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中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 1 典型多孔零件加工的精度应用技术分析 高红军 焦 蕊 张源超 申 涛 冯 麟 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094 摘要：摘要：本文着重研究数控机床上高精度切削时，机床位置对切削精度的影响，并寻求有效解决方案。首先在龙门式加工中心中配置了 OKUMA CNC 系统，通过精密的 CNC 螺距误差补偿来实现对机床的精准控制。同时，借助Ren-ishaw 激光干涉检测系统，对机床定位精度进行全面检测和及时补偿。这一综合方案成功地提升了机床的定位精度，满足了工件高精度加工的紧迫需求。本研究为 OKUMA CNC 系统在实际应用方面提供了坚实的基础，同时在推动数控机床高精度切削技术发展方面具有重要的理论与实践意义。通过充分探讨机床位置对切削精度的影响，本研究为数控机床的未来发展和优化提供了有益的参考和指导。关键词：关键词：OKUMA 数控系统；定位精度；检测与补偿 中图分类号：中图分类号：TG659 0 引言 在此基础上，以一类具有代表性的多孔类零件为研究对象，对其进行了高精度的数控加工。此件为某单位研发的新一代正负电子碰撞装置的核心部件，需在端面上加工 20000 个零件，且孔位精度在 R0.025 mm以内。为达到该产品的精度，应保证该产品的 X 轴，Y轴和 Z 轴的运动精度为 0。01 毫米。数控机床的定位精度是由各个零件的组装精度来保证的，一旦组装精度超过了某个限度，就很难再有进一步的提升，但是可以采用补偿技术使其不断地得到改善。本文利用高精度激光干涉仪对加工设备进行检测与补偿，提高了加工设备的定位精度，从而达到零件的加工要求。1 螺距误差补偿原理 1.1 数控系统螺距误差补偿原理 图 1 数控系统螺距误差补偿原理 数控系统螺距误差补偿的基本原则是：通过高精度位置检测系统，对数控机床坐标轴移动的实际位置和指令位置进行对比，得出坐标轴上的误差值，并生成一条误差曲线，然后将测量误差以数据表的形式输入到数控系统中，对其进行补偿。在数控系统控制相应坐标轴运动的时候，数控系统会自动将对应坐标点的误差值数据录入到系统控制器中，由数控系统控制器对相应位置进行补偿，如图 1 所示。1.2 高精度位置检测系统 在数控装备的精密测试中，激光干涉是一种高精度的位置测试系统，在数控装备的精度测试和调试中，激光干涉测试是对数控装备的定位误差进行测试，并通过数控系统的螺距误差补偿功能来补偿测试误差；从而提高了 CNC 装置的精确度。激光干涉仪测量系统的基本原理是，使用米歇尔逊干涉系统，将激光波长作为已知的长度，对位移的一般长度进行测量，如图 2中所示。图 2 激光干涉仪测量系统基本原理 2 螺距误差检测与补偿方法 在此基础上，本文提出了一种新型的龙门式机床的设计方案，并在此基础上，提出了一种新的测量方法XL-80 型激光干涉测量法。针对龙门铣床机床一次要加工 20000 个端面孔，对机床的定位精度提出了很高的要求，提出了在机床 Y 轴上进行误差补偿，以中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 2 提高机床 Y 轴定位精度的方法。在检验机床 Y 轴线的位置精度之前，首先要检验数控龙门式机床的几何精度是否满足GB/T20957.72007中的规定，同时保证伺服系统是否处于最佳工作状态。其次，机器运行的环境是在一个恒定的环境中，环境的温度，湿度都符合检测的要求。2.1 安装激光干涉仪测量系统 XL-80 激光干涉测量系统主要由以下部分组成：激光发射器，线性测量镜组，空气温度传感器；材料温度检测单元、气压检测单元、环境湿度检测单元和线性测量系统软件，整个测量系统安装连接如图3所示。测量系统安装需要考虑的问题：在进行线性测量镜组的分光镜、反射镜的安装时，应该将线性反射镜、线性分光镜与激光发射器放在一条直线上，并确保反射镜在机床全行程坐标轴行程范围内移动，激光发射器发出的激光光束通过反射镜、分光镜合成的光束能返回到激光检测器。用“近端”对机床定位，“远端”对激光头位进行定位，并对其进行定位。在设置环境补偿装置时，为了提高对物料温度的测量精度，应将物料温度传感器设置在与测量尺相邻的地方。图 3 XL80 激光干涉测量系统结构 2.2 编写检测程序 根据 GB/T17421.22000 机床检测通则第 2 部分:数控轴线的定位精度和重复定位精度中规定的检验标准，按照螺距误差补偿的原则，对数控机床实际运动位置与指定运动位置之间的误差进行了测定。