五轴数控机床加工精度分析

吴强

摘要：由于精密仪器、航空航天等行业对加工件的要求逐渐提高，传统的加工方式不能满足其高精度的要求，为了满足工业制造的基本需求，有必要对数控机床的精度与误差进行分析研究，尤其整机机床的误差分析，减小误差有助于提高五轴数控机床的精度，间接的也提高了加工件的加工精度，因此，研究对五轴数控机床加工精度的分析研究对精度的提升具有实际的参考意义。

关键词：五轴数控机床;几何误差;精度建模;精度预测

随着我国制造的飞速发展，使得传统的机床加工满足不了设计者要求的精度，尤其是在精密仪器的制造，需要极高精度的数控机床[1-2]。而五轴数控机床相对其他加工方式具有更好的柔性、加工精度更高、自动化程度高等优点，使得其在机械制造、航空航天和大型精密仪器得到广泛的应用。通过数控机床可以使被加工的产品得到较高的精度，但在数控机床自身的制造和研发中，需要准确的把握数控机床的误差，只要数控机床自身的误差小，才能使制造更加精密的零件[3-4]。由于数控机床的精度主要取决于组成机床的零部件组装，其整机的加工精度体现了被加工件的加工水平和要求[5]。对于数控机床的加工精度的分析主要采用几何建模法、误差矩阵法、二次关系模型法和多体系统理论法等算法，本文以五轴数控机床的精度和误差为分析对象，旨在提高数控机床的加工精度，为今后的设计和优化奠定良好的基础。

1五轴数控机床的精度分析

由于数控机床自身的加工精度决定着数控机床加工零件的质量和精度。随着加工零件越来越复杂、几何结构越来繁琐，各个面的精度也越来越高，使得五轴数控机床得到极大的应用。然而数控机床的自身的各种问题都极有可能导致待加工的零件质量不合格，机床厂家对待加工零件完成之后，都会要求对零件进行检测，如果出现精度不达标，也无法对数控机床进行调整和修复，可能会耽误很长时间，导致数控机床的停止作业，使得制造成本大大增加。针对数控机床的精度和误差一般是采取预防措施，也就是在数控机床的精度没有超出偏差范围之外进行调整，根据计划随时掌握对机床工作状态进行监控，并对机床加工出的零件进行精度检测，并针对各个误差来源对机床进行相应的补偿，以此来消除或降低机床的误差，从而使得机床的精度始终保持高精度的要求之内。因此，对机床精度的分析和研究有效的提高了数控机床的精度，为其设计提供了一定的参考依据。五轴数控机床是一种专门用于加工机翼、叶轮、叶片、重型发电机转子等具有复杂空间曲面零件的高科技含量、高精密度的现代数控加工中心。其优势是能够加工多曲面的结构，尤其是三轴机床和一次装夹无法加工的结构，采用五轴数控机床可以加工一般三轴联动机床不能加工或者无法一次装夹加工完成的自由曲面，节省装夹次数和时间，还可以提高空间曲面的加工精度、加工效率和加工质量。对于一台数控机床可以用加工精度和加工误差来进行评判，其中，加工误差的大小体现了数控机床的加工精度。由于在对零件的加工时，数控机床自身的加工精度需要考虑机床本体、夹具、工件和刀具等精度，从而改变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系从而影响零件的加工精度。

2五轴数控机床误差分析

根据五轴数控机床的加工情况分析，不同类型的误差对机床总的误差影响各有所不同，按照误差的来源，可将其分为外部误差和内部误差。其中，外部误差是指机床加工时，机床所处的环境温度、零部件的振动、动力的稳定和操作等外界条件;内部误差主要是指数控机床加工原理和结构上带来的误差，即系统误差。通过对各个误差的统计分析，对机床的误差所占的比例分布如表1所示。2.1五轴数控机床的几何误差分析。五轴数控机床的几何误差是指由组成机床各部件工件表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所产生的机床运动误差。任何一个物体在空间都有6个自由度，相当于该物体在空间上就会存在6个方向的误差。以X轴为例，五轴数控机床的存在的误差如图1所示。2.2热误差分析。数控机床由于再加工过程中，消耗了电能和动能，相关的零部件也会因为摩擦产生温度，尤其是刀具，再加上零部件都是由金属材料加工而成，必然会受到温度的影响。将整个机床的热源可以分为两大类：内部热源和外部热源。其中，内部热源是指数控机床本身产生的热量，如传动件的轴承、数控机床的伺服电机、传动动力的齿轮和离合以及工作台的导轨驱动等，都会产生热量;外部热源是指数控机场所处的环境温度，如气温、冷、热风气流、阳光、照明、暖气设备等外界因素。机床热误差的产生主要由于数控机床的各个零部件的受热不均匀，导致了材料的热膨胀有差异，从而引起机床各部件的尺寸、外形和空间相对位置发生变化，导致主轴相对于工作台的位置发生改变，原点坐标变化，机床运动机构移动的直线性产生偏差，破坏反馈系统工作的稳定性。2.3其它方面的误差分析。切削力产生的误差是指数控机床在加工过程中，由于刀具切削金属零件而受到的反作用力，即切削作用力，导致刀具与被加工零件的位置发生误差，影响工件的加工精度。刀具使用过程中，工件对刀具的磨损都会对加工精度产生影响。夹具误差主要来源于夹具的定位元件和装配等产生的误差，这些误差都会对被加工工件的位置产生巨大的影响。因此，在刀具的在使用过程都要不断的修正，以此提高加工件的精度。

3总结

通过对数控机床的详细介绍，主要从精度和误差两个方向入手，对数控机床的整体精度进行有效的分析和研究，并对误差的类型做了一定的介绍，由于数控机床的加工精度主要受到外界和系統的误差影响，因此对于误差和精度的分析是非常有必要的，分析机床的误差和精度有助于提高机床的整体性能，为今后机床的检验和检修提供一定的参考依据，也为精度的分配提供理论上的数据。

参考文献：

[1]王洪乐，周青华，熊青春.基于多体系统理论的数控机床加工精度几何误差预测模型[J].制造技术与机床，2018（05）：78-83.

[2]王伟，李晴朝，康文俊，陶文坚，杜丽.基于综合评价体系的五轴数控机床加工性能评价和误差溯源方法[J].机械工程学报，2017，53（21）：149-157.

[3]李杰，谢福贵，刘辛军，梅斌，董泽园.五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J].机械工程学报，2017，53（07）：113-128.

[4]郑财，黄贤振，胡明伟.三轴数控机床加工精度可靠性及灵敏度分析[J].制造技术与机床，2017（01）：54-59.

[5]郑财，黄贤振，胡明伟，李倩倩.三轴数控机床加工精度可靠性分析[J].机床与液压，2017，45（15）：180-183，160.

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