机床加工中的加工误差分析与控制

Ｄ蝴ａｎｄ　Ｒｅ　设计与研究　

三轴数控机床加工误差分析冰　

郑财黄贤振　

（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳１１０８１９）　

摘要：以三轴数控机床为研究对象，运用多体系统理论和齐次坐标变换，从装配误差、运行误差、换刀误差　以及热误差这４个方面来分析数控机床Ｊｊｎ－ｒ误差，进而建立数控机床空间误差模型，分析出ＸＹＺ型　

数控机床的加工误差。　关键词：数控机床；多体系统理论；齐次坐标变换；误差模型　

中图分类号：ＴＨ１６１．５　文献标识码：Ａ　

ＤｏＩ：１０．１９２８７／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５—２４０２．２０１６．０８．０１４　

Ｔｈｒｅｅ　ａｘｉｓ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

ＺＨＥＮＧ　Ｃａｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｅｎｘｉａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０８１９，ＣＨＮ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ａｘｉｓ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ￣ａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｅｒｒｏｒ，ｅｒｒｏｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｏｏｌ　

ｃｈａｎｇｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｒｒｏｒ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｓｐａｃｅ　ｅｒｒｏｒ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ＸＹＺ　ｔｙｐｅ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ．　

机床制造误差对工件加工精度的影响

【机床的几何误差】

加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此，工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。机床制造误差对工件加工精度影响较大的有：主轴回转误差、导轨误差和传动链误差。机床的磨损将使机床工作精度下降。

（1）主轴回转误差

机床主轴是装夹工件或刀具的基准，并将运动和动力传给工件或刀具，主轴回转误差将直接影响被加工工件的精度。

主轴回转误差是指主轴各瞬间的实际回转轴线相对其平均回转轴线的变动量。它可分解为径向圆跳动、轴向窜动和角度摆动三种基本形式。

产生主轴径向回转误差的主要原因有：主轴几段轴颈的同轴度误差、轴承本身的各种误差、轴承之间的同轴度误差、主轴绕度等。但它们对主轴径向回转精度的影响。大小随加工方式的不同而不同。

譬如，在采用滑动轴承结构为主轴的车床上车削外圆时，切削力F的作用方向可认为大体上时不变的，在切削力F的作用下，主轴颈以不同的部位和轴承内径的某一固定部位相接触，此时主轴颈的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而轴承内径的圆度误差对主轴径向回转精度的影响则不大；在镗床上镗孔时，由于切削力F的作用方向随着主轴的回转而回转，在切削力F的作用下，主轴总是以其轴颈某一固定部位与轴承内表面的不同部位接触，因此，轴承内表面的圆度误差对主轴径向回转精度影响较大，而主轴颈圆度误差的影响则不大。

（2）采用滑动轴承时主轴的径向圆跳动

产生轴向窜动的主要原因是主轴轴肩端面和轴承承载端面对主轴回转轴线有垂直度误差。

不同的加工方法，主轴回转误差所引起的的加工误差也不同。在车床上加工外圆和内孔时，主轴径向回转误差可以引起工件的圆度和圆柱度误差，但对加工工件端面则 无直接影响。主轴轴向回转误差对加工外圆和内孔的影响不大，但对所加工端面的垂直度及平面度则有较大的影响。在车螺纹时，主轴向回转误差可使被加工螺纹的 导程产生周期性误差。

适当提高主轴及箱体的制造精度，选用高精度的轴承，提高主轴部件的装配精度，对高速主轴部件进行平衡，对滚动轴承进行预紧等，均可提高机床主轴的回转精度。

机械加工误差的分析

鉴于机械加工过程中不可避免的会产生加工误差，因此工作重点是如何控制加工误差。首先，本文在处理现场加工设备误差的基础上，详细分析加工误差产生的原因，分析原有误差原因和误差补偿手段，减少产生的加工误差，具有良好的管理效果和意义，可进一步提高加工误差控制的应用水平，确保机械加工高质量的加工表面。

