閉形式時(shí)，應(yīng)在精度要求較高的表面選擇編程原點(diǎn)(或加工起始點(diǎn))。

1.2　模擬仿真技術(shù)
   
智能化模擬仿真技術(shù)，可以通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工工藝路線(xiàn)進(jìn)行仿真模擬而得出適合加工的一種軟件控制手段，結(jié)合運(yùn)用成組技術(shù)可以提高數(shù)控加工編程效率。例如：根據(jù)其外形結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求和加工方法的相似性，把零件分成若干組，在每一組零件中選出一個(gè)代表性零件(它可以是實(shí)際存在的，也可以是假想的，但必須包括組內(nèi)所有零件的加工要素)，根據(jù)這個(gè)代表零件模擬出一套典型的工藝規(guī)程，選定和設(shè)計(jì)一組機(jī)床及工藝設(shè)備，并把它們組成一個(gè)專(zhuān)門(mén)的加工設(shè)計(jì)，如果模擬仿真技術(shù)成功就只需要略微做一下調(diào)整，便可以進(jìn)行加工生產(chǎn)。例如，運(yùn)用奧匹茲分類(lèi)方法拆分代號(hào)為12031的零件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該零件是一個(gè)回轉(zhuǎn)體零件， 所以第一位數(shù)是1；一端有臺(tái)階，并有緊固螺紋，所以第二位數(shù)是2；無(wú)內(nèi)孔，所以第三位數(shù)是0；需要加工鍵槽，所以第四位數(shù)是3；有四個(gè)軸向孔，與其他要素?zé)o位置要求，所以第五位數(shù)是1。按成組方式來(lái)組織零件生產(chǎn)時(shí)，首先按照零件的結(jié)構(gòu)特征、工藝特征以及加工設(shè)備的特征，將各種零件進(jìn)行分組、歸類(lèi)與編碼，然后建立每類(lèi)零件的典型圖庫(kù)和成組加工工藝庫(kù)。

2　數(shù)控機(jī)床的精度影響及分析
   
數(shù)控機(jī)床的加工精度目前已經(jīng)有了高速的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)(0.01mm)提升到目前的微米級(jí)(0.001mm)。而超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05μm左右，形狀精度可達(dá)0.01μm左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)(0.001μm)?？梢哉f(shuō)，數(shù)控機(jī)床的精度已經(jīng)進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代。在這樣高精密度要求下，必須要把握數(shù)控機(jī)床的精度分析，保證不會(huì)出現(xiàn)由于操作問(wèn)題而導(dǎo)致的精度誤差。

2.1　間隙誤差的影響
   
進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速齒輪、連軸節(jié)、滾珠絲杠副及支承軸承組成。在這些機(jī)構(gòu)的組成之中，如果出現(xiàn)一定的連接不穩(wěn)定就會(huì)導(dǎo)致間隙的產(chǎn)生，產(chǎn)生的間隙就會(huì)改變整體的加工環(huán)節(jié)誤差。滾珠絲杠與螺母之間的間隙直接影響工作臺(tái)的進(jìn)給精度。設(shè)滾珠絲杠與螺母之間的間隙為SF，則反轉(zhuǎn)時(shí)造成工作臺(tái)進(jìn)給誤差δ1=SF。不僅如此，絲杠螺母副的間隙還影響絲杠螺母副的剛度，進(jìn)而影響工作臺(tái)進(jìn)給精度。針對(duì)這些誤差問(wèn)題必須要轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化操作控制方式，在機(jī)械換向時(shí)，對(duì)換向時(shí)間和換向方式做出改變。而對(duì)于滾珠絲杠與螺母之間間隙的消除方法，要重視對(duì)間隙的偏差測(cè)定，通過(guò)反復(fù)的間隙測(cè)量來(lái)確定出具體的偏差基數(shù)，要求測(cè)出機(jī)床各軸的各項(xiàng)原始誤差，比較成熟的測(cè)量方法是激光干涉儀，測(cè)量精度高。用雙頻激光干涉儀進(jìn)行誤差測(cè)量，需時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)操作人員調(diào)試水平要求高，主要是對(duì)誤差測(cè)量環(huán)境要求高，常用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作。相對(duì)誤差分解、合成補(bǔ)償法，測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單，一次測(cè)量可獲得整個(gè)圓周的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以滿(mǎn)足機(jī)床精度的檢測(cè)和機(jī)床評(píng)價(jià)。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機(jī)床情況各異，難以找到合適的通用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差分解，并且對(duì)測(cè)量結(jié)果影響相同的原始誤差項(xiàng)不能進(jìn)行分解，也難以推廣應(yīng)用。測(cè)定之后要再將這種基數(shù)輸入到程序控制之中，這樣就可以最大限度地保證數(shù)控程序進(jìn)行時(shí)的偏差數(shù)據(jù)最小化，做到補(bǔ)償適當(dāng)。具體的補(bǔ)償方法如下：(1)備份CNC 控制系統(tǒng)中的已有補(bǔ)償參數(shù)；(2)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生進(jìn)行逐點(diǎn)定位精度測(cè)量的機(jī)床CNC 程序，并傳送給CNC 系統(tǒng)；(3)自動(dòng)測(cè)量各點(diǎn)的定位誤差；(4)根據(jù)指定的補(bǔ)償點(diǎn)產(chǎn)生一組新的補(bǔ)償參數(shù)，并傳送給CNC 系統(tǒng)，螺距自動(dòng)補(bǔ)償完成；(5)重復(fù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。除此之外，對(duì)于脈沖當(dāng)量補(bǔ)償就是指每輸出一個(gè)脈沖后數(shù)控機(jī)床移動(dòng)部件相應(yīng)的移動(dòng)量它的大小視機(jī)床精度而定，一般為0.01~0.0005mm。脈沖當(dāng)量影響數(shù)控機(jī)床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。當(dāng)然，數(shù)控機(jī)床的誤差調(diào)正有兩種方法，一種是靠數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)償，一種是調(diào)整機(jī)械部分，如果對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)進(jìn)行數(shù)控補(bǔ)償程序會(huì)十分復(fù)雜困難，可通過(guò)調(diào)整絲杠間隙進(jìn)行消除。