數(shù)控機(jī)床加工精度靠什么來(lái)保證？
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發(fā)表時(shí)間：2020-04-27 16:21:05
數(shù)控機(jī)床的加工精度最終要靠機(jī)床本身的精度來(lái)保證，數(shù)控機(jī)床精度包括幾何精度、定位精度、重復(fù)定位精度和切削精度。
幾何精度：又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。
定位精度：是表明所測(cè)量的機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部位在數(shù)控裝置控制下，運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的精度。根據(jù)實(shí)測(cè)的定位精度數(shù)值，可以判斷出機(jī)床自動(dòng)加工過(guò)程中能達(dá)到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等實(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置(理論位置、理想位置)之間的差距，差距越小，說(shuō)明精度越高。是零件加工精度得以保證的前提。
重復(fù)定位精度：是指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在在相同條件下（同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，操作方法不同，應(yīng)用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。
切削精度：是對(duì)機(jī)床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項(xiàng)綜合檢查。
由上述可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床精度的高低分機(jī)械和電氣兩個(gè)方面，機(jī)械方面如主軸精度，如跳動(dòng)、母線等；絲杠的精度；加工時(shí)夾具的精度，機(jī)床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán)，全閉環(huán)等，還有反饋和補(bǔ)償方式、加工時(shí)的插補(bǔ)精度等。所以機(jī)床精度高低并不取決于機(jī)床是不是全閉環(huán)。
一、原理介紹
數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動(dòng)器→電機(jī)→絲杠→移動(dòng)部件，根據(jù)位置檢測(cè)裝置安裝位置不同，分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。
1、全閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)
將位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái))上，并對(duì)移動(dòng)部件位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋,通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)處理后將機(jī)床狀態(tài)告知伺服電機(jī),伺服電機(jī)通過(guò)系統(tǒng)指令自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償。但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類測(cè)量裝置價(jià)格較高，安裝復(fù)雜，有可能引起振蕩，所以一般機(jī)床不使用全閉環(huán)控制。
2、半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)
將位置檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端部或是絲桿的端部，用來(lái)檢測(cè)絲杠或伺服馬達(dá)的回轉(zhuǎn)角，間接測(cè)出機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機(jī)械制造水平的提高及速度檢測(cè)元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床已能達(dá)到相當(dāng)高的進(jìn)給精度。大多數(shù)的機(jī)床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
二、 實(shí)際應(yīng)用
1、全閉環(huán)控制系統(tǒng)
位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）有不同精度等級(jí)（±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm），所以全閉環(huán)控制也會(huì)有誤差，定位精度高低受精度等級(jí)影響。
位置檢測(cè)裝置熱性能（熱變形），測(cè)量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床各部件不一致，它是機(jī)床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須要解決機(jī)床加工過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機(jī)床會(huì)采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤(rùn)滑、切削液恒溫冷卻等方式來(lái)降低機(jī)床加工過(guò)程中的熱變形。
位置檢測(cè)裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅(qū)動(dòng)軸線（絲杠副），測(cè)量越準(zhǔn)確。由于受結(jié)構(gòu)空間限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但檢修和維護(hù)不方便。反之，選擇了高精度的光柵尺，而實(shí)際沒(méi)有達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的精度。即使第一種情況，光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動(dòng)軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動(dòng)軸線有一定距離，這一點(diǎn)距離和驅(qū)動(dòng)時(shí)物體的擺動(dòng)相結(jié)合后，對(duì)光柵尺的檢測(cè)控制帶來(lái)了很大的麻煩。當(dāng)驅(qū)動(dòng)物體向光柵尺安裝側(cè)擺動(dòng)時(shí)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)誤認(rèn)為移動(dòng)速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)物體馬上向另一側(cè)擺動(dòng)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)又誤認(rèn)為移動(dòng)速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號(hào)，這樣反反復(fù)復(fù)運(yùn)行，居然沒(méi)有改善數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸的控制，反而加劇了驅(qū)動(dòng)物體的振動(dòng)，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。
