数控机床加工操作中的误差研究

王冠君

（常州科技经贸技工学校，江苏 常州213000）

在机械制造技术更新换代之下，数控机床在加工领域得到普遍应用，在精度与加工速度等方面具有明显优势，适用于批量加工生产。但是，受机床自身因素影响，在制造与装配环节中存在误差，并且在位置控制、测量、刀具选择等方面还会产生非机械性误差。对此，应采取多样化措施进行控制和消除，使机床加工精度得到显著提升。

1 数控机床操作误差的成因

要想对误差进行有效控制，首先要明确机床加工中误差的产生原因。从整体来看，机床操作误差主要包括以下内容。

1.1 编程因素。在数控编程方面，在生产过程中软件技术作为最关键内容，很容易导致误差产生。例如，在直线零件轮廓生产中很容易产生误差，对零件加工精度产生极大影响，难以满足当前机床加工相关标准，进而影响后续生产效果。在机床系统运行中还可能出现公差问题，在驱动装置与伺服系统运行时可能会重复性定位，加上脉冲的作用，使传动线路运行效果受到影响。

1.2 测量误差。在机床运行中出现的误差很容易对测量精度产生不良影响，无法采用常规操作方式开展管理工作。在实际工作中，由于受到热误差、切削力误差等因素影响，还可能导致实际测量尺寸不够精准，难以构建合理的测量体系，对切割精度、切割位置的确定产生阻碍，进而影响整体测量效果。

1.3 刀具因素。该项因素包括刀具磨损、刀尖圆弧等方面。在刀具磨损方面，机床长期工作中可能受零件材料因素影响，导致加工误差产生。在高温或高剪切作用下，刀尖位置很容易出现磨损情况，进而导致误差值增加。在刀尖磨损中呈现出快- 慢- 快的磨损趋势，应采取科学方式进行处理；在刀尖圆弧方面，切削内孔与断面加工属于机床加工的重要环节，刀尖圆弧虽然未能对具体尺寸与性状产生影响，但在加工中锥面会因此受影响，进而无法满足精度要求，甚至出现切削过多或过少情况，对后续工作的顺利开展产生不良影响[1]。

2 数控机床关键部件的综合误差分析

机床加工可以看成是一个传动链，将加工工件和机床刀具相连接。在机床运动过程中，工件与刀刃之间的相对位置精度与加工精度具有紧密联系。在切削过程中，应注重机床关键部件的综合误差分析，主要包括以下几个方面。

2.1 支撑件误差。在整个机床系统中，支撑件属于基础部件之一，主要包括支架、床身、横梁与立柱等内容。通常情况下，主轴箱等关键部件的导轨安装在支撑件上，上述部件顺着床身、立柱等部件的导轨运动，导轨相对位置精度具有严格要求，以此确保加工精度符合标准。但是，在机床加工过程中，切削力产生的静/动载荷最终都将作用到支撑件上，使支撑件受力变形，导轨的相对位置精度难以达到要求，最终对加工精度产生不良影响。机床中的支撑件受力变形后，坐标系的齐次变换矩阵为：

支撑件上坐标O2 相对于坐标O1 的变形趋势如图1 所示。

图1 支撑件变形示意图

2.2 移动副误差。在机床运行中，滚动直线导轨副由诸多部件构成，包括导轨、滑块以及二者之间的滚动体等。在设计过程中，只允许固定方向开展直线运动。例如，X为进给方向，溜板只可顺着X方向运动，且剩余五个方向的自由度均受到限制。但在实际应用中，在非进给方向仍然存在一定的旋转或者偏移，由此产生其他方向的误差。机床加工中心溜板与导轨均可通过移动副表示出来，如图2 所示。例如，在运行中X方向溜板进给x时，齐次变换矩阵如下：

图2 移动副误差示意图

在机床运行过程中，受多种因素影响产生误差，主要与以下因素有关。一是几何因素，体现在导轨与滑块之间的制造误差。在制造直线导轨副时，难免会在形状与尺寸方面偏离理想值。例如，导向面加工时出现直线误差等等，进而产生运动误差；二是外力因素。机床在运行时需要承担部件自身的重量，在加工切削时也会不断的加载在各个部件上，尤其是直线导轨副，受外力作用影响，滚动元件与导轨之间的接触面会变形，进而对导向精度产生不良影响[2]。

2.3 转动副误差。在加工中心最为关键的转动副便是主轴，在实际加工中，主轴组件受多种因素影响产生误差，在旋转过程中回转中心线的空间位置发生动态变化。预计中心线位置与瞬间位置在机床空间中产生误差，即回转误差，涉及到轴向、角度等多方面，导致主轴端面发生跳动。当径向与角度误差同时产生时，主轴便会产生径向跳动，对最终加工精度产生极大影响。在理想情况下，主轴绕着理想轴旋转时，齐次变换矩阵为：

在转动过程中，很容易受到振动因素影响产生误差。对于任何直线导轨来说，在进给运动方向的刚度要远远低于非运动方向的数值。在机床加工时存在多个振动源，在振动时很容易产生惯性力，如若在进给的方向产生惯性力，则部件很容易在此方向出现非正常位移。

