数控机床加工误差分析及对策

苏州经贸职业技术学院 姜 辉

数控机床加工误差分析及对策

苏州经贸职业技术学院 姜 辉

一、程序编制误差及解决措施

程序编制误差是在加工工件程序编制过程中产生的。在实际的加工中，由于程序编制处理不当而造成的误差一般是制作人员对现场加工的工艺缺乏了解，对机床操作系统的特性缺乏了解，对零件图纸中的尺寸误差处理不当，对编程原点选取不当带来的误差。解决措施包括以下几点。

1.重点关注因对零件结构的工艺性分析不足而造成的误差。编程人员要充分了解现场加工的工艺流程，熟悉机床操作系统并且能够正确处理零件图纸的尺寸误差。

2.应采用统一的定位基准。数控加工中若没有统一的定位基准，会因零件的重新安装而引起加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调，造成较大的误差。零件上最好有合适的孔作为定位基准，避免造成欠切削或过削现象。在数控车床上加工圆弧与直线或圆弧连接的内外轮廓时，应充分考虑其过度圆弧半径的大小，可采用刀具刀尖半径自动补偿法予以解决。用铣刀加工内外轮廓时，刀具的切入点与切出点应选在零件轮廓几何参数的交点处，选择合适的切入和切出方向。

3.编程原点应尽可能与图纸上的尺寸基准重合，其选择有利于编程、数值计算简便以及所引起的加工误差应最小，且测量位置较方便。

二、数控机床产生的误差及解决措施

数控机床产生的误差主要分为数控系统产生的误差和机械部分产生的误差两部分。

1. 数控系统产生的误差。数控系统按照伺服系统的控制方式，可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。

（1）开环控制系统。开环控制系统主要由驱动电路，执行元件和机床三大部分组成。伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移，移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数决定的。开环控制系统的信息流是单向的，不带有检测装置，也没有反馈电路。系统框架如图1所示。

由于进给系统中没有反馈检测装置，其前进路线中产生的误差就无法通过反馈信息来进行补偿，从而导致了输出位置误差，此外系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正，因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。主要的误差包括以下几点。

反向间隙误差。开环控制系统中加工刀具与工件的相对运动是依靠驱动装置带动齿轮、丝杠转动，从而推动工作台面等移动部件产生位移来实现的。作为传统元件的齿轮、丝杠尽管制造精度很高，但总免不了存在间隙。由于这种间隙存在，当运动的方向改变时，开始必然会引起驱动元件的空走，出现指令脉冲推不动执行元件的局面。这就影响了机床的加工精度，即指令脉冲与实际进给步数不相符合，产生加工误差。

丝杠螺距误差。在开环控制系统中涉及的零件等会有误差。

步进电动机的起停误差。在步进电动机启动和停止的过渡过程中，电动机的转动总是滞后于控制脉冲。

解决的措施包括以下几点。

反向间隙误差补偿。将开环数控系统设置反向间隙误差补偿功能，用以补足空走的步数。反向间隙差补偿就是实测反向进给的误差，把它折算成脉冲当量数，作为间隙补偿子程序的输出量，当计算机判断出现的指令为反向运动时，随即调用间隙补偿子程序，通过输出补偿脉冲消除反向间隙后再进行正常的插补运行。

常值系统性定位误差补偿。先在机床上建立绝对原点，根据实测的机床某一坐标轴的全程点位误差曲线来确定补偿点，最后列成误差修正表，存入计算机。当工作台移动时，由安装在绝对原点处的微动开关发出绝对原点定位信号，计算机随时发出对应于目标补偿点的误差补偿信息，对机床的定位误差进行补偿。

反馈补偿开环控制。该系统由开环控制和感应同步器直接位置测量两个部分组成，这里的位置检测不用作位置的反馈，而是作为位置误差的补偿反馈，工作在鉴幅方式的感应同步器此时既是位置检测器，又是比较器。

（2）闭环控制系统。闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。这类控制系统因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控制系统能够时时检测到工作台的实际位置，位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制，并反馈给数控系统中，与系统中的指令值进行比较，用差值对机床进行控制，直到消除差值时才停止移动。系统框架如图2所示。

闭环控制系统误差产生的主要原因有死区引入的误差，机械磨损引起的误差，制造安装引起的误差，控制系统硬件引起的误差。

减少上述误差的主要方法是尽量选用精度较高的反馈系统，提高系统的安装精度，解决方法如下。

机械传动中的死区间隙，包括传动中的摩擦死区和电器元件参数的死区，其中机械传动装置造成的间隙等于各传动副的间隙反映到工作台行间隙量之和，主要由间隙和摩擦死区两部分，是可以确定的，由系统软件进行补偿。磨损也是不可避免的，持续的，在实际生产中，在一定的时间内，可将磨损看做一定值，作为系统误差予以补偿。

安装时要根据实际测量结果正确调整导轨和丝杠的安装，滚珠丝杠的精度应与导轨的精度相适应。

在正常系统中，会因编码器、电缆的屏蔽、接口电路性能导致脉冲技术偏差。编码器产生的偏差应为零或小到可以忽略不计，因为编码器是闭环系统中的唯一位置检测环，所以转速的选择应尽量与工作台转速接近。

（3）半闭环控制系统 。半闭环控制系统是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，用安装在进给丝杠轴或伺服电机轴端的角位移测量元件来实现机床工作台的直线运动测量，并对误差进行修正。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床，系统框架如图3所示。

半闭环控制系统产生误差的原因包括：传动链部分，丝杠的固有误差，滚珠丝杠副的误差。

解决方法包括由数控系统软件实施补偿；尽量减小滚珠丝杠副、轴承的预压，根据数控机床的实际运动速度要求，选用适当的丝杠导程，降低转数，选定合适的润滑油及利用空气冷却丝杠外援，将滚珠丝杠累计导程目标值置为负值；在丝杠轴上施加预张力；可按控制系统的误差予以补偿。

2. 机械部分产生的误差。

（1）由工装（包括刀具、夹具、量具等）产生的误差。应在数控加工中尽量采用数控刀具；选取合适的量具可以时常检测成型零件的真实尺寸，保证加工出符合图纸的产品；夹具可以实现快速安装零件的作用，但同时要求夹具保证零件装夹时的变形量满足要求，否则过大的变形量将影响零件的加工精度。

（2）刀尖圆弧误差。在切削内孔、外孔或端面时，刀尖圆弧不影响其尺寸、形状，但在加工锥面或圆弧时受刀尖圆弧影响造成过切或少切；对刀误差主要产生在对刀过程中，刀具在移动到起刀点位置时受操作系统的进给修调比例值影响。

刀尖圆弧误差可通过测量刀尖圆弧半径，采用刀具半径补偿功能来消除误差；对刀误差可以合理选择进给修调比例，尤其是当刀具靠近起刀点位置时采用最小挡进给修调使刀具精确定位于起刀点位置。

三、结论

由上文分析可知，因外力、安装、温度、磨损、死区等因素引起的误差在理论上可归类于系统误差部分，通过在系统中设置补偿参数表，通过系统软件可以进行补偿。但由硬件引起的误差则往往是由控制系统和算法本身的原因造成，而不能进一步补偿，只能预先估计，不仅要考虑优化控制系统参数、滚珠丝杠和导轨的精度，同时对工作环境及防护提出要求，如恒温、消除电磁干扰和定期清洗传动部件等。