生產(chǎn)環(huán)境影響：一般機(jī)械加工工廠環(huán)境比較惡劣，灰塵、振動(dòng)是常見(jiàn)現(xiàn)象，但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來(lái)測(cè)量相對(duì)移動(dòng)位置，灰塵、振動(dòng)恰恰是影響測(cè)量精度的最大因素。另外，機(jī)床在加工時(shí)，切削油霧、水霧比較嚴(yán)重，對(duì)光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了做好安裝密封外，一定要提高生產(chǎn)環(huán)境。否則，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，剛來(lái)的新機(jī)床精度不錯(cuò)，但用了不到一年，不但精度下降，機(jī)床還經(jīng)常報(bào)警。
2、半閉環(huán)控制系統(tǒng)
由于將測(cè)量裝置安裝在電機(jī)或絲杠頂端，比較容易密封，所以對(duì)環(huán)境沒(méi)有要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙。隨著機(jī)械加工工藝的提高，目前進(jìn)口絲杠的制造工藝水平較高，高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環(huán)節(jié)，絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副，可以完全消除正反向間隙。另外，很多機(jī)床廠，在機(jī)床裝配時(shí)，將絲杠采用預(yù)拉伸方式，消除了機(jī)床熱變形對(duì)絲杠傳動(dòng)精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機(jī)床達(dá)到很高的精度。
三、 結(jié)論
綜上所述可以看出，在理論上，如果不考慮外部因素，全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會(huì)提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機(jī)床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動(dòng)、安裝等因素，會(huì)出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有效果，但時(shí)間一長(zhǎng)，灰塵、溫度變化對(duì)光柵尺的影響，將嚴(yán)重影響測(cè)量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時(shí)光柵尺出現(xiàn)問(wèn)題后，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，造成機(jī)床不能工作。
中低端機(jī)床，由于考慮生產(chǎn)成本和競(jìng)爭(zhēng)力，在全閉環(huán)控制的配套上都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，例如密封、溫升控制等沒(méi)有很好的保障。在這種條件下，花較大的成本，單純的配置光柵尺并不能提高機(jī)床的精度。
幾何精度：又稱靜態(tài)精度，是綜合反映數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件經(jīng)組裝后的綜合幾何形狀誤差。
定位精度：是表明所測(cè)量的機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部位在數(shù)控裝置控制下，運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的精度。根據(jù)實(shí)測(cè)的定位精度數(shù)值，可以判斷出機(jī)床自動(dòng)加工過(guò)程中能達(dá)到的最好的工件加工精度。是指零件或刀具等實(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置(理論位置、理想位置)之間的差距，差距越小，說(shuō)明精度越高。是零件加工精度得以保證的前提。
重復(fù)定位精度：是指在數(shù)控機(jī)床上反復(fù)運(yùn)行同一程序代碼所得到的位置精度的一致程度。是在在相同條件下（同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上，操作方法不同，應(yīng)用同一零件程序）加工一批零件所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。
切削精度：是對(duì)機(jī)床的幾何精度和定位精度在切削加工條件下的一項(xiàng)綜合檢查。
由上述可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床精度的高低分機(jī)械和電氣兩個(gè)方面，機(jī)械方面如主軸精度，如跳動(dòng)、母線等；絲杠的精度；加工時(shí)夾具的精度，機(jī)床的剛性等等。電氣方面則主要是控制方式如半閉環(huán)，全閉環(huán)等，還有反饋和補(bǔ)償方式、加工時(shí)的插補(bǔ)精度等。所以機(jī)床精度高低并不取決于機(jī)床是不是全閉環(huán)。
一、原理介紹
數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈包括數(shù)控裝置→伺服編碼器→伺服驅(qū)動(dòng)器→電機(jī)→絲杠→移動(dòng)部件，根據(jù)位置檢測(cè)裝置安裝位置不同，分為全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開環(huán)控制。
1、全閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)
將位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái))上，并對(duì)移動(dòng)部件位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋,通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)處理后將機(jī)床狀態(tài)告知伺服電機(jī),伺服電機(jī)通過(guò)系統(tǒng)指令自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償。但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。另外像光柵尺、直線感應(yīng)同步器這類測(cè)量裝置價(jià)格較高，安裝復(fù)雜，有可能引起振蕩，所以一般機(jī)床不使用全閉環(huán)控制。