3 数控机床加工误差的控制措施

在机床加工中，应明确操作误差的形成原因，并采取相应的解决措施，通过优化程序、控制刀尖、修正磨损等方式，使机床加工质量和效率得到全面提升，将误差控制在合理范围内，为生产加工管理提供更多便利。

3.1 优化程序，构建控制模型。在数控加工方面，应根据程序进行合理分析，选取最佳工作方式。首先，可采用“人工+计算机”的综合管理模式，对零件管理措施进行优化，促进程序控制效果提升。在此基础上，可对加工误差进行预防，创建更加科学可行的发展体系；其次，在程序管理中采取合理加工方式开展相应工作，对工作内容和原因深入分析，确定零件曲面特点和内容，对软件节点进行科学设置，并对刀具进行有效管理。在实际工作中，根据当前加工特点与实际需求，创建多元加工管理体系，促进程序优化效果提升。在此过程中，应及时发掘程序中的缺陷和不足，采取合适的防误差措施，在确定加工技术的基础上构建程序控制模式，为后续加工生产打下坚实基础[3]。

3.2 控制刀尖，提高测量精度。3.2.1 对刀管理。在加工工作中，对刀管理十分关键，应确定对刀工作要求，采用合适的对刀仪与ATC 方式进行处理，形成自动对刀管理。在此过程中，应通过试切的方式，利用误差管理方式，明确是否存在测量误差，如若存在则要判断误差是否处于允许范围，如若超过设定范围，则应开展相应的削减工作。在测量过程中，还要判断工具与卡尺方式是否正确，以此提高测量准确性；然后，利用螺纹卡尺进行测量，提高测量精准度。在实际工作中，还可采用静态测量与动态管理相结合的方式，使刀具得到有效处理。与测量加工规定相结合，采用震动外力加工模式，确定刀具的实际特点，实施工件与刀架之间的夹紧处理，促进机床加工水平提升。3.2.2 刀尖管理。在程序优化完毕后，应对机床的具体加工指令进行掌握，强化刀尖的控制与管理，将正确的参数输入其中，并对页面合理控制，使程序指令的作用和功能得以充分发挥，有效预防加工误差产生。3.2.3 反向失动量管理。在机床实际加工中，应判断是否存在反向失动量，并对具体内容与特点进行确定，以此提高管控效率。在此过程中，还应判断是否存在间隙，如若存在则应及时有效的整改，减少机床工作中抗力的产生。在误差管理方面，应结合传动零件的联接情况进行检查，尤其是反向失动量，根据实际加工精度要求，构建科学的管理体系。在加工操作中，还应制定故障整改制度，最大限度的减少磨损问题产生。在测量期间，明确机床系统是否存在间隙，并放缓刀具速度，达到最佳整改效果。

3.3 修正磨损，消除间隙误差。在数控加工生产中，加工技术精度控制与生产质量息息相关，可实现智能化、网络化的有机结合。在实际生产中，应对各项误差形成因素严格把控，促进机床制造技术精度的大幅提升，以此推动制造业的稳健长久发展。对此，可采取以下措施修正磨损，使间隙误差得到有效消除。一是批量生产误差控制。在机床批量加工中，经常采用高温高剪切的方式使刀具持续运行。为了预防磨损问题产生，了解具体零件尺寸，应合理开展误差管理。在实际工作中，应将磨耗数值输入机床系统，掌握工件生产相关内容。对于机床来说内部存在许多间隙，在加工时应结合实际情况创建X 轴系统，采用磨耗管理的方式对误差进行分析，计算公式为理论数据与实际数据的差值。例如，在机床加工中，如若理论数据为20mm，实际数据为20.1mm，便可说明误差为0.1mm，将该数值输入机械中进行误差消除，便可提高整体设备的管理效率，与当前机床加工要求相符。二是误差补偿技术应用。在机床误差维护方面，补偿技术的应用较为常见，通过加强对误差数据的测量与分析，可对误差的形成因素进行研究，由此构建补偿数学模型，以人工方式抵消误差。通过对数控机床精度的控制，促进工作精度优化升级。只有强化机床在空载运行时的数据精度，并通过多次测试，才可使整个机床的工作质量得到切实保障。三是及时维修。机床设备长期处于运行状态，内部各部件老化加速，需要及时检修和维护，以免对制造精度产生不良影响。在检修过程中，应注意机床调试与管理，确保精度无误的情况下才可开始运行，并适当增加机床制造成本，促进其精度提升，由此实现高效优质运行[4]。

4 结论

综上所述，在机械加工过程中，误差问题无法彻底避免。但是，可通过创新机床操作手段与技术，优化编程程序、构建控制模型、控制刀尖与道具等方式，针对测量误差、刀具自身因素与编程因素等得到有效控制，使修正磨损被有效的消除，最大限度的控制误差产生，使测量精度得到显著提升，推动现代机械事业的健康可持续发展。