标签：加工;机械制造;加工误差;误差检查

引言

由于机械制造设备的固有精度误差和制造过程中使用的加工工艺的不同，加工过程中的加工误差是不可避免的。所谓的误差是指真实值和理论值之间的差异，对于加工理论值通常根据模型计算或根据图纸设计得出来的，这些都是优化和理想化的设计值。在实际加工中，这不适用于理想化的理论值，因为理论值没有考虑加工过程和制造设备本身的固有缺点。

1机械加工误差产生的原因分析

加工误差有很多原因，它们随加工材料、加工工具、加工条件和润滑系统而变化。因此，在分析加工误差时必须指定特殊条件。一般来说，发生误差的原因主要集中在以下几个方面。

1.1加工机床时的几何误差

众所周知，加工几乎与机床有着千丝万缕的联系，无论机床的精度如何，加工误差都是不可避免的。在使用机器加工之前，必须首先夹紧和定位工件，防止设备的定位导致误差。另一方面，为了在进给和纵向进给过程中实现机床的良好性能，防止导轨的其他传动误差和传动加工精度误差的设计，在加工过程中出现误差。通常，在机床的各个部件的加工和移动期间对加工误差的最大影响是导轨的精度误差和装置的定位误差。因此，在这两个方面主要测量和检验当前机床精度的测量。

1.2加工工具的几何误差

在加工过程中，不可避免地要使用各种工具，如铰刀、钻孔、铣削等工具，各种工具在加工过程中会产生不同的加工误差，因为刀具本身也经过加工，刀具本身具有一定的精度，这使得加工误差不可避免。另一方面，在切削工具对工件进行雕刻的情况下，刀具在多重效果对映体中实际切削工件工件表面几何形状的连续运动，将刀具几何精度误差直接传递到加工工件的表面会导致表面光洁度误差，从而影响加工表面的质量。

精密机械装配过程中的误差分析与控制

在精密机械装配过程中，误差是无法避免的。这些误差可能来自于材料、设计、加工和装配等各个环节。误差的累积与扩大会对产品质量和性能产生重大影响。因此，进行误差分析与控制是确保精密机械产品质量的关键步骤。本文将探讨精密机械装配过程中的误差来源、误差分析方法以及误差控制措施。

一、误差来源

1.1 材料误差

材料本身的尺寸、形状和物理性质可能存在一定的误差。例如，材料的线膨胀系数会影响装配精度。材料选择和质量控制是减少材料误差的关键。

1.2 加工误差

加工过程中的误差是精密机械装配过程中主要的误差来源之一。加工误差包括如下几个方面：机床精度、刀具磨损、刀具偏差、加工参数的变化等。提高加工装备的精度、加工工艺的稳定性以及加工操作的精确性都是减少加工误差的关键要素。

1.3 设计误差

设计误差是精密机械装配过程中难以避免的。设计师可能根据不同的工艺要求来确定零部件的尺寸和公差，但是实际装配过程中，这些误差会累积并导致装配间隙的变化。因此，在设计阶段就需要考虑装配误差控制的因素，并采用合适的设计策略。

1.4 装配误差

装配误差包括人为误差和设备误差。人为误差是指操作人员在装配过程中的不精确或错误的操作。设备误差是指装配所使用的夹具和工具本身存在的精度问题。通过培训操作人员和改进装配设备，可以减少装配误差。

二、误差分析方法

2.1 装配误差测量

装配误差测量是误差分析的关键步骤之一。通过测量零部件和装配体的尺寸，将实际测量结果与理论值进行对比，可以确定误差的大小和方向。测量装置的精度与稳定性需要得到充分的保证。

2.2 误差分布分析

误差分布分析是对装配过程中误差的统计分析。通过将误差数据进行处理和分析，可以得到误差的分布情况，包括均值、方差等。统计分析方法和工具在误差分布分析中得到了广泛的应用，例如正态分布、方差分析等。

2.3 误差来源分析 通过对装配误差的详细分析，可以确定误差的来源。根据误差来源的分析结果，可以制定相应的误差控制策略。误差来源的分析需要考虑各个环节的误差贡献及其相互作用，以及装配过程中的协同效应。