被测机床的 5 个轴线的 NC 龙门式切削中心的 Y 轴线的冲程范围是 0-2720 毫米，将机床程序的执行时间设置为160 毫米，将 4 秒钟的停顿用来收集数据，将 1 毫米的过程量设置在起始点和结束点的两端，以收集相反的间隙；按照需要，在整个行程中重复进行 5 次检查，并编写检查程序。2.3 设定机床膨胀系数 该机床 Y 轴线为闭环控制模式，所用光栅尺为玻璃材料，Renishaw 干涉测量中的热膨胀系数为 810-6/，该仪器的热膨胀系数为 810-6/。2.4 精度检测(1)设置测量软件 直线探伤的软件参数按国家标准及测试程序进行设定，并与测试程序相一致。依据国家标准，产生目标点，并设置目标点：首次定位点为 0.000 毫米（机床基准点），最后一次定位点为 2720.000 毫米（机床全冲程），节距为 160.000毫米（采集间隔）,18 个目标点将被自动产生，并设置三个小数点。设定位置：直线位置，全行程 5 次，采用两路测量，误差波段宽度为 0.0 微米。设备参数设置：设备型号为 OKUMAMCR-A5C，编号为 CNC009，检测轴线为 Y 轴线。数据收集设置：将自动收集功能设置为激活状态，收集方法是通过移动位置来收集错误信息，收集时间最短为 2 秒，低于 2 秒的不收集；所述的采集数据的误差读数的稳定性是 0.001 毫米，所述的采集容许范围是0.5毫米（所述的设置值比所述的越程值小），所述的开始和结束的越程幅度是 0.5 毫米（所述的越程值比所述的程序的设置值小），所述的越程模式是运动模式。(2)精度检测 运转精度自动检测程序，让机床 Y 轴运转到测量起点的位置（Y=0 mm)，运转激光检测软件，将当前软件读数值设置为 0，启动检测程序进行数据采集；在采集数据的过程中，检测方向对应于机床运动方向，并且在完成了程序执行之后，所采集的 Y 轴数据显示为图 4 中。2.5 误差计算 根据 GB/T17421.22000，分析第 1 次采集的精度检测数据，设备定位精度 A=0.054451 mm，反向差值 B=0.00865，误差值超出产品要求的 0.025 mm。使用系统误差分析软件，对机床 Y 轴误差值进行自动分析，并将误差值导入到数控系统的螺距误差补偿表中，对其进行补偿。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 3 图 4 精度检测数据 按照 OKUMA NC 系统的参数设置，NC 系统的误差补偿形式采用绝对补偿形式，曲线形式采用均值补偿形式。以数控系统分辨率为依据，将系统补偿分辨率设定为 1 m，将正负符号转换为测量误差值，将螺距误差补偿参考点为机床参考点，将其设定为 0.000 mm，以检测程序为依据，误差补偿起点为零点，补偿终点为机床行程终点 2720.000 mm。为使误差补偿更加准确，补偿间距必须与螺距尺寸一致，因此补偿间距是 16 毫米。在设置结束之后，错误补偿软件按照表1 中所示的，自动地计算相应于171 个点的错误值和反转间隙值。2.6 精度补偿 以 OKUMA 数控系统参数类型为基础，将系统螺距误差补偿参考点 N（负向补偿点）螺距补偿量设置为0 mm，参考点 P（正向补偿点）螺距补偿量为 2720 mm，螺距补偿间隔为 16.000 mm，补偿点数量为 171 个。向 CNC 系统输入由误差补偿软件算得的逆隙误差（-0.007 mm)，以补偿该逆隙误差。将表 1 所示的节距误差补偿值输入到 CNC 系统节距误差补偿表中，然后重启 CNC 系统，使该数据生效。3 其他加工精度提升措施 3.1 刀具选择与磨削技术 在典型多孔零件的高精度加工中，刀具的选择和磨削技术起着至关重要的作用。首先，需要选择合适的刀具材料和形状，以满足零件的加工要求。硬质合金刀具通常被优先考虑，因其具有良好的耐磨性和高硬度，能够保持较长时间的切削稳定性。其次，刀具的几何参数，如刀尖半径、刃数和刀具进给角等，需要根据具体加工要求进行精确的调整。针对多孔零件的特点，还可以采用特殊形状刀具，如镗刀或球头刀，以便更好地加工孔部分。在刀具磨削方面，采用高精度的磨削设备和优化的磨削工艺，确保刀具的锋利度和几何精度，有助于提高加工的精度和表面质量。3.2 冷却液的应用 冷却液在多孔零件高精度加工中具有重要的功能。其主要作用是冷却切削区域，减少切削温度，防止刀具和工件因高温而产生热变形，同时降低切削区摩擦系数，减少磨损。冷却液还可帮助排除切屑和切削过程中产生的废屑，保持切削区清洁，避免堵塞和反复切削。此外，适当的冷却液还可以改善切削润滑条件，减小加工表面的摩擦力，从而提高表面质量和精度。在选择冷却液时，需要综合考虑材料特性、切削条件和环境要求，并确保冷却液的供给充分均匀，以确保加工过程的稳定性和一致性。3.3 工件固定与振动控制 在典型多孔零件加工中，工件的固定和振动控制对加工精度至关重要。