2、半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)
將位置檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端部或是絲桿的端部，用來(lái)檢測(cè)絲杠或伺服馬達(dá)的回轉(zhuǎn)角，間接測(cè)出機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置，經(jīng)反饋送回控制系統(tǒng)。由于機(jī)械制造水平的提高及速度檢測(cè)元件和絲桿螺距精度的提高，半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床已能達(dá)到相當(dāng)高的進(jìn)給精度。大多數(shù)的機(jī)床廠家廣泛采用了半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
二、 實(shí)際應(yīng)用
1、全閉環(huán)控制系統(tǒng)
位置檢測(cè)裝置（如光柵尺、直線感應(yīng)同步器等）有不同精度等級(jí)（±0.01mm、±0.005mm、±0.003mm、±0.02mm），所以全閉環(huán)控制也會(huì)有誤差，定位精度高低受精度等級(jí)影響。
位置檢測(cè)裝置熱性能（熱變形），測(cè)量裝置一般是非金屬材料，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床各部件不一致，它是機(jī)床工作精確度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以必須要解決機(jī)床加工過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題，以克服由于溫度引起的熱變形。高端機(jī)床會(huì)采用各種方式，如絲杠中空冷卻、導(dǎo)軌潤(rùn)滑、切削液恒溫冷卻等方式來(lái)降低機(jī)床加工過(guò)程中的熱變形。
位置檢測(cè)裝置安裝也十分重要，理論上，越靠近驅(qū)動(dòng)軸線（絲杠副），測(cè)量越準(zhǔn)確。由于受結(jié)構(gòu)空間限制，光柵尺的安裝方式只有兩種，一種是安裝在近絲杠副側(cè)，另一種是安裝在導(dǎo)軌外側(cè)。推薦盡可能選取第一種安裝方式，但檢修和維護(hù)不方便。反之，選擇了高精度的光柵尺，而實(shí)際沒(méi)有達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的精度。即使第一種情況，光柵尺的安裝位置比較靠近驅(qū)動(dòng)軸線，但是安裝位置畢竟與驅(qū)動(dòng)軸線有一定距離，這一點(diǎn)距離和驅(qū)動(dòng)時(shí)物體的擺動(dòng)相結(jié)合后，對(duì)光柵尺的檢測(cè)控制帶來(lái)了很大的麻煩。當(dāng)驅(qū)動(dòng)物體向光柵尺安裝側(cè)擺動(dòng)時(shí)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)誤認(rèn)為移動(dòng)速度不足，系統(tǒng)則給出加速信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)物體馬上向另一側(cè)擺動(dòng)，光柵尺在檢測(cè)時(shí)又誤認(rèn)為移動(dòng)速度太快，系統(tǒng)則給出減速信號(hào)，這樣反反復(fù)復(fù)運(yùn)行，居然沒(méi)有改善數(shù)控機(jī)床各線性坐標(biāo)軸的控制，反而加劇了驅(qū)動(dòng)物體的振動(dòng)，導(dǎo)致了全閉環(huán)不如半閉環(huán)的奇特現(xiàn)象。
生產(chǎn)環(huán)境影響：一般機(jī)械加工工廠環(huán)境比較惡劣，灰塵、振動(dòng)是常見(jiàn)現(xiàn)象，但光柵尺、直線感應(yīng)同步器屬于精密元器件，工作原理是靠光的反射來(lái)測(cè)量相對(duì)移動(dòng)位置，灰塵、振動(dòng)恰恰是影響測(cè)量精度的最大因素。另外，機(jī)床在加工時(shí)，切削油霧、水霧比較嚴(yán)重，對(duì)光柵尺、直線感應(yīng)同步器影響非常大。所以要使用全閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了做好安裝密封外，一定要提高生產(chǎn)環(huán)境。否則，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，剛來(lái)的新機(jī)床精度不錯(cuò)，但用了不到一年，不但精度下降，機(jī)床還經(jīng)常報(bào)警。
2、半閉環(huán)控制系統(tǒng)
由于將測(cè)量裝置安裝在電機(jī)或絲杠頂端，比較容易密封，所以對(duì)環(huán)境沒(méi)有要求。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度誤差主要取決于絲杠的正反向間隙。隨著機(jī)械加工工藝的提高，目前進(jìn)口絲杠的制造工藝水平較高，高精度的絲杠副配合基本消除了正反向間隙。另外在裝配環(huán)節(jié)，絲杠副采用雙列反向滾珠絲杠副，可以完全消除正反向間隙。另外，很多機(jī)床廠，在機(jī)床裝配時(shí)，將絲杠采用預(yù)拉伸方式，消除了機(jī)床熱變形對(duì)絲杠傳動(dòng)精度的影響。所以目前半閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠保證機(jī)床達(dá)到很高的精度。
三、 結(jié)論
綜上所述可以看出，在理論上，如果不考慮外部因素，全閉環(huán)控制比半閉環(huán)控制可能會(huì)提高基礎(chǔ)的定位精度。但如果不能很好的解決機(jī)床發(fā)熱、環(huán)境污染、溫升、振動(dòng)、安裝等因素，會(huì)出現(xiàn)全閉環(huán)不如半閉環(huán)的現(xiàn)象。短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有效果，但時(shí)間一長(zhǎng)，灰塵、溫度變化對(duì)光柵尺的影響，將嚴(yán)重影響測(cè)量反饋數(shù)據(jù)，從而失去作用。同時(shí)光柵尺出現(xiàn)問(wèn)題后，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，造成機(jī)床不能工作。
中低端機(jī)床，由于考慮生產(chǎn)成本和競(jìng)爭(zhēng)力，在全閉環(huán)控制的配套上都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，例如密封、溫升控制等沒(méi)有很好的保障。在這種條件下，花較大的成本，單純的配置光柵尺并不能提高機(jī)床的精度。
此文關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床,加工,精度,什么,保證
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