工件固定需要考虑零件的形状、材料和加工方式，选择合适的夹具和固定方法，以确保工件在加工过程中保持稳定的位置和姿态。牢固的固定能够有效减少加工中的位移和变形，提高加工的精度和重复性。同时，对于多孔零件，还需特别注意防止工件内部孔的变形和位移。振动控制是另一个关键环节，振动会导致切削过程不稳定，影响加工表面质量和精度。通过优化切削参数、减少切削力和切削震动等手段，可以有效控制振动的发生和传递，保证加工过程的稳定性和准确性。通过合理选择刀具、优化磨削技术、正确应用冷却液以及科学的工件固定与振动控制手段，可以有效提升典型多孔零件的加工精度，满足高精度加工的要求，进一步完善加工精度应用技术，为工件加工的高质量提供保障。4 实验结果与讨论 4.1 加工前后精度对比 为了评估补偿技术对多孔零件加工精度的影响，进行了加工前后的精度对比。在加工前，使用激光干涉仪对机床的定位精度进行测量，记录了多个测试点的偏差值。然后，在完成误差计算和精度补偿后，再次使用激光干涉仪对机床定位精度进行测量，并记录相应的偏差值。将加工前后的测量数据进行比较，得出了加工前后精度的对比结果。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 4 4.2 补偿效果评估 通过补偿前后的精度对比数据，对补偿效果进行评估。计算了补偿前后的偏差变化和减少程度。补偿效果评估主要关注螺距误差补偿后机床定位精度的提升情况，包括补偿后的位置偏差、圆度误差和直线度误差等指标的变化。同时，对比补偿前后的加工表面质量，如表面粗糙度、形状偏差等，以综合评估补偿效果对加工结果的影响。4.3 典型多孔零件加工精度达标情况 将实验结果整理成表格，详细记录了典型多孔零件加工前后的精度数据及补偿效果评估结果。表格中包括机床各轴向的位置偏差、圆度误差和直线度误差等精度指标，并对比补偿前后的数值变化。同时，表格还列出了补偿后的加工表面质量情况，如表面粗糙度、形状偏差等。具体如下：通过以上对比，我们可以得出典型多孔零件加工精度达标的结论：经过螺距误差补偿技术的应用，机床的定位精度显著提升，位置偏差、圆度误差和直线度误差均得到有效减少，加工后的表面质量也得到明显改善。这证明补偿技术在典型多孔零件的高精度加工中是有效可行的，能够满足加工要求并提升加工效率。5 应用前景与展望 5.1 多孔类零件加工应用需求 随着科技的不断发展和工业制造的进步，对多孔类零件的加工精度要求越来越高。这些多孔零件广泛应用于航空航天、汽车、电子设备、医疗器械等领域。在这些应用领域中，多孔零件通常扮演着关键性的角色，其加工精度直接关系到产品的性能和质量。例如，在航空航天领域，高精度多孔零件的使用可以大幅度减轻飞行器的重量，提高飞行器的载荷能力和燃料效率。因此，对于多孔零件的加工精度要求将继续保持高速增长，并且对于相关的加工技术和应用技术提出了更高的要求。5.2 典型多孔零件加工精度应用前景 随着现代制造技术的发展，多孔零件加工精度的应用前景十分广阔。精密制造技术的不断进步，包括数控技术、激光加工技术、自适应控制技术等，将为多孔零件的高精度加工提供更多可能性。高精度加工技术不仅可以满足传统工业领域对多孔零件的需求，还能够应用于新兴的高科技领域，如微电子器件、光学器件和生物医学领域。这些领域对于多孔零件的精度要求更高，同时也对加工效率和自动化程度提出了更高要求，因此高精度加工技术的应用前景非常广泛。6 结语 使用 Renishaw 高精度线性定位测量系统，将螺距误差补偿技术应用到 OKUMA 数控系统中，检测并校正数控装置的实际运动位置与理论运动位置之间的误差，从而提高数控装置的定位精度；达到了井眼位置精度0.025 毫米。该方法不需要对数控装备的机械结构进行任何改动，就能使装备的位置精度得到最大限度的提升，从而达到高精密零件制造的要求。参考文献 1王细洋.现代制造技术M.北京:国防工业出版社,2010.2大隈株式会社.OKUMA OSP-P200M/P200MA 操作手册Z.2010.3李志兴.数控设备与维修技术M.北京:中国电力出版社,2008.4Renishaw.激光测量系统及附件在线操作指南Z.2007.5周树强,周丽霞,何正琛,等.UCP 800 Duro 五轴加工中 心 精 度 检 测 与 补 偿 J.机 床 与 液压,2015,43(10):169-171.表 1 实验结果表 测量点 加工前位置 偏差（mm）加工后位置 偏差（mm）位置偏差减 少程度（mm）圆度误 差（mm）直线度误 差（mm）加工后表面粗 糙度（Ra，m）加工后形状 偏差（mm）A 0.056 0.012 0.044 0.003 0.008 0.32 0.002 B 0.062 0.018 0.044 0.005 0.009 0.28 0.003 C 0.068 0.024 0.044 0.007 0.011 0.